DE3417631C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät für ein Elektrospeicher-Straßenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

Ein solches Ladegerät für ein Elektrospeicher-Straßen­ fahrzeug ist aus der DE-AS 25 03 269 bekannt. Dort wird eine Einrichtung zum Laden der Antriebs- und der Bord­ netzbatterie elektrisch betriebener Fahrzeuge beschrie­ ben, bei der der Transformator für die Antriebsbatterie in Sparschaltung ausgeführt ist und über eine zusätzli­ che, galvanisch getrennte Sekundärwicklung auch die Bordnetzbatterie speist. Ein zwischen Gleichrichter und Bordnetzbatterie vorgesehener Schaltkontakt wird geöff­ net, sobald die an der Bordnetzbatterie liegende Span­ nung eine einstellbare Spannungsschwelle überschreitet. Die Ladespannungen können jedoch nicht unabhängig von­ einander eingestellt werden.

In etz Archiv, Bd. 3, 1981, H. 10, S. 335 bis 339 wird ein Schaltleistungsvergleich von Batterieladegeräten mit sinusförmigem Netzstrom vorgenommen. Dabei werden Hoch­ setz-Steller, Hoch-Tiefsetz-Steller, Reihenschaltungen von Hochsetz- und Tiefsetzsteller, Hochsetz-Steller mit Netztransformator, Hochsetz-Steller mit Durchflußwandler und Sperrwandler behandelt, wobei Eingangsgleichrichter und daran angeschlossene regelbare Gleichspannungsum­ setzer vorgesehen sind. Das gleichzeitige Laden einer Haupt- und einer Hilfsbatterie ist nicht vorgesehen.

Aus Technische Rundschau Nr. 43, 26. 10. 82, Seite 25 sind DC/DC-Wandler für die Bordnetzversorgung von Gleich­ stromfahrzeugen bekannt. Dabei wird ein Transformator eingangsseitig mit einer Spannung von hoher Zwischen­ kreisfrequenz und rechteckförmigem Verlauf gespeist. Die Ausgangsspannung des Transformators wird mit Hilfe eines Gleichrichters mit Spannungsregler und Strombegrenzung in die Bordnetzspannung umgewandelt. Das gleichzeitige Laden einer Haupt- und einer Hilfsbatterie ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein Ladegerät für Elektrospeicher-Straßenfahrzeuge der eingangs genannten Art anzugeben, das eine gleich­ zeitige, potentialfreie Aufladung sowohl der Haupt- als auch der Hilfsbatterie des Fahrzeuges ermöglicht, wobei die Ladespannungen unabhängig voneinander einstellbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird alternativ durch die im Anspruch 1 und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß die Ladespannung für die Hilfsbat­ terie stets unabhängig vom Ladezustand und der Ladespan­ nung der Hauptbatterie optimal eingestellt werden kann, wobei der hierzu notwendige Aufwand an Bauteilen gering ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Ladegerätes,

Fig. 2 eine Variante des Ladegerätes,

Fig. 3, 4 den zeitlichen Verlauf der interessierenden Spannungen.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild des Ladegerätes dar­ gestellt. Es ist eine Wechselspannungsquelle 1 (z. B. ein Netz) zu erkennen, die einen Eingangsgleichrichter 2 des Ladegerätes speist. Ausgangsseitig ist der Eingangs­ gleichrichter 2 mit einem regelbaren Gleichspannungsum­ setzer 3 verbunden. Eine nicht dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung steuert diesen Umrichter derart, daß der Eingangsstrom proportional zur Eingangsspannung ist. Dadurch wird die Wechselspannungsquelle 1 mit einem sinusförmigen, reinen Wirkstrom belastet. Die Ausgänge des Umsetzers 3 sind mit Ziffer 4 (Pluspol) bzw. 5 (Minuspol) bezeichnet, wobei der Minuspol 5 gleichzeitig der Bezugspunkt der Schaltung ist.

Zwischen den Polen 4 und 5 sind zwei gleich große Spei­ cherkondensatoren 6 und 7 in Reihe geschaltet (kapaziti­ ver Zwischenspeicher), wobei der gemeinsame Verbindungs­ punkt 8 der beiden Kondensatoren 6 und 7 mit dem "kalten Ende" einer Primärwicklung 9 a eines Haupttransformators 9 verbunden ist. Die Gleichspannung an den Kondensatoren 6 und 7 beträgt jeweils U ₈ (wobei U ₈ = ½ U ₄).

An die Pole 4 und 5 ist ein Wechselrichter 10 ange­ schlossen, d. h. die zwischen den Polen 4, 5 anstehende Gleichspannung U ₄ ist gleichzeitig Speisespannung des Wechselrichters 10 . Der Wechselrichter 10 weist zwei in Reihe liegende elektronische Schalter 10 a bzw. 10 b mit jeweils parallel geschalteten Schutzdioden 10 c bzw. 10 d auf. Der gemeinsame Verbindungspunkt der elektronischen Schalter 10 a, 10 b und der Schutzdioden 10 c, 10 d bildet den Wechselrichterausgang 11 und ist sowohl mit dem "heißen Ende" der Primärwicklung 9 a als auch mit der Primärwicklung 12 a eines Hilfstransformators 12 verbun­ den.

Der Wechselrichter 10 bildet zusammen mit den beiden Kondensatoren 6 und 7 eine allgemein bekannte Halb­ brückenschaltung, wobei die speisende Gleichspannung U ₄ an der einen Brückendiagonalen 4-5 anliegt, während die Primärwicklung 9 a als Last an die andere Brückendiagona­ le 8-11 angeschlossen ist. Die rechteckförmige Wechsel­ richterausgangsspannung zwischen dem Wechselrichteraus­ gang 11 und dem Bezugspunkt 5 ist mit U ₁₁ bezeichnet.

Der weitere Anschluß der Primärwicklung 12 a ist über eine Verbindungsleitung 13 mit einem Trennkondensator 14 verbunden. Der Trennkondensator 14 ist wiederum an einen gemeinsamen Verbindungspunkt 15 der Kathode einer Diode 16 sowie der Anode einer Diode 17 angeschlossen. Die Anode der Diode 16 ist mit dem Minuspol 5 und die Katho­ de der Diode 17 ist mit einem Punkt 18 verbunden, an welchen ein Kondensator 19 und eine Speicherdrossel 20 angeschlossen sind.

Der Kondensator 19 liegt mit seinem weiteren Anschluß am Minuspol 5, während die Speicherdrossel 20 über ihren weiteren Anschluß mit der Anode einer Freilaufdiode 21 und mit einem elektronischen Schalter 22 verbunden ist. Die Kathode der Freilaufdiode 21 ist mit dem Pluspol 4 verbunden, während der weitere Anschluß des elektroni­ schen Schalters 22 auf Minuspotential (Minuspol 5) liegt.

Der gemeinsame Verbindungspunkt von Speicherdrossel 20, Freilaufdiode 21 und elektronischem Schalter 22 ist mit Ziffer 23 bezeichnet. Die letztgenannten Bauteile 20, 21, 22 bilden einen allgemein bekannten Hochsetzsteller.

Die rechteckförmige Gegenwechselspannung zwischen Ver­ bindungsleitung 13 und Minuspol 5 ist mit U ₁₃, die Rechteck-Wechselspannung zwischen Verbindungspunkt 15 und Minuspol 5 ist mit U ₁₅ und die Gegengleichspannung am Kondensator 19 ist mit U ₁₈ bezeichnet.

Der Haupttransformator 9 weist eine mit einem Hauptaus­ gangsgleichrichter 24 verbundene Sekundärwicklung 9 b auf. Zwischen den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 24 ist ein Speicherkondensator 25 geschaltet. Der Hauptaus­ gangsgleichrichter 24 dient zur Speisung einer Hauptbat­ terie 26 (Fahrbatterie) eines Elektrospeicher-Straßen­ fahrzeuges.

Der Hilfstransformator 12 weist eine mit einem Hilfs­ gleichrichter 27 verbundene Sekundärwicklung 12 b auf. Zwischen den Ausgangsklemmen des Hilfsgleichrichters 27 ist ein Speicherkondensator 28 geschaltet. Der Hilfs­ gleichrichter 27 dient zur Speisung einer Hilfsbatterie 29 eines Elektrospeicher-Straßenfahrzeuges. Diese Hilfs­ batterie 29 ist direkt mit dem Bordnetz des Fahrzeuges verbunden.

Zur direkten Verbindung des Punktes 15 mit dem Minuspol 5 ist ein Schalter 30 vorgesehen. Nach Schließen des Schalters 30 kann die Hauptbatterie 26 über den Gleich­ spannungsumsetzer 3 und den Wechselrichter 10 das Bord­ netz des Fahrzeuges speisen bzw. die Hilfsbatterie 29 laden.

In Fig. 2 ist eine Variante des Ladegerätes gemäß Fig. 1 dargestellt. Hierbei entfallen die Bauteile 20, 21, 22 (= Hochsetzsteller) der Schaltung gemäß Fig. 1 und als Ersatz für den Hochsetzsteller ist der erste Hauptan­ schluß eines Transistors 31 mit dem Punkt 18 verbunden. Der weitere Hauptanschluß dieses Transistors 31 liegt über einen Widerstand 32 am Minuspol 5 der Schaltung. Die Reihenschaltung von Transistor 3 und Widerstand 32 stellt im Gegensatz zum Hochsetzsteller mit den Bautei­ len 21, 22, 23 ein verlustbehaftetes Laststellglied dar.

Die Struktur des Ladegerätes und seine Bauteile sind in erster Linie für die zur Ladung der Hauptbatterie 26 benötigte Hauptleistung ausgelegt. Die Hauptbatterie 26 dient dabei zur Speisung des Fahrmotors des Fahrzeuges. Der hauptsächliche Energiefluß während der Aufladung ergibt sich durch den Eingangsgleichrichter 2, den regelbaren Gleichspannungsumsetzer 3, den Wechselrichter 10, den Haupttransformator 9 und den Hauptausgangs­ gleichrichter 24 in die Hauptbatterie 26. Der Wechsel­ richter 10 ist stets voll ausgesteuert. Dadurch ergibt sich ein fester Zusammenhang zwischen der Lastspannung am Ausgang des Hauptausgangsgleichrichters 24 und der speisenden Gleichspannung U ₄ am Eingang des Wechselrich­ ters 10. Die Gleichspannung U ₄ und damit die Amplitude der rechteckförmigen Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ am Wechselrichterausgang 11 sind somit proportional zur Ladespannung der Hauptbatterie 26.

Ein geringer Teil der Leistung des Ladegerätes fließt gleichzeitig während des Ladens der Hauptbatterie 26 über den Eingangsgleichrichter 2, den regelbaren Gleich­ spannungsumsetzer 3, den Wechselrichter 10, den Hilfs­ transformator 12 und den Hilfsgleichrichter 27 in die Hilfsbatterie 29. Der Hilfstransformator 12 bewirkt eine potentialgetrennte Speisung der Hilfsbatterie 29 und ermöglicht eine Anpassung der Wechselrichterausgangs­ spannung U ₁₁ an die Höhe der Batteriespannung der Bat­ terie 29, die zumeist im Bereich 12 Volt bis 15 Volt bzw. 24 Volt bis 30 Volt liegt.

Die Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ ist bedingt durch den Ladezustand der Hauptbatterie 26 großen Schwankungen unterworfen. Da jedoch die Ladespannung der Hilfsbatte­ rie 29 unabhängig von der Ladespannung der Fahrbatterie 26 sein soll, muß von der Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ ein nach Bedarf verminderbarer Anteil der Primär­ wicklung 12 a des Hilfstransformators 12 zugeführt werden. Dieser Anteil soll zweckmäßigerweise möglichst groß sein, damit die nicht nutzbare, abzubauende Differenzspannung möglichst klein bleiben kann.

Von der Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ ist also ein je nach Ladezustand der Fahrbatterie 26 unterschiedlich großer Teil abzuziehen. Dies erfolgt durch Differenzbil­ dung der Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ mit der gleichphasigen Gegenwechselspannung U ₁₃, wobei die Gegenwechselspannung U ₁₃ so einzustellen ist, daß die an der Primärwicklung 12 a des Hilfstransformators 12 sich ergebende Differenzspannung U ₁₁-U ₁₃ die Bildung einer gewünschten optimalen Ladespannung für die Hilfsbatterie 29 ermöglicht.

In den Fig. 3 und 4 sind hierzu die zeitlichen Ver­ läufe der interessierenden Wechselspannungen U ₁₁, U ₁₃, U ₁₅ sowie die Gleichspannungen U ₄, U ₈, U ₁₈ dargestellt. Die punktiert gezeichnete Wechselrichter-Ausgangsspan­ nung U ₁₁ weist im Zeitraum t ₀ < t < t ₁ als Amplitude den Wert U ₄ der Gleichspannung am Gleichspannungsumsetzer 3 auf. Im darauffolgenden Zeitraum t ₁ < t < t ₂ weist U ₁₁ den Wert 0, im nachfolgenden Zeitraum t ₂ < t < t ₃ wiede­ rum den Wert U ₄ auf usw., d. h. es ergibt sich mit Hilfe der im Gegentakt arbeitenden elektronischen Schalter 10 a, 10 b des Wechselrichters 10 eine Rechteckspannung mit dem Mittelwert U ₈ = ¹/₂ U ₄. Die Wechselrichteraus­ gangsspannung U ₁₁ ist dabei der Ladespannung der Haupt­ batterie 26 proportional.

Von der Wechselrichterausgangsspannung U ₁₁ ist die in Fig. 3 durchgezogen gezeichnete, mit U ₁₁ gleichphasige Gegenwechselspannung U ₁₃ abzuziehen. Die Differenz U ₁₃ - U ₈ bzw. U ₈ - U ₁₃ is dabei jeweils mit Δ U be­ zeichnet. Die Differenzspannung U ₁₁ - U ₁₃ liegt an der Primärwicklung 12 a des Hilfstransformators 12 an und ist proportional zur Ladespannung der Hilfsbatterie 29.

Die Gegenwechselspannung U ₁₃ wird auf einfache Weise mit Hilfe der beiden Dioden 16 und 17 passiv erzeugt, indem die Dioden auf die einstellbare Gegengleichspannung U ₁₈ arbeiten. Dabei fällt dem Trennkondensator 14 die Auf­ gabe zu, die Differenz der Gleichspannungsanteile der Spannungen U ₁₃ und U ₁₅ aufzunehmen.

Der zeitliche Verlauf der Rechteckwechselspannung U ₁₅ ist in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet. In den Zeiträu­ men t ₀ < t < t ₁, t ₂ < t < t ₃ usw. (Diode 16 sperrt, Dio­ de 17 leitet), weist U ₁₅ die Amplitude U ₈ = 2 Δ U auf, in den übrigen Zeiträumen t ₁ < t < t ₂ usw. (Diode 16 leitet, Diode 17 sperrt) weist U ₁₅ den Wert 0 auf.

Die Gegenwechselspannung U ₁₃, ohne Gleichanteil Δ U, und damit auch U ₁₅ hängen in ihrer Höhe von der Gegen­ gleichspannung U ₁₈ ab. Wird diese Gegengleichspannung verringert, so steigt der Wechselstrom in der Primär­ wicklung 12 a des Hilfstransformators 12 an. Die Dioden 16 und 17 richten diesen Strom gleich. Dabei gelangt jedoch nur eine Hälfte des Stromes über die Diode 17 zum Kondensator 19, die andere Hälfte des Stromes fließt über die Diode 16 zum Bezugspotential, d. h. zum Minuspol 5 ab.

Da nur der halbe Gleichrichtwert des Wechselstromes in der Primärwicklung 12 a des Hilfstransformators 12 zum Speicherkondensator 19 gelangt, muß auch nur ein ent­ sprechend kleiner Strom abgeführt werden. Diese vermin­ derte Strombelastung kommt der Auslegung des Hochsetz­ stellers 20, 21, 22 zugute, der die abzuführende Lei­ stung über die Freilaufdiode 21 wieder dem Pluspol 4 und damit dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters 10 zuleitet. Der Hochsetzsteller arbeitet in bekannter Wei­ se mit einer Speicherdrossel 20, einem elektronischen Schalter 22 und einer Freilaufdiode 21 zur Energierück­ gewinnung (siehe z. B. Heumann/Stumpe, Thyristoren, Teubner-Verlag Stuttgart, 1970, Seite 147, Bild 147.1). Während der Leitphasen des elektronischen Schalters 22 ergibt sich ein Stromfluß vom Punkt 18 über die Spei­ cherdrossel 20 und den Schalter 22 zum Minuspol 5. Wäh­ rend der Sperrphasen des elektronischen Schalters fließt der Strom vom Punkt 18 über die Speicherdrossel 20 und die Freilaufdiode 21 zum Pluspol 4. Die Durchgangslei­ stung des Hochsetzstellers beträgt nur einen Bruchteil der Ladeleistung für die Hilfsbatterie 29.

Dieser Vorteil ist so groß, daß die Steuerung der Gegen­ gleichspannung U ₁₈ statt mit einem Hochsetzsteller 20, 21, 22 auch mit einem besonders einfachen verlustbehaf­ teten Laststeller möglich ist. Ein solcher in Fig. 2 dargestellter Laststeller besteht hauptsächlich aus dem Transistor 31 und dem Widerstand 32. Die abzuführende Leistung wird im Widerstand 32, im Transistor 31 oder in beiden Bauteilen in Wärme umgesetzt.

Die Einstellung des Verhältnisses zwischen Leitphase und Sperrphase des elektronischen Schalters 22 bzw. des Transistors 31 erfolgt bei beiden Varianten gemäß Fig. 1, 2 in Abhängigkeit der einzustellenden Gegen­ gleichspannung U ₁₈ bzw. der einzustellenden Gegenwech­ selspannung U ₁₃.

Ein weiterer Vorteil des Ladegerätes ist die einfache Betriebsartumschaltung zwischen Ladebetrieb und Fahrbe­ trieb. Wenn die Hauptbatterie 26 des Elektrofahrzeuges während der Fahrt den Fahrmotor speist, kann sie gleich­ zeitig auch das 12 V- oder 24 V- Bordnetz des Fahrzeuges anstelle einer herkömmlichen "Lichtmaschine" versorgen.

Für diesen Zweck läßt sich das Ladegerät ohne Struktur­ änderung umschalten, indem über den Schalter 30 der Punkt 15 mit dem Minuspol 5 verbunden wird. Statt der Wechselspannungsquelle 1 speist in dieser Betriebsart die Hauptbatterie 26 über den Gleichspannungsumsetzer 3 den Wechselrichter 10. Die Speisung der Hilfsbatterie 29 erfolgt wiederum über den Hilfsgleichrichter 27 und den Hilfstransformator 12, wobei die Primärwicklung 12 a des Hilfstransformators 12 mit ihrem einen Anschluß am Wech­ selrichterausgang 11 und mit ihrem weiteren Anschluß über den Trennkondensator 14 am Minuspol 5 liegt.

Claims (3)

1. Ladegerät für ein Elektrospeicher-Straßenfahr­ zeug, welches an einer Wechselspannungsquelle ange­ schlossen ist und über die Sekundärwicklung eines Haupt­ transformators und einen Hauptausgangsgleichrichter mit einer Hauptbatterie verbunden ist, wobei ein Hilfstrans­ formator vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung über einen Hilfsgleichrichter an eine Hilfsbatterie ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär­ wicklung (9 a) des Haupttransformators (9) mit einem An­ schluß (8) an einen kapazitiven Zwischenspeicher (6, 7) angeschlossen ist, der einem regelbaren Gleichspannungs­ steller (3) nachgeschaltet ist, welcher über einen Ein­ gangsgleichrichter (2) an der Wechselspannungsquelle liegt, mit ihrem anderen Anschluß an den Ausgang eines Wechselrichters (10) mit eingeprägter Ausgangswechsel­ spannung angeschlossen ist, daß die Primärwicklung (12 a) des Hilfstransformators (12) mit einem Anschluß (11) ebenfalls am Ausgang des Wechselrichters (10) liegt, mit ihrem anderen Anschluß (13) über einen Trennkondensator (14) an den gemeinsamen Verbindungspunkt (15) zweier Dioden (16, 17) angeschlossen ist, wobei zwischen den weiteren Anschlüssen der Dioden (16, 17) ein Kondensator (19) angeordnet ist, an dem eine einstellbare Gegen­ gleichspannung (U ₁₈) liegt, und daß die Gegengleichspan­ nung (U ₁₈) mit Hilfe eines aus einer Speicherdrossel (20), einer Freilaufdiode (21) und einem elektronischen Schalter (22) bestehnden Hochsetzstellers einstellbar ist.

2. Ladegerät für ein Elektrospeicher-Straßenfahr­ zeug, welches an einer Wechselspannungsquelle ange­ schlossen ist und über die Sekundärwicklung eines Haupt­ transformators und einen Hauptausgangsgleichrichter mit einer Hauptbatterie verbunden ist, wobei ein Hilfstrans­ formator vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung über einen Hilfsgleichrichter an eine Hilfsbatterie ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär­ wicklung (9 a) des Haupttransformators (9) mit einem An­ schluß (8) an einen kapazitiven Zwischenspeicher (6, 7) angeschlossen ist, der einem regelbaren Gleichspannungs­ steller (3) nachgeschaltet ist, welcher über einen Ein­ gangsgleichrichter (2) an der Wechselspannungsquelle liegt, mit ihrem anderen Anschluß an den Ausgang eines Wechselrichters (10) mit eingeprägter Ausgangswechsel­ spannung angeschlossen ist, daß die Primärwicklung (12 a) des Hilfstransformators (12) mit einem Anschluß (11) ebenfalls am Ausgang des Wechselrichters (10) liegt, mit ihrem anderen Anschluß (13) über einen Trennkondensator (14) an den gemeinsamen Verbindungspunkt (15) zweier Dioden (16, 17) angeschlossen ist, wobei zwischen den weiteren Anschlüssen der Dioden (16, 17) ein Kondensator (19) angeordnet ist, an dem eine einstellbare Gegen­ gleichspannung (U ₁₈) liegt, und daß die Gegengleichspan­ nung (U ₁₈) mit Hilfe eines aus einem Transistor (31) mit seriengeschaltetem Widerstand (32) bestehenden Last­ stellgliedes einstellbar ist.

3. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Hilfsbatte­ rie (29) aus der Hauptbatterie (26) der nicht mit dem Wechselrichter (10) verbundene Anschluß der Primärwick­ lung (12 a) über einen Schalter (30) mit dem Gleichspan­ nungssteller (3) verbindbar ist.