EP3201037A1 - Ladeschaltung für einen elektrischen energiespeicher, elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer ladeschaltung - Google Patents

Ladeschaltung für einen elektrischen energiespeicher, elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer ladeschaltung

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EP3201037A1
EP3201037A1 EP15749772.8A EP15749772A EP3201037A1 EP 3201037 A1 EP3201037 A1 EP 3201037A1 EP 15749772 A EP15749772 A EP 15749772A EP 3201037 A1 EP3201037 A1 EP 3201037A1
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EP
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charging
charging circuit
voltage
electrical energy
terminal
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Withdrawn
Application number
EP15749772.8A
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Inventor
Hans Geyer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a charging circuit for an electrical energy storage, a drive system with a charging circuit, as well as a
  • Fully or at least partially electrically powered vehicles such as hybrid and electric vehicles, are increasingly gaining
  • European Patent Application EP 0 768 774 A2 discloses an apparatus for charging batteries of electric vehicles.
  • the electric vehicle includes a control electronics with Rekuperations tenukeit.
  • a direct current is provided by a DC power source, which charges the battery via this control electronics.
  • AC power provided electrical energy.
  • Charging circuit for an electrical energy storage for charging the electrical energy storage from an AC voltage network.
  • the present invention provides a charging circuit for an electrical energy store with a DC voltage connection, which comprises a first connection element and a second connection element and which is connected to the electrical energy storage; and one
  • the charging circuit further comprises a first switching element which is connected between the first connection element and a first
  • the charging circuit comprises a charging switch which is designed to operate in a charging mode
  • the present invention provides a method for operating a charging circuit according to the invention with the steps of electrically coupling an electrical machine to the charging circuit in FIG a drive mode; and electrically disconnecting the electrical machine from the charging circuit in a charging mode.
  • the present invention is based on the finding that in order to control the high currents both when charging an electrical energy store, as well as when removing electrical energy from the electrical energy storage for high currents each very expensive and sometimes large-volume components are required.
  • the present invention is based on the idea, a
  • the present invention provides a symmetrical, bidirectional buck / boost converter topology that can be easily switched from one
  • the charging circuit according to the invention also combines a bidirectional inverter / rectifier with a step-up / step-down converter (DC-DC converter).
  • DC-DC converter step-up / step-down converter
  • the charging circuit according to the invention also allows a very flexible control, so that even without additional hardware complexity, other functions, such as a Power Factor Correction (PFC) function or the like can be implemented.
  • the charging switch is further configured to connect the AC voltage terminal to a voltage source in the charging mode.
  • the voltage source is one
  • V2G Vehicle-to-Grid
  • the first inductance can be coupled to a further inductance.
  • a further inductance By this coupling of the first inductor with a further inductance, an inductive energy transfer from the further inductance to the first inductance - or in the opposite direction - done.
  • an inductive charging concept can be realized in which the first inductance of the charging circuit is used as a secondary coil and the further inductance is used as a primary coil of a charging station.
  • an inductive energy transfer can be realized without the need for a separate secondary coil (receiving coil) is required.
  • the charging circuit further comprises a control circuit, which is designed to drive the first, second, third and fourth switching element with a predetermined switching frequency.
  • Control circuit can either permanently open or close the individual switching elements, or else drive the individual switching elements with a suitable clock rate to an input voltage on
  • Voltage source for example, in a power grid
  • an electrical load for example, an electric drive
  • additional functionalities can be realized by appropriate control of the switching elements by means of the control device. In this way, by suitable control of the switching elements by means of the control circuit, the functionality of the charging circuit can be flexibly adjusted.
  • the predetermined switching frequency with which the control circuit drives the switching elements is greater than 20 kHz.
  • Such high frequency switching frequencies enable operation of the charging circuit at frequencies beyond the audible frequency spectrum. In this way disturbing noise emissions can be avoided.
  • by means of high switching frequencies, in particular switching frequencies of more than 20 kHz smaller components, in particular smaller inductances and possibly smaller capacitances in the charging circuit can also be used.
  • by increasing the switching frequency it is also possible to achieve scaling of the further components, in particular of the inductances and capacitances. In this way, the volume and the weight of the charging circuit can be reduced.
  • the costs for the construction of the charging circuit can be reduced by smaller components.
  • the first, second, third and fourth switching elements comprise silicon carbide (SiC) switching elements or super junction MOSFETs.
  • SiC silicon carbide
  • Such switching elements are particularly suitable for high switching frequencies, in particular switching frequencies for more than 20 kHz, and have relatively low losses even at these high switching frequencies.
  • the present invention provides a
  • Charging device with a plurality of charging circuits according to the invention, an electrical energy storage, which is electrically coupled to the DC voltage terminals of the charging circuits; and a multi-phase
  • each phase of the AC voltage source is electrically coupled to an AC voltage terminal of the charging circuit.
  • all the DC voltage connections of the plurality of charging circuits are also electrically coupled to each other and thus connected in parallel. In this way, the charging concept of the charging circuit according to the invention for an energy supply from a multi-phase power supply network or other multi-phase power source can be adjusted.
  • the present invention provides a
  • Charging device with a plurality of charging circuits according to the invention; an electrical energy store electrically coupled to the DC terminals of the charging circuits; and a plurality of further inductors, each further inductor having a phase of
  • multiphase AC voltage is electrically coupled. Again, the input terminals of the individual charging circuits are electrically coupled together and thus connected in parallel. In this way, even for a multi-phase energy supply, for example, from a three-phase network, an inductive energy transfer can be realized in the no separate
  • the present invention provides an electric drive system with a charging circuit according to the invention, an electrical energy store, which is electrically coupled to the DC voltage terminal of the charging circuit; and an electric machine, the one
  • Phase terminal which is electrically coupled to the charging switch of the charging circuit.
  • the present invention provides a
  • Motor vehicle in particular an air, water or land vehicle, with an electric drive system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a charging circuit 1.
  • An electrical energy store 2 is arranged on a DC voltage connection 11 with the two connecting elements B1 and B2.
  • this electrical energy store 2 may be a battery,
  • a traction battery of an electric or hybrid vehicle in particular a traction battery of an electric or hybrid vehicle.
  • the charging circuit 1 comprises a
  • a first switching element Sl of the charging circuit 1 is arranged between the first connection element Bl and a first node Kl.
  • a second switching element S2 is between the first node Kl and the second
  • Connection element B2 of the DC voltage terminal 11 is arranged.
  • a third switching element S3 is arranged between a first connection element AI of the AC voltage terminal 12 and a second node K2.
  • a fourth switching element S4 is connected between the second node K2 and another connecting element A2 of the AC voltage terminal 12 is arranged. Between the first
  • a first inductance LI is arranged. Furthermore, the second connection element B2 of the
  • this electrical connection is between the second
  • the two connection elements AI and A2 of the AC voltage connection l2 are connected to a charging switch 20.
  • the charging switch 20 is also connected to an electric power source 3 and an electrical load, such as an electric motor 4.
  • the charging switch 20 comprises two switching elements, wherein each of the two switching elements of one of the two connection elements AI and A2 of the AC voltage terminal 12 can connect either to the voltage source 3 or the electric motor 4 electrically.
  • the two switching elements of the charging switch 20 are coupled together so that always either both terminals AI and A2 of the AC voltage terminal 12 are connected to the electrical voltage source 3 or the electric motor 4.
  • the four switching elements S1 to S4 of the charging circuit 1 are preferably semiconductor switching elements. It can each of the
  • the semiconductor switching elements of the switching elements S1 to S4 can be, for example, thyristors, bipolar transistors with an insulated gate (IGBT) or MOSFET.
  • IGBT insulated gate
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor
  • SiC silicon carbide switches
  • super junction MOSFETs are possible for high switching frequencies, which have only very low switching losses at switching frequencies of more than 20 kHz.
  • the switching elements Sl to S4 are controlled by a control device 10.
  • the control device 10 is designed to receive control signals and / or setpoint values for charging the electrical energy store 2 or for operating the electric machine 4. Based on this Control signals and / or set values, the control device 10 outputs switching signals to the switching elements Sl to S4 in order to open or close the corresponding switching elements Sl to S4.
  • the control signals or desired values can be transmitted via analog or digital signals to the control device 10
  • control signals or setpoint values can also be transmitted via a bus system and transmitted by the corresponding control signals or setpoint values.
  • Control device 10 are received. Furthermore, the control device 10 can also receive measured values via the voltage at the DC voltage connection 11 and / or at the AC voltage connection 12.
  • the charging circuit 1 operates as a combined rectifier and buck-boost converter.
  • the AC voltage terminal 12 of the charging circuit 1 is first connected via the charging switch 20 to the voltage source 3 and at the same time an electrical connection between
  • the height of the provided AC voltage may vary and be greater or smaller than the required DC voltage for charging the electrical energy storage device 2, which is to be provided at the DC voltage terminal 12.
  • the charging circuit 1 operates in an operating mode as a combined rectifier and boost converter.
  • the third switching element S3 is permanently closed and the fourth
  • the Switching element S4 permanently open.
  • the first switching element Sl operates as an active rectifier, and allows the current through only in one direction.
  • the second switching element S2 is clocked at a predetermined switching frequency.
  • T further denotes the period of the clock signal with which the second switching element S2 is driven and te in the turn-on within the period, the following relationship arises:
  • the charging circuit 1 operates as a combined rectifier and buck converter.
  • the first switching element Sl is permanently closed and the second switching element S2 permanently open.
  • the voltage ratios according to the following formula:
  • the charging circuit 1 also allows a reverse operation, in which the voltage from the electrical energy storage 2 is converted into a voltage that can be fed into an electrical power grid, or can serve to control an electric machine 4. In this case, in a further operating mode, the charging circuit 1 as
  • the DC voltage of the electrical energy source 2 is thereby raised and simultaneously converted into a voltage which is suitable for driving the electric machine 4 or for feeding into an electrical energy supply network.
  • the first switching element Sl is controlled by the control device 10 such that it is permanently closed. Furthermore, the second
  • Switching element S2 permanently open.
  • the third switching element S3 is driven as an active rectifier, so that the current flows in one direction only.
  • the fourth switching element S4 is finally given a predetermined
  • Switching frequency (f l / T) controlled. It is in accordance with the principle of Pulse width modulation selected a duty cycle, with which the voltage at the AC voltage terminal 12 can be adjusted. The following relationship applies here:
  • the charging circuit 1 operates as a combined buck converter and inverter. The am
  • DC voltage terminal 11 applied DC voltage of the electrical energy storage device 2 is thereby reduced and simultaneously converted into a voltage which is suitable for driving the electric machine 4, or to be fed into a power supply network.
  • In buck converter mode is the maximum value, ie the amplitude of the voltage at
  • the third switching element S3 is permanently closed and the fourth switching element S4 permanently open.
  • the second switching element S2 is driven as an active rectifier, and allows the current through only in one direction.
  • the ratio of voltage U2 at the AC voltage terminal 12 to the input voltage U1 at the DC voltage terminal 11 is as follows:
  • the voltage U2 can be reduced to 0 volts when te in goes to zero.
  • Controlling device 10 can be controlled, can be selected in a very wide frequency range.
  • Controlling device 10 can be controlled, can be selected in a very wide frequency range.
  • Inverters for example, switching frequencies in the range of up to 10 kHz possible.
  • relatively low switching frequencies require a relatively large inductance LI between the first node K1 and the second Node K2.
  • the required inductance LI can be correspondingly reduced. This leads to a reduction of the required installation space and weight of the charging circuit 1.
  • SiC switches are advantageous. Such SiC switches have relatively low switching losses even at switching frequencies above 20 kHz.
  • voltage converters with a super-junction MOSFET, which also have only low switching losses at high switching frequencies.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further embodiment for a charging circuit 1.
  • the charging circuit 1 of this embodiment largely corresponds to the charging circuit of Figure 1.
  • the first inductance LI is used simultaneously as a transmitting / receiving coil for an inductive charging system. That way is one
  • This capacitor Cl is arranged in parallel with the first inductance LI between the first node K1 and the second node K2.
  • the further inductance L2 is driven by a suitable charging circuit 30.
  • the charging circuit 30 converts the voltage provided by the voltage source 3 into a suitable, preferably high-frequency, AC voltage and excites the further inductance L2 with this high-frequency AC voltage.
  • the further inductance L2 then generates an electromagnetic alternating field which couples into the first inductance LI and thereby induces a voltage in the first inductance LI. To a coupling of the electromagnetic alternating field in the first
  • the first inductance LI must be modified for the inductive energy transfer between the further inductance L2 and the first inductance LI. While for operation in the drive mode in which electrical energy is converted between the DC voltage terminal 11 and the AC voltage terminal 12, the first inductance LI preferably has to have a closed yoke. But should that be
  • Inductance LI it is necessary to open this yoke, so that the magnetic flux of the further inductance L2 can couple into the first inductance.
  • the coupling factor between further inductance L2 and first inductance LI is maximized.
  • any mechanical constructions are possible.
  • the yoke can be adjusted according to the operating mode to be set.
  • automatic folding away or shifting of a part of the yoke is possible as soon as the first inductance LI is arranged above the further inductance L2.
  • any purely mechanical or motor-driven solutions are possible.
  • AC voltage terminal 12 is electrically connected, so that a rectifier circuit is formed by the four switching elements Sl to S4.
  • An additional increase in efficiency can also be achieved by active control of the switching elements Sl to S4 parallel to the freewheeling diodes (active
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a multiphase
  • the charging device comprises for each phase a separate charging circuit 1.
  • the DC voltage terminals 11 of the individual charging circuits 1 are coupled together and connected in parallel. These coupled DC voltage terminals 11 of the charging circuits 1 are connected to an energy storage device 2.
  • each charging circuit 1 is coupled to one phase of a multi-phase system.
  • the charging switch 20 in this embodiment comprises a suitable number of switching elements, so that all phases can be coupled to either the polyphase power source 3 or the phase terminals of the polyphase electric drive 4. In principle, it is also possible that the electric drive 4 has more phases than the electrical energy source 3.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a charging device for a multi-phase inductive charging.
  • the charging device comprises a separate charging circuit 1 for each phase.
  • the charging circuit in this embodiment comprises a separate charging circuit according to FIG. 2 for each phase of the voltage source 3.
  • all the charging circuits 1 can be controlled by a central charging circuit
  • Control device 10 are controlled.
  • control device 10 can be charged in particular as a function of the electrical power with which the electrical energy store 2 is to be charged
  • a single charging circuit 1 is described for each phase in both single-phase and multi-phase operation.
  • all available charging circuits 1 can be activated in parallel. If, on the other hand, the electrical energy store 2 is to be charged only with a lower power, or should only a smaller power be taken from the electric energy store 2, then it is several
  • Parallel connected charging circuits 1 also possible to control only a portion of these charging circuits 1, or possibly even a single charging circuit 1. In this way, the controlled charging circuits 1 can always be operated in an efficient working range and thereby the losses in the active charging circuits are minimized.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a flow diagram for a method for operating a charging circuit according to the invention. If the charging circuit 1 is to be operated in a drive mode, the charging circuit 1 is coupled to an electric machine 4 in step S1. For a
  • step S2 the electrical connection between the electrical machine 4 and the charging circuit 1 is disconnected.
  • the present invention relates to a charging circuit for an electrical energy storage.
  • a charging circuit for charging and discharging the electrical energy storage common components are used.
  • a charging circuit is proposed, the boosting and Includes buck converter functionality and combines these with rectifier or inverter functionality. In this way, a circuit arrangement is made possible, which allows flexible configuration with a small number of components.

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Abstract

Die vorliegende Erfindungschafft eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher und einer Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung. Für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Hierzu wird eine Ladeschaltung vorgeschlagen, die Hochsetz-und Tiefsetzstellerfunktionalitäten umfasst und diese mit Gleichrichter-bzw. Wechselrichterfunktionalitäten kombiniert. Auf diese Weise wird eine Schaltungsanordnung ermöglicht, die mit einer geringen Anzahl von Bauelementen einen flexiblen Schaltungsaufbau ermöglicht.

Description

Beschreibung Titel
Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher, elektrisches
Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher, ein Antriebssystem mit einer Ladeschaltung, sowie ein
Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung.
Stand der Technik
Vollständig oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel Hybrid- und Elektrofahrzeuge, gewinnen zunehmend an
Bedeutung. Gleichzeitig steigt auch der Wunsch nach höheren Reichweiten und Leistungen der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Ladetechnik für Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Typischerweise werden in heutigen Elektrofahrzeugen konduktive Ladekonzepte eingesetzt, die autarke und räumlich von der Antriebselektronik getrennte Einheiten darstellen. Darüber hinaus sind auch bereits kontaktlose, in der Regel induktive, Ladekonzepte bekannt. Diese Ladekonzepte werden typischerweise ebenfalls als Stand-Alone-Systeme realisiert.
Die Europäische Patentanmeldung EP 0 768 774 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen. Das Elektrofahrzeug umfasst dabei eine Regelelektronik mit Rekuperationsmöglichkeit. Zum Aufladen der Batterie wird von einer Gleichstromquelle ein Gleichstrom bereitgestellt, der über diese Regelelektronik die Batterie auflädt.
Aufgrund wachsender Batteriekapazitäten und dem Streben nach immer kürzeren Ladezeiten ist es wünschenswert, dass die übertragene Energiemenge pro Zeiteinheit im Ladebetrieb sich der im Fahrbetrieb entnommenen
Energiemenge aus der Traktionsbatterie annähert, oder diese sogar übersteigt. Dabei müssen die bei dem Ladevorgang beteiligten Bauteile für entsprechend große Ströme ausgelegt werden. Das Aufladen der elektrischen Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug erfolgt dabei in der Regel mittels der durch ein
Wechselspannungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie.
Es besteht daher ein Bedarf nach einer kostengünstigen und effizienten
Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers aus einem Wechselspannungsnetz.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu schafft die vorliegende Erfindung eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Gleichspannungsanschluss, der ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement umfasst und der mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist; und einem
Wechselspannungsanschluss, der ein drittes Anschlusselement und ein viertes Anschlusselement umfasst. Die Ladeschaltung umfasst ferner ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Anschlusselement und einem ersten
Knotenpunkt angeordnet ist; ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement angeordnet ist; ein drittes Schaltelement, das zwischen dem dritten Anschlusselement und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist; ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Anschlusselement angeordnet ist; und eine erste Induktivität, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Ferner umfasst die Ladeschaltung einen Ladeschalter, der dazu ausgelegt ist, in einem Lademodus den
Wechselspannungsanschluss von einer elektrischen Maschine elektrisch zu trennen und in einem Antriebsmodus den Wechselspannungsanschluss mit der elektrischen Maschine elektrisch zu koppeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung mit den Schritten des elektrischen Koppeins einer elektrischen Maschine mit der Ladeschaltung in einem Antriebsmodus; und des elektrischen Trennens der elektrischen Maschine von der Ladeschaltung in einem Lademodus.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Steuerung der hohen Ströme sowohl beim Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, als auch bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher für hohe Ströme jeweils sehr teure und zum Teil großvolumige Bauelemente erforderlich sind.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Idee zugrunde, eine
Schaltungsanordnung bereitzustellen, die sowohl für das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, als auch für das Steuern des Stroms bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher die gleichen
Bauelemente verwenden kann. Auf diese Weise kann eine synergetische Doppelnutzung von teuren Bauteilen erreicht werden, die sowohl im Ladebetrieb, als auch bei der Entnahme der elektrischen Energie genutzt werden können. Hierzu schafft die vorliegende Erfindung eine symmetrische, bidirektionale Hoch- /Tiefsetzsteller- Topologie, die durch einfaches Umschalten von einem
Lademodus in einen Antriebsmodus und zurück wechseln kann.
Die erfindungsgemäße Ladeschaltung kombiniert darüber hinaus einen bidirektionalen Wechselrichter/Gleichrichter mit einem Hoch-/Tiefsetzsteller (Gleichspannungswandler). Durch die Nutzung der Hoch-/Tiefsetzsteller-
Funktionalität wird eine hohe Flexibilität bei der Wahl von Eingangs- und
Ausgangsspannungen erreicht. Somit eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten bei der Wahl der Eingangsspannung im Lademodus, sowie bei der
Ausgangsspannung im Antriebsmodus.
Die erfindungsgemäße Ladeschaltung ermöglicht darüber hinaus eine sehr flexible Ansteuerung, so dass auch ohne zusätzlichen Hardwareaufwand weitere Funktionen, wie beispielsweise eine Power- Factor-Correction (PFC)-Funktion oder ähnliches implementiert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist der Ladeschalter ferner dazu ausgelegt, im Lademodus den Wechselspannungsanschluss mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle dabei eine
Wechselspannungsquelle. Auf diese Weise ist eine konduktive elektrische Kopplung zwischen der Spannungsquelle und der Ladeschaltung möglich, so dass die Ladeschaltung von dieser Spannungsquelle gespeist werden kann, um den elektrischen Energiespeicher aufzuladen. Darüber hinaus ist bei einer solchen elektrischen Kopplung auch eine Rückspeisung von der elektrischen Energiequelle über die Ladeschaltung zur Spannungsquelle möglich. Auf diese Weise kann insbesondere ein Energierückspeisungs- Konzept, zum Beispiel
Vehicle-to-Grid (V2G) realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Induktivität mit einer weiteren Induktivität koppelbar. Durch diese Kopplung der ersten Induktivität mit einer weiteren Induktivität kann eine induktive Energieübertragung von der weiteren Induktivität zur ersten Induktivität - oder auch in umgekehrter Richtung - erfolgen. Auf diese Weise kann ein induktives Ladekonzept realisiert werden, bei dem die erste Induktivität der Ladeschaltung als Sekundärspule eingesetzt wird und die weitere Induktivität als Primärspule einer Ladestation eingesetzt wird. Somit kann eine induktive Energieübertragung realisiert werden, ohne dass hierzu eine separate Sekundärspule (Empfangsspule) erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladeschaltung ferner eine Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, das erste, zweite, dritte und vierte Schaltelement mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz anzusteuern. Die
Steuerschaltung kann dabei die einzelnen Schaltelemente entweder permanent öffnen oder schließen, oder aber auch die einzelnen Schaltelemente mit einer geeigneten Taktrate ansteuern, um eine Eingangsspannung am
Wechselspannungsanschluss in eine Ladespannung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers zu konvertieren. Gleichzeitig kann durch dieselbe
Ladeschaltung auch eine inverse Spannungswandlung erfolgen, bei der die elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher zurück zur
Spannungsquelle, beispielsweise in ein Energieversorgungsnetz, eingespeist werden kann. Darüber hinaus ist durch entsprechende Ansteuerung mittels der Steuervorrichtung auch das Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise eines elektrischen Antriebs, durch die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Energie möglich. Weiterhin können durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente mittels der Steuervorrichtung zusätzliche Funktionalitäten realisiert werden. Auf diese Weise kann durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente mittels der Steuerschaltung die Funktionalität der Ladeschaltung flexibel angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die vorbestimmte Schaltfrequenz, mit der die Steuerschaltung die Schaltelemente ansteuert, größer als 20 kHz. Solche hochfrequenten Schaltfrequenzen ermöglichen einen Betrieb der Ladeschaltung bei Frequenzen jenseits des hörbaren Frequenzspektrums. Auf diese Weise können störende Schallemissionen vermieden werden. Darüber hinaus können durch hohe Schaltfrequenzen, insbesondere Schaltfrequenzen von mehr als 20 kHz auch kleinere Bauelemente, insbesondere kleinere Induktivitäten und gegebenenfalls kleinere Kapazitäten in der Ladeschaltung eingesetzt werden. Somit kann durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz auch eine Skalierung der weiteren Bauelemente, insbesondere der Induktivitäten und Kapazitäten, erreicht werden. Auf diese Weise kann das Volumen und das Gewicht der Ladeschaltung verkleinert werden. Darüber hinaus können durch kleinere Bauelemente auch die Kosten für den Aufbau der Ladeschaltung reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente Siliziumcarbit (SiC)-Schaltelemente oder Super- Junction-MOSFET. Derartige Schaltelemente sind für hohe Schaltfrequenzen, insbesondere Schaltfrequenzen für mehr als 20 kHz, besonders geeignet und weisen auch bei diesen hohen Schaltfrequenzen relativ geringe Verluste auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine
Ladevorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Ladeschaltungen, einem elektrischen Energiespeicher, der mit den Gleichspannungsanschlüssen der Ladeschaltungen elektrisch gekoppelt ist; und einer mehrphasigen
Wechselspannungsquelle, wobei jede Phase der Wechselspannungsquelle mit einem Wechselspannungsanschluss der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist. Dabei sind insbesondere auch alle Gleichspannungsanschlüsse der Mehrzahl der Ladeschaltungen elektrisch miteinander gekoppelt und somit parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann das Ladekonzept der erfindungsgemäßen Ladeschaltung für eine Energieeinspeisung aus einem mehrphasigen Energieversorgungsnetz oder einer anderen mehrphasigen Energiequelle angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine
Ladevorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Ladeschaltungen; einem elektrischen Energiespeicher, der mit den Gleichspannungsanschlüssen der Ladeschaltungen elektrisch gekoppelt ist; und einer Mehrzahl von weiteren Induktivitäten, wobei jede weitere Induktivität mit einer Phase einer
mehrphasigen Wechselspannung elektrisch gekoppelt ist. Auch hierbei sind die Eingangsanschlüsse der einzelnen Ladeschaltungen elektrisch miteinander gekoppelt und somit parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann auch für eine mehrphasige Energieeinspeisung, beispielsweise aus einem Drehstromnetz, eine induktive Energieübertragung realisiert werden, bei der keine separaten
Sekundärspulen (Empfangsspulen) erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung, einem elektrischen Energiespeicher, der mit dem Gleichspannungsanschluss der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine, die einen
Phasenanschluss umfasst, der mit dem Ladeschalter der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein
Kraftfahrzeug, insbesondere ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Dabei zeigen: eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung zum konduktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung zum induktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Ladevorrichtung zum konduktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Ladevorrichtung zum induktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; und eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 1. An einem Gleichspannungsanschluss 11 mit den beiden Anschlusselementen Bl und B2 ist ein elektrischer Energiespeicher 2 angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei diesem elektrischen Energiespeicher 2 um eine Batterie handeln,
insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
Darüber hinaus sind auch weitere beliebige elektrische
Energiespeichervorrichtungen an dem Gleichspannungsanschluss 11 der
Ladeschaltung 1 möglich. Ferner umfasst die Ladeschaltung 1 einen
Wechselspannungsanschluss 12 mit den beiden Anschlusselementen AI und A2. Ein erstes Schaltelement Sl der Ladeschaltung 1 ist zwischen dem ersten Anschlusselement Bl und einem ersten Knotenpunkt Kl angeordnet. Ein zweites Schaltelement S2 ist zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten
Anschlusselement B2 des Gleichspannungsanschlusses 11 angeordnet. Ein drittes Schaltelement S3 ist zwischen einem ersten Anschlusselement AI des Wechselspannungsanschlusses 12 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Ein viertes Schaltelement S4 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und einem weiteren Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 angeordnet. Zwischen dem ersten
Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2 ist eine erste Induktivität LI angeordnet. Weiterhin ist der zweite Anschlusselement B2 des
Gleichspannungsanschlusses 11 und der weitere Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 elektrisch miteinander verbunden.
Vorzugsweise ist diese elektrische Verbindung zwischen zweitem
Anschlusselement B2 des Gleichspannungsanschlusses 11 und weiterem Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 mit einem Bezugspotential verbunden. Die beiden Anschlusselemente AI und A2 des Wechselspannungsanschlussesl2 sind mit einem Ladeschalter 20 verbunden.
Der Ladeschalter 20 ist darüber hinaus mit einer elektrischen Energiequelle 3 und einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einem elektrischen Motor 4 verbunden. Dabei umfasst der Ladeschalter 20 zwei Schaltelemente, wobei jedes der beiden Schaltelemente eines der beiden Anschlusselemente AI und A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 entweder mit der Spannungsquelle 3 oder dem elektrischen Motor 4 elektrisch verbinden kann. Dabei sind die beiden Schaltelemente des Ladeschalters 20 miteinander gekoppelt, so dass stets entweder beide Anschlüsse AI und A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 mit der elektrischen Spannungsquelle 3 oder dem elektrischen Motor 4 verbunden sind.
Bei den vier Schaltelementen Sl bis S4 der Ladeschaltung 1 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschaltelemente. Dabei kann jedem der
Halbleiterschaltelemente jeweils eine Diode parallelgeschaltet werden. Bei den Halbleiterschaltelementen der Schaltelemente Sl bis S4 kann es sich beispielsweise um Tyristoren, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder MOSFET handeln. Für hohe Schaltfrequenzen sind dabei insbesondere Siliziumcarbit-Schalter (SiC) oder Super-Junction-MOSFET möglich, die bei Schaltfrequenzen von mehr als 20 kHz nur sehr geringe Schaltverluste aufweisen.
Die Schaltelemente Sl bis S4 werden dabei durch eine Steuervorrichtung 10 angesteuert. Die Steuervorrichtung 10 ist dabei dazu ausgelegt, Steuersignale und/oder Sollwerte zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 oder zum Betrieb der elektrischen Maschine 4 zu empfangen. Basierend auf diesen Steuersignalen und/oder Sollwerten gibt die Steuervorrichtung 10 Schaltsignale an die Schaltelemente Sl bis S4 aus, um die entsprechenden Schaltelemente Sl bis S4 zu öffnen bzw. zu schließen. Die Steuersignale bzw. Sollwerte können dabei über analoge oder digitale Signale an der Steuervorrichtung 10
bereitgestellt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Steuersignale oder Sollwerte auch über ein Bussystem übertragen und von der
Steuervorrichtung 10 empfangen werden. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 10 auch Messwerte über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Wechselspannungsanschluss 12 empfangen.
Je nach Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 in der Ladeschaltung 10 können somit verschiedene Betriebsmodi realisiert werden. In einem Lademodus arbeitet dabei die Ladeschaltung 1 als kombinierter Gleichrichter und Hoch- /Tiefsetzsteller. Hierzu wird zunächst der Wechselspannungsanschluss 12 der Ladeschaltung 1 über den Ladeschalter 20 mit der Spannungsquelle 3 verbunden und dabei gleichzeitig eine elektrische Verbindung zwischen
Wechselspannungsanschluss 12 und elektrischer Maschine 4 getrennt. In diesem Lademodus wird von der Spannungsquelle 3 am
Wechselspannungsanschluss 12 der Ladeschaltung 1 eine elektrische
Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung, bereitgestellt. Die Höhe der bereitgestellten Wechselspannung kann dabei variieren und größer oder kleiner sein als die erforderliche Gleichspannung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2, die am Gleichspannungsanschluss 12 bereitgestellt werden soll.
Ist die Amplitude bzw. der Maximalwert der Spannung am
Wechselspannungsanschluss 12 kleiner als die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 erforderliche Gleichspannung, so arbeitet die Ladeschaltung 1 in einem Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Hochsetzsteller. Dabei ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte
Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das erste Schaltelement Sl arbeitet als aktiver Gleichrichter, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Das zweite Schaltelement S2 wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet.
Bezeichnet U2 den Maximalwert der Wechselspannung am
Wechselspannungsanschluss 12 und Ul den Wert der Gleichspannung, die an dem elektrischen Energiespeicher 2 bereitgestellt werden soll, und bezeichnet T weiterhin die Periodendauer des Taktsignals, mit dem das zweite Schaltelement S2 angesteuert wird und tein die Einschaltzeit innerhalb der Periodendauer, so ergibt sich folgender Zusammenhang:
Ist der Maximalwert bzw. die Amplitude der von der Spannungsquelle 3 bereitgestellten Spannung U2 am Wechselspannungsanschluss größer als die Spannung Ul, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, so arbeitet die Ladeschaltung 1 als kombinierter Gleichrichter und Tiefsetzsteller. Hierzu ist das erste Schaltelement Sl dauerhaft geschlossen und das zweite Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das vierte Schaltelement S4 arbeitet als aktiver Gleichrichter, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch, während das dritte Schaltelement S3 mit der vorgegebenen Schaltfrequenz (f=l/T) getaktet wird. Hierbei stellen sich die Spannungsverhältnisse gemäß der folgenden Formel ein:
Darüber hinaus ermöglicht die Ladeschaltung 1 auch einen umgekehrten Betrieb, bei der die Spannung aus dem elektrischen Energiespeicher 2 in eine Spannung konvertiert wird, die in ein elektrisches Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann, oder zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 4 dienen kann. Dabei kann in einem weiteren Betriebsmodus die Ladeschaltung 1 als
kombinierter Hochsetzsteller-Wechselrichter arbeiten. Die Gleichspannung der elektrischen Energiequelle 2 wird dabei angehoben und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 4 oder zum Einspeisen in ein elektrisches Energieversorgungsnetz geeignet ist. Hierzu wird das erste Schaltelement Sl durch die Steuervorrichtung 10 derart angesteuert, dass es dauerhaft geschlossen ist. Ferner wird das zweite
Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das dritte Schaltelement S3 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, so dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Das vierte Schaltelement S4 wird schließlich mit einer vorgegebenen
Schaltfrequenz (f=l/T) angesteuert. Dabei wird gemäß dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation ein Tastverhältnis gewählt, mit dem die Spannung am Wechselspannungsanschluss 12 eingestellt werden kann. Hierbei gilt folgende Beziehung:
In einem alternativen Betriebsmodus arbeitet die Ladeschaltung 1 als kombinierter Tiefsetzsteller und Wechselrichter. Die am
Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung des elektrischen Energiespeichers 2 wird dabei verringert und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 4 anzusteuern, oder in ein Energieversorgungsnetz eingespeist zu werden. Im Tiefsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am
Wechselspannungsanschluss 12 kleiner als die Gleichspannung, die am
Gleichspannungsanschluss 11 anliegt. Das dritte Schaltelement S3 ist dabei dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Das erste Schaltelement Sl wird schließlich mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz (f=l/T) derart angesteuert, dass sich am Wechselspannungsanschluss 12 die gewünschte Ausgangsspannung einstellt.
Dabei ist das Verhältnis von Spannung U2 am Wechselspannungsanschluss 12 zur Eingangsspannung Ul am Gleichspannungsanschluss 11 wie folgt:
Es ist dabei aus diesen Formeln einfach zu erkennen, dass im
Tiefsetzstellermodus die Spannung U2 bis auf 0 Volt herabgesetzt werden kann, wenn tein gegen Null geht. Die Schaltfrequenz, mit der die Schaltelemente Sl bis S4 durch die
Steuervorrichtung 10 dabei angesteuert werden, kann in einem sehr breiten Frequenzbereich gewählt werden. Dabei sind, wie bei konventionellen
Wechselrichtern, beispielsweise Schaltfrequenzen im Bereich von bis zu 10 kHz möglich. Relativ niedrige Schaltfrequenzen erfordern jedoch eine relativ große Induktivität LI zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2. Durch Erhöhung der Schaltfrequenz auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz und mehr kann die erforderliche Induktivität LI entsprechend verkleinert werden. Dies führt zu einer Reduktion des erforderlichen Bauraums und Gewichts der Ladeschaltung 1. Darüber hinaus führt die Verwendung von Schaltfrequenzen oberhalb des für einen Menschen hörbaren
Frequenzspektrums auch zu geringeren akustischen Beeinträchtigungen. Für die Verwendung derart hoher Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr sind insbesondere moderne Siliziumcarbit (SiC)-Schalter vorteilhaft. Derartige SiC- Schalter weisen auch bei Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz relativ geringe Schaltverluste auf. Alternativ können darüber hinaus auch Spannungskonverter mit Super-Junction-MOSFET eingesetzt werden, die ebenfalls bei hohen Schaltfrequenzen nur geringe Schaltverluste aufweisen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform für eine Ladeschaltung 1. Die Ladeschaltung 1 dieser Ausführungsform entspricht weitestgehend der Ladeschaltung aus Figur 1. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform die erste Induktivität LI gleichzeitig als Sende-/Empfangsspule für ein induktives Ladesystem eingesetzt. Auf diese Weise ist eine
transformatorische Energieübertragung zwischen der ersten Induktivität LI und einer weiteren Induktivität L2 möglich. Da typischerweise induktive Systeme als resonante Schwingkreise realisiert werden, muss in der Ladeschaltung 1 ein Kondensator Cl für eine kapazitive Kompensation und
Resonanzfrequenzbestimmung zugeschaltet werden. Dieser Kondensator Cl ist parallel zu der ersten Induktivität LI zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet.
Die weitere Induktivität L2 wird dabei von einer geeigneten Ladeschaltung 30 angesteuert. Zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 wird dabei die Ladeschaltung 30 von einer Spannungsquelle 3 gespeist. Die Ladeschaltung 30 konvertiert die von der Spannungsquelle 3 bereitgestellte Spannung in eine geeignete, vorzugsweise hochfrequente, Wechselspannung und regt mit dieser hochfrequenten Wechselspannung die weitere Induktivität L2 an. Die weitere Induktivität L2 erzeugt daraufhin ein elektromagnetisches Wechselfeld, das in die erste Induktivität LI einkoppelt und dabei in der ersten Induktivität LI eine Spannung induziert. Um ein Einkoppeln des elektromagnetischen Wechselfeldes in die erste
Induktivität LI zu ermöglichen, muss dabei für die induktive Energieübertragung zwischen der weiteren Induktivität L2 und der ersten Induktivität LI die erste Induktivität LI modifiziert werden. Während für einen Betrieb im Antriebsmodus, bei dem elektrische Energie zwischen dem Gleichspannungsanschluss 11 und dem Wechselspannungsanschluss 12 konvertiert wird, muss die erste Induktivität LI vorzugsweise ein geschlossenes Joch aufweisen. Soll jedoch das
elektromagnetische Wechselfeld der weiteren Induktivität 2 in die erste
Induktivität LI einkoppeln, so ist es erforderlich, dieses Joch zu öffnen, damit der magnetische Fluss der weiteren Induktivität L2 in die erste Induktivität einkoppeln kann. Somit wird der Koppelfaktor zwischen weiterer Induktivität L2 und erster Induktivität LI maximiert. Hierzu sind beliebige mechanische Konstruktionen möglich. Beispielsweise kann durch einen elektrischen Antrieb das Joch entsprechend dem einzustellenden Betriebsmodus angepasst werden. Alternativ ist auch ein automatisches Wegklappen oder Verschieben eines Teils des Jochs möglich, sobald die erste Induktivität LI über der weiteren Induktivität L2 angeordnet wird. Hierzu sind beliebige rein mechanische oder motorisch gesteuerte Lösungen möglich.
Auch in dieser Konfiguration muss in dem Lademodus durch den Ladeschalter 20 die elektrische Verbindung zwischen Wechselspannungsanschluss 12 und elektrischem Motor 4 getrennt werden. Darüber hinaus wird durch ein
zusätzliches Schaltelement 21 das erste Anschlusselement Bl des
Gleichspannungsanschlusses 11 mit dem ersten Anschlusselement AI des
Wechselspannungsanschlusses 12 elektrisch verbunden, so dass durch die vier Schaltelemente Sl bis S4 eine Gleichrichterschaltung entsteht. Eine zusätzliche Wirkungsgradsteigerung kann darüber hinaus durch aktive Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 parallel zu den Freilaufdioden erfolgen (aktive
Gleichrichtung).
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrphasigen
Ladevorrichtung. Dabei ist das erfindungsgemäße Konzept auf eine beliebige Anzahl von Phasen anwendbar und nicht auf die hier dargestellte Struktur mit drei Phasen beschränkt. Die Ladevorrichtung gemäß Figur 3 umfasst dabei für jede Phase eine separate Ladeschaltung 1. Die Gleichspannungsanschlüsse 11 der einzelnen Ladeschaltungen 1 sind dabei miteinander gekoppelt und parallelgeschaltet. Diese miteinander gekoppelten Gleichspannungsanschlüsse 11 der Ladeschaltungen 1 sind mit einem Energiespeicher 2 verbunden. Auf der Wechselspannungsseite ist jede Ladeschaltung 1 mit einer Phase eines mehrphasigen Systems gekoppelt. Der Ladeschalter 20 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine geeignete Anzahl von Schaltelementen, so dass sämtliche Phasen entweder mit der mehrphasigen Energiequelle 3 oder den Phasenanschlüssen des mehrphasigen elektrischen Antriebs 4 gekoppelt werden können. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass der elektrische Antrieb 4 mehr Phasen aufweist, als die elektrische Energiequelle 3. In diesem Fall sind gegebenenfalls nicht alle Ladeschaltungen 1 mit einer Phase der elektrischen Spannungsquelle 3 gekoppelt. Für eine zentrale und synchrone Ansteuerung aller Ladeschaltungen 1 können dabei alle Ladeschaltungen 1 und insbesondere sämtliche Schaltelemente Sl bis S4 aller Ladeschaltungen 1 von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 10 angesteuert werden. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung für ein induktives Laden mit mehreren Phasen. Die Ladevorrichtung umfasst in dieser Ausführungsform für jede Phase eine separate Ladeschaltung 1. Insbesondere umfasst die Ladeschaltung in dieser Ausführungsform für jede Phase der Spannungsquelle 3 eine separate Ladeschaltung gemäß Figur 2. Auch in dieser Ausführungsform können alle Ladeschaltungen 1 von einer zentralen
Steuervorrichtung 10 angesteuert werden.
Bei einer mehrphasigen Ladeschaltung gemäß den Figuren 3 oder 4 kann die Steuervorrichtung 10 dabei insbesondere in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, die
Anzahl der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 anpassen. Dabei kann beispielsweise abhängig von der zur Verfügung stehenden Ladezeit und/oder dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 2 die Anzahl der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 variiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, durch Reduktion der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 auch bei geringer elektrischer Ladeleistung die aktiven Ladeschaltungen in einem effizienten Arbeitsbereich zu betreiben.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dabei sowohl im einphasigen als auch im mehrphasigen Betrieb jeweils für jede Phase eine einzelne Ladeschaltung 1 beschrieben. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere Ladeschaltungen 1 parallel zu schalten und hierdurch das
Leistungsspektrum zu erweitern. Sind in einer Phase mehrere Ladeschaltungen 1 parallelgeschaltet, so kann auch dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Ladeleistung die Anzahl der angesteuerten Ladeschaltungen variiert werden.
Beispielsweise können bei einer hohen gewünschten Ladeleistung sämtliche zur Verfügung stehende Ladeschaltungen 1 parallel angesteuert werden. Soll dagegen der elektrische Energiespeicher 2 nur mit einer geringeren Leistung aufgeladen werden, oder soll von dem elektrischen Energiespeicher 2 nur eine geringere Leistung entnommen werden, so ist es bei mehreren
parallelgeschalteten Ladeschaltungen 1 auch möglich, nur einen Teil dieser Ladeschaltungen 1, oder gegebenenfalls auch nur eine einzelne Ladeschaltung 1 anzusteuern. Auf diese Weise können die angesteuerten Ladeschaltungen 1 stets in einem effizienten Arbeitsbereich betrieben werden und hierdurch die Verluste in den aktiven Ladeschaltungen minimiert werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung. Soll die Ladeschaltung 1 in einem Antriebsmodus betrieben werden, so wird in Schritt Sl die Ladeschaltung 1 mit einer elektrischen Maschine 4 gekoppelt. Für ein
Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2, oder das Einspeisen von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 2 in ein
Energieversorgungsnetz wird die Ladeschaltung 1 dagegen in einem Lademodus betrieben. Hierzu wird in Schritt S2 die elektrische Verbindung zwischen elektrischer Maschine 4 und der Ladeschaltung 1 getrennt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher. Für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Hierzu wird eine Ladeschaltung vorgeschlagen, die Hochsetz- und Tiefsetzstellerfunktionalitäten umfasst und diese mit Gleichrichter- bzw. Wechselrichterfunktionalitäten kombiniert. Auf diese Weise wird eine Schaltungsanordnung ermöglicht, die mit einer geringen Anzahl von Bauelementen einen flexiblen Schaltungsaufbau ermöglicht.

Claims

Ansprüche
1. Ladeschaltung (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2), mit: einem Gleichspannungsanschluss (11), der ein erstes Anschlusselement (Bl) und ein zweites Anschlusselement (B2) umfasst und der mit einem elektrischen Energiespeicher (2) verbunden ist; einem Wechselspannungsanschluss (12), der ein drittes Anschlusselement (AI) und ein viertes Anschlusselement (A2) umfasst; einem ersten Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten
Anschlusselement (Bl) und einem ersten Knotenpunkt (Kl) angeordnet ist; einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Anschlusselement (B2) angeordnet ist; einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem dritten
Anschlusselement (AI) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; einem vierten Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem viertem Anschlusselement (A2) angeordnet ist; einer ersten Induktivität (LI), die zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; und einem Ladeschalter (20), der dazu ausgelegt ist, in einem Lademodus den Wechselspannungsanschluss (12) von einer elektrischen Maschine (4) elektrisch zu trennen und in einem Antriebsmodus den Wechselspannungsanschluss (12) mit der elektrischen Maschine (4) elektrisch zu koppeln.
2. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei der Ladeschalter (20) ferner dazu ausgelegt ist, im Lademodus den Wechselspannungsanschluss (12) mit einer Wechselspannungsquelle (3) zu verbinden.
3. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Induktivität (LI) mit einer weiteren Induktivität (L2) koppelbar ist.
4. Ladeschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer
Steuerschaltung (10), die dazu ausgelegt ist, das erste, zweite, dritte und vierte Schaltelement (Sl, S2, S3, S4) mit einer vorbestimmten
Schaltfrequenz anzusteuern.
5. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte
Schaltfrequenz größer als 20 kHz ist.
6. Ladevorrichtung, mit: einer Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit den
Gleichspannungsanschlüssen (11) der Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) elektrisch gekoppelt ist; einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle (3), wobei jede Phase der Wechselspannungsquelle (3) mit einem Wechselspanungsanschluss (12) einer Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist.
7. Ladevorrichtung, mit: einer Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit den
Gleichspannungsanschlüssen (11) der Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) elektrisch gekoppelt ist; einer Mehrzahl von weiteren Induktivitäten (L2), wobei jede weitere
Induktivität (L2) mit einer Phase einer mehrphasigen
Wechselspannungsquelle (3) elektrisch gekoppelt ist.
8. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer Ladeschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit dem
Gleichspannungsanschluss (11) der Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine (4), die einen Phasenanschluss umfasst, der mit dem Ladeschalter (20) der Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist.
9. Kraftfahrzeug, insbesondere Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 8.
10. Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, mit den Schritten: elektrisches Koppeln (Sl) einer elektrischen Maschine (4) mit der
Ladeschaltung (1) in einem Antriebsmodus; elektrisches Trennen (S2) der elektrischen Maschine (4) von der
Ladeschaltung (1) in einem Lademodus.
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