EP4196362A1 - Geschaltete y-kondensatoren - Google Patents

Geschaltete y-kondensatoren

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Publication number
EP4196362A1
EP4196362A1 EP21766108.1A EP21766108A EP4196362A1 EP 4196362 A1 EP4196362 A1 EP 4196362A1 EP 21766108 A EP21766108 A EP 21766108A EP 4196362 A1 EP4196362 A1 EP 4196362A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
phase
neutral conductor
charging device
cyi
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21766108.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jonas LOSKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innolectric AG
Original Assignee
Innolectric AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innolectric AG filed Critical Innolectric AG
Publication of EP4196362A1 publication Critical patent/EP4196362A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/14—Conductive energy transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from AC mains by converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to on-board charging electronics according to the features in the preamble of FIG.
  • This traction battery is charged when the electric vehicle is idle by connecting it to an external voltage source.
  • an external voltage source Depending on the local conditions and also depending on the country in which the electric vehicle is to be charged, different connection options and supply voltages are available for carrying out the charging process.
  • the supply voltage is 100V - 500V with a frequency of 50 - 60 Hz.
  • power electronics are used, which transform the different supply voltages to a charging voltage, so that the traction battery in the electric vehicle can be charged.
  • an on-board charger Such on-board charging electronics can generally be connected to single-phase networks (typically PL-i and N conductors) or three-phase networks (PL-i — PL 2 - PL 3 conductors, with/without N conductor) operate.
  • the OBC essentially transforms the 50 Hz sinusoidal AC voltage (supply voltage) into a DC voltage.
  • the OBC can also create potential-free conditions between the vehicle and the supply network with the help of an integrated transformer.
  • AFE active front ends
  • PFC power factor correction
  • a PFC choke is formed from an inductance, and therefore a wound coil. Such a coil also has a winding core.
  • electronic switches with inductive filters are used.
  • EM I filters are used so that these interference voltages or interference currents do not reach the supply network.
  • EMI filters reduce interference between each phase and the neutral conductor (differential filter).
  • the interference between one or all phases and the neutral conductor compared to the protective conductor (common-mode filter).
  • an earth leakage circuit breaker In order to protect a person using the device against an electric shock, an earth leakage circuit breaker must be used at the mains connection. This is usually located in a fuse box in a house connection.
  • the residual current circuit breaker monitors the total current of the mains conductors with a current sensor. If the total current exceeds a reference value (e.g. 30 mA in a German network with supply voltage), the residual current circuit breaker switches off automatically for safety reasons, since the leakage current of a consumer is then too high.
  • a reference value e.g. 30 mA in a German network with supply voltage
  • the object of the present invention is to provide a charging arrangement which offers improved protection for the user or the supply network, but at the same time has improved charging performance and a small installation space requirement.
  • the aforementioned object is achieved according to the invention with a charging arrangement with an on-board charging device for an electric vehicle with the features in claim 1 .
  • the onboard charger charging assembly is suitable for an electric vehicle as well as a hybrid vehicle.
  • An on-board traction battery of the electric vehicle is charged with an external supply voltage.
  • the electric motor vehicle has an on-board charging device, also called an on-board charger (OBC).
  • OBC on-board charger
  • the on-board charging device has at least one electrical input connection.
  • the electrical input connection is provided for a neutral conductor, a protective conductor and at least 1 phase, in particular 3 phases.
  • the on-board charging device has at least one electrical output connection, which leads to a traction battery.
  • Power electronics are arranged in a housing of the on-board charging device.
  • the power electronics have at least one voltage converter.
  • the common-mode filter is formed by at least one Y-capacitor that can be switched between neutral conductor and phase.
  • the Y capacitor is also connected to the protective conductor.
  • the Y capacitor is connected to the neutral conductor and the protective conductor.
  • at least one changeover switch is upstream of the Y-capacitor, so that a changeover is made between the neutral conductor and at least one phase, in particular the first phase can be.
  • this makes it possible for the Y capacitor to be preferably initially deactivated when the charging device is in an idle state.
  • a switch is then coupled to the phase.
  • a second switch is coupled to the neutral conductor.
  • the switches are each coupled to the Y capacitor. In a rest position, both switches are in the open position, i. H. no electrical feedthrough is connected. After detection of the polarity of the phase or neutral conductor, one of the switches is then closed in such a way that the effective or real or real neutral conductor is electrically connected to the Y-capacitor.
  • the Y capacitor After detecting the polarity of the neutral conductor and the at least one phase, the Y capacitor can then be connected to the neutral conductor and the actual charging process can then begin. The Y-capacitor is then connected to the neutral conductor and the protective conductor.
  • this ensures that the Y-capacitor is not connected to the at least one phase of the supply network, so that an FI circuit breaker would inadvertently trip.
  • the present invention is particularly suitable for a charging arrangement described below.
  • the electrical connection of the phase and neutral conductors can first be determined.
  • the detection of the electrical connection means determining on which physically present line the in-house neutral conductor and the in-house phase lie. For the purposes of this invention, it can also be referred to below as determining the polarity of phase and neutral.
  • the Y-capacitor is then connected to the neutral conductor. Once again, the actual loading process begins.
  • the on-board charging device can also be constructed with smaller dimensions, since in particular the functionality of the common-mode filter can be improved in relation to the common-mode filter with a smaller installation space.
  • a changeover switch is used in particular as the switch for the Y capacitor.
  • This switch could switch between neutral and phase respectively.
  • Two switches are particularly preferably used, both of which are initially open in the idle mode. After determining the electrical connection of neutral conductor and phase, the switch is closed, which connects the Y-capacitor to the electrical line, which forms the neutral conductor coming from the in-house supply voltage.
  • a so-called three-way switch can preferably be used.
  • This three-way switch would first electrically isolate the Y-capacitor from both the neutral conductor and the at least one phase (1st switching state). After determining the polarity of the neutral conductor and phase, either a first electrical flow is switched to (2nd switching state) or a second electrical flow is switched to (3rd switching state). The second. Circuit state and the 3rd circuit state are each there to interchange the local lines for the first phase and the neutral conductor within the on-board charging device.
  • Relays or semiconductors can be used as switches.
  • the differential filter is designed in particular as an X-capacitor.
  • the X-capacitor is particularly preferably connected between neutral and phase.
  • a further preferred development of the invention provides that at least one common-mode choke is arranged in the phase and at least one common-mode choke is arranged in the neutral conductor.
  • the arrangement relates in particular to the through-connection of the respective conductor or an intermediate circuit present there.
  • common mode chokes can be used, so that a higher filter effect/attenuation of the high-frequency signals is generated.
  • a two-stage common-mode filter is particularly preferably formed by two common-mode chokes.
  • three or four-stage common-mode filters, ie with three or four common-mode chokes, can also be used.
  • the one common-mode choke is connected in series with the two Y-capacitors.
  • a further advantageous embodiment of the present invention provides that the Y-capacitor can be connected to the neutral conductor to any phase, in the case of several phases or to the protective conductor.
  • the Y-capacitor can be switched to all conductors in the on-board charging device.
  • the other terminal of the Y-capacitor is permanently connected to the protective conductor.
  • the present invention also relates to a method for charging an electric vehicle. For this purpose, an electric vehicle is connected to a house connection with a charging cable using a safety plug. The polarity of the neutral conductor and the first phase is determined. The Y-capacitor is then switched to the neutral conductor of the house connection. Again, the own loading process begins afterwards.
  • Figure 1 is a block diagram of an on-board charger in one
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement of a charging device according to the prior art with X capacitors and Y capacitors;
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement of a circuit according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b show a charging arrangement with a safety plug
  • FIG. 5 shows a charging device according to the invention with switchable Y
  • FIG. 1 shows the arrangement of an on-board charging device 1 according to the invention in an electric motor vehicle 2 .
  • the external charging socket 4 provides a supply voltage 6 ready.
  • the on-board socket 3 is electrically connected to the on-board charging device 1 .
  • the on-board charging device 1 has a housing G with at least one electrical input connection 7 .
  • the on-board charging device 1 has an electrical output connection 8 which is coupled to a traction battery 9 of the electric motor vehicle 2 .
  • Further electrical input connections 10 can be present, for example an input connection of the vehicle battery, in particular with regard to a communication connected thereto.
  • a communication network of the electric motor vehicle 2 for example a CAN bus, can also be connected.
  • a mains filter 11 is then arranged in particular in the on-board charging device 1, for example in the form of an EMI filter. This is then followed by a PFC choke 12, in turn followed by a transformer 13 for converting the supply voltage 6 into a charging voltage and an optional rectifier 14, which is then electrically coupled to the actual traction battery 9.
  • a residual current circuit breaker can either be arranged in-house between the supply voltage 6 and the charging socket 4 .
  • a residual current circuit breaker can also be arranged in a charging cable 5 . This is then between the charging socket 4 and the vehicle socket 3, ie in the charging cable 5, arranged.
  • FIG. 2 shows a schematic arrangement on an electric motor vehicle 2 with an on-board charger, connected to a three-phase network with a supply voltage.
  • the on-board charging device 1 is arranged in the electric motor vehicle 2 .
  • the on-vehicle charger 1 only a part of a line filter in the form of an EMI filter is shown for the sake of simplicity.
  • a charging plug is plugged into the on-board socket 3 . This is preceded by a residual current circuit breaker 15, which is connected to the building. A leakage current is fed back via the circuit breaker PE.
  • the respective phases PL1 to PL3 are now shown coupled via an X-capacitor Cxi.
  • the phases PL1 to PL3 are also connected via a respective Y-capacitor CYI to the Protective conductor PE coupled, just like the neutral conductor N.
  • the coupling takes place in particular via the housing G which is made of metallic material, which is electrically conductive.
  • FIG. 3 shows a structure according to the invention.
  • the Y-capacitor CYI is only connected to the neutral conductor N in each case.
  • a common-mode choke 17, in particular a PFC choke in the circuit.
  • Two Y-capacitors CYI and CY2 or CY2 and CYN are assigned to a common-mode choke 17 in each case.
  • the two Y-capacitors CYI and CY2 or CY2 and CYN are connected upstream and downstream of the common-mode choke 17, respectively.
  • FIG. 4 now shows the application in which the charging cable 5 is an ICCB cable with a safety plug 18 .
  • the phase P i and the neutral conductor N can be interchanged depending on the direction in which the safety plug 18 is inserted, as shown in FIG. 4b.
  • a circuit breaker 15, for example, can also be provided in the ICCB cable itself.
  • FIG 4a shows the connection with a Schuko plug 18 and Figure 4b shows a 180 ° rotation of the Schuko plug 18.
  • the phase P i is connected to the neutral conductor N in the charging device 1.
  • the phase P i would thus be electrically connected to the Y Capacitor CYI of the neutral conductor of the charger 1, which would lead to tripping of the circuit breaker.
  • FIG. 5 now shows the present invention.
  • a respective Y-capacitor CYI is connected to the neutral conductor N via the switch SIN. However, this is in the open position at the beginning of the charging process, so that there is no electrical continuity.
  • the Y-capacitor CYI is also connected to the phase PLI via a switch Su, which is also in the open position at the beginning of the charging process.
  • an upstream voltage measurement 19 recognizes the polarity of phase P i and neutral conductor and, depending on this, actuates switch Su or switch SIN via a controller, so that neutral conductor N is electrically coupled to Y capacitor CYI.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeanordnung mit bordeigener Ladevorrichtung (OBC) für ein Elektrokraftfahrzeug, aufweisend ein Gehäuse mit zumindest einem elektrischen Eingangsanschluss für einen Nullleiter, einen Schutzleiter und mindestens einer Phase, insbesondere drei Phasen sowie mindestens einem Ausgangsanschluss zu einer Traktionsbatterie sowie in dem Gehäuse angeordneter Leistungselektronik, welche mindestens einen Spannungswandler aufweist, in der die Ladevorrichtung ein Gleichtaktfilter durch mindestens einen zwischen Nullleiter und Phase schaltbaren Y-Kondensator ausgebildet ist, wobei der Y-Kondensator an den Nullleiter und den Schutzleiter angeschlossen ist, dergestalt, dass in einem Ruhezustand der Y-Kondensator deaktiviert ist und nach Detektion des elektrischen Anschlusses von Nullleiter und Phase der Y-Kondensator auf den Nullleiter geschaltet wird und der Ladevorgang beginnt.

Description

Geschaltete Y-Kondensatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bordeigene Ladeelektronik gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von 1 .
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Fortbewegung von Kraftfahrzeugen elektrische Energie zu verwenden. Solche Kraftfahrzeuge werden rein elektrisch als Elektrofahrzeug angetrieben. Es gibt jedoch auch Hybridvarianten, bei denen zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennstoffzelle Energie erzeugt wird. Beiden Fahrzeugen gemeinsam ist, dass die elektrische Energie gespeichert wird in einer Traktionsbatterie, nachfolgend auch Akku, Akkumulator bzw. Batterie genannt.
Diese Traktionsbatterie wird im Ruhezustand des Elektrofahrzeuges aufgeladen durch Anschluss an eine externe Spannungsquelle. Je nach örtlicher Gegebenheit sowie auch je nach Land, in welchem das Elektrofahrzeug geladen werden soll, stehen unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten sowie Versorgungsspannungen zum Durchführen des Ladevorganges zur Verfügung. Üblicherweise beträgt die Versorgungsspannung von 100V - 500V mit einer Frequenz von 50 - 60 Hz.
Hierzu wird eine Leistungselektronik eingesetzt, welche die unterschiedlichen Versorgungsspannungen auf eine Ladespannung transformieren, so dass die Traktionsbatterie in dem Elektrofahrzeug geladen werden kann.
Damit nunmehr möglichst flexibel das Elektrofahrzeug für verschiedene Versorgungsspannungen einsetzbar ist, ist eine Leistungselektronik mit Ladekommunikation in dem Kraftfahrzeug vorhanden, welche auch On-Board Charger (OBC) genannt wird. Eine solche bordeigene Ladeelektronik kann im Allgemeinen mit Ein-Phasen-Netzen (typisch PL-i— und N-Leiter) oder Drei-Phasen- Netzen (PL-i— PL2- PL3-Leiter, mit/ohne N-Leiter) betrieben werden. Maßgeblich transformiert der OBC die 50 Hz Sinuswechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC-Gleichspannung. Der OBC kann weiterhin zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz eine Potenzialfreiheit mit Hilfe eines integrierten Transformators herstellen.
Damit die 50 Hz Wechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC- Gleichspannung (Ladespannung) umgewandelt werden kann, verwendet man im Stand der Technik Active Front Ends (AFE) oder Power Factor Correction (PFC). PFCs werden verwendet, wenn der Energiefluss nur von der Versorgungsspannung zum Verbraucher geleitet wird. Auch sind sogenannte bidirektionale PFCs bekannt. Wird im Umkehrschluss die Batterie entladen, um die Batteriespannung in das Versorgungsnetz einzuspeisen, spricht man von einem AFE, welcher auch als bidirektionaler PFC bezeichnet werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass eine PFC-Drossel aus einer Induktivität, mithin einer gewickelten Spule, ausgebildet ist. Eine solche Spule weist ebenfalls einen Wickelkern auf. In einer solchen Ladevorrichtung ist ferner vorgesehen, dass elektronische Schalter mit induktivem Filter verwendet werden. Hierbei entstehen jedoch hoch frequente Störspannungen bzw. Störströme, die von den Schaltern erzeugt werden. Damit diese Störspannungen bzw. Störströme nicht zu dem Versorgungsnetz gelangen, werden sogenannte EM I-Filter verwendet. Diese EMI-Filter reduzieren Störungen zwischen einer jeweiligen Phase und dem Nullleiter (Differenzfilter). Zum anderen die Störungen zwischen einer bzw. allen Phasen und dem Nullleiter gegenüber dem Schutzleiter (Gleichtaktfilter).
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt als Endstörkondensatoren, X- Kondensatoren als Differenzfilter sowie Y-Kondensatoren als Gleichtaktfilter einzusetzen.
Um eine anwendende Person gegen einen elektrischen Schlag zu schützen, ist am Netzanschluss zwingend ein FI-Schutzschalter eingesetzt. Dieser befindet sich in der Regel in einem Sicherungskasten in einem Hausanschluss.
Es gibt auch FI-Schutzschalter, die in ein Ladekabel integriert sind.
Der FI-Schutzschalter überwacht mit einem Stromsensor den Summenstrom der Netzleiter. Wenn der Summenstrom einen Referenzwert (bspw. 30 mA in einem deutschen Netz mit Versorgungsspannung) überschreitet, schaltet der FI- Schutzschalter automatisch aus Sicherheitsgründen ab, da dann ein zu hoher Ableitstrom eines Verbrauchers vorliegt.
Ein solcher Ableitstrom wird unter anderem jedoch auch von den Y-Kondensatoren erzeugt, da diese für die Filterfunktion an den Phasenleitern und dem Nullleiter angeschlossen sind. Daher darf die Kapazität des Y-Kondensators nicht beliebig hoch gewählt werden. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der Filterung der Gleichtaktsignale und ist zugleich problematisch für die technische Realisierung. Eine kleinere Kapazität des Y-Kondensatoren bedingt eine höhere Gleichtaktinduktivität zu Erreichung der gleichen Filtercharakteristik. Eine höhere Gleichtaktinduktivität bedeutet aber ein deutlich größeres Bauraumvolumen und Gewicht des Gesamtfilters was unerwünschter Weise das Gewicht der bordeigenen Ladevorrichtung anheben würde. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ladeanordnung bereitzustellen, welche einen verbesserten Schutz des Anwenders bzw. des Versorgungsnetzes bietet, gleichzeitig jedoch eine verbesserte Ladeleistung und einen geringen Bauraumbedarf hat.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Ladeanordnung mit bordeigener Ladevorrichtung für ein Elektrokraftfahrzeug mit den Merkmalen in Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Ladeanordnung mit bordeigener Ladevorrichtung ist für ein Elektrokraftfahrzeug sowie auch für ein Hybridfahrzeug geeignet. Maßgeblich wird eine bordeigene Traktionsbatterie des Elektrokraftfahrzeugs mit einer externen Versorgungsspannung geladen.
Hierzu weist das Elektrokraftfahrzeug eine Bordeigene Ladevorrichtung auch On- Board Charger (OBC) genannt, auf. Die bordeigene Ladevorrichtung weist zumindest einen elektrischen Eingangsanschluss auf. Der elektrische Eingangsanschluss ist für ein Nullleiter, einen Schutzleiter und mindestens 1 Phase, insbesondere 3 Phasen vorgesehen. Ferner weist die bordeigene Ladevorrichtung mindestens einen elektrischen Ausgangsanschluss auf, welcher zu einer Traktionsbatterie führt. In einem Gehäuse der bordeigenen Ladevorrichtung ist eine Leistungselektronik angeordnet. Die Leistungselektronik weist mindestens einen Spannungswandler auf.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass in der Ladevorrichtung mindestens ein Gleichtaktfilter angeordnet ist. Der Gleichtaktfilter ist durch mindestens einen zwischen Nullleiter und Phase schaltbaren Y-Kondensator ausgebildet. Der Y- Kondensator ist ferner an den Schutzleiter angeschlossen.
Der Y-Kondensator ist an den Nullleiter und den Schutzleiter angeschlossen. Dem Y- Kondensator ist jedoch mindestens ein Umschalter vorgelagert, so dass zwischen Nullleiter und zumindest einer Phase, insbesondere der ersten Phase umgeschaltet werden kann. Dies ermöglicht es erfindungsgemäß, dass in einem Ruhezustand der Ladevorrichtung der Y-Kondensator vorzugsweise zunächst deaktiviert ist.
Besonders bevorzugt sind jedoch zwei Schalter angeordnet. Ein Schalter ist dann mit der Phase gekoppelt. Ein zweiter Schalter ist mit dem Nullleiter gekoppelt.
Die Schalter sind jeweils mit dem Y-Kondensator gekoppelt. In einer Ruhestellung befinden sich beide Schalter in der Position offen, d. h. es ist keine elektrische Durchleitung geschaltet. Nach Detektion der Polarität von Phase bzw. Nullleiter wird dann einer der Schalter geschlossen, dergestalt, dass der effektiv bzw. echte bzw. reale Nullleiter elektrisch mit dem Y-Kondensator verbunden ist.
Nach Detektion der Polarität von Nullleiter und der mindestens einen Phase, kann dann der Y-Kondensator auf den Nullleiter geschaltet werden und im Anschluss daran der eigentliche Ladevorgang beginnen. Der Y-Kondensator ist dann an den Nullleiter und den Schutzleiter angeschlossen.
Hierdurch wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass nicht der Y-Kondensator mit der mindestens eine Phase des Versorgungsnetzes verbunden ist, so dass versehentlich ein FI-Schutzschalter auslösen würde.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für eine nachfolgend beschriebene Ladeanordnung.
Bei einem Drei-Phasen-Netz, bspw. bei einem Ladevorgang mit einer Wall-Box, ist die Pinbelegung eines Steckers unproblematisch, da alle Leiter der drei Phasen, des Nullleiters und des Schutzleiters, eindeutig lageorientiert im Stecker belegt sind. Ein versehentliches Vertauschen von Phase und Nullleiter ist bereits dadurch ausgeschlossen.
Elektrokraftfahrzeuge werden jedoch oftmals auch mit einem ICCB-Ladekabel ausgeliefert bzw. geladen. Hierzu wird ein hausseitiger Stecker des Typs F (Schukostecker) verwendet. Dieser Stecker wird mit seinen Anschlüssen an die Phase und den Nullleiter sowie entsprechend auch den Schutzleiter gekoppelt. Je nach Lageorientierung des Schukosteckers sind jedoch Phase und Nullleiter mit einer 50 % Wahrscheinlichkeit vertauscht in einer Steckdose eingesteckt.
Genau hier setzt die vorliegende Erfindung an. Mit bevorzugt einer vorgeschalteten Spannungsmessung kann zunächst der elektrische Anschluss von Phase und Nullleiter festgestellt werden. Die Detektion des elektrischen Anschlusses bedeutet im Rahmen dieser Erfindung das Feststellen, auf welcher physisch vorhandenen Leitung der hauseigene Nullleiter sowie die hauseigene Phase liegen. Im Sinne dieser Erfindung kann es nachfolgend auch bezeichnet werden als Feststellen der Polarität von Phase und Nullleiter. Im Anschluss daran wird der Y-Kondensator auf den Nullleiter geschaltet. Wiederum im Anschluss daran beginnt der eigentliche Ladevorgang.
Erfindungsgemäß kann somit eine deutlich bessere Absicherung sowohl der bordeigenen Ladevorrichtung als auch für einen anwendenden Benutzer stattfinden. Die bordeigenen Ladevorrichtung kann jedoch auch kleiner dimensioniert aufgebaut werden, da insbesondere die Funktionalität des Gleichtaktfilters eine verbesserte Funktion zur Relation des Gleichtaktfilters bei kleinerem Bauraum erreicht werden kann.
Hierzu wird insbesondere als Schalter des Y-Kondensators ein Umschalter verwendet. Dieser Umschalter könnte zwischen Nullleiter und Phase jeweils umschalten. Besonders bevorzugt werden zwei Schalter verwendet, die im Ruhemodus beide zunächst offen sind. Nach Feststellen, des elektrischen Anschlusses von Nullleiter und Phase wird der Schalter geschlossen, der den Y- Kondensator mit der elektrischen Leitung verbindet, die von der hauseigenen Versorgungsspannung kommend den Nullleiter ausbildet.
Alternativbevorzugt kann jedoch ein sogenannter Drei-Wege-Schalter verwendet werden. Dieser Drei-Wege-Schalter würde zunächst den Y-Kondensator sowohl von dem Nullleiter als auch der mindestens einen Phase elektrisch trennen (1. Schaltzustand). Nach Feststellung der Polarität von Nullleiter und Phase wird dann entweder auf einen ersten elektrischen Durchfluss geschaltet (2. Schaltungszustand) oder einen zweiten elektrischen Durchfluss geschaltet (3. Schaltungszustand). Der 2. Schaltungszustand und der 3. Schaltungszustand sind jeweils dazu da, um innerhalb der bordeigenen Ladevorrichtung die dortigen Leitungen für die erste Phase und den Nullleiter zu vertauschen.
Als Schalter können Relais oder auch Halbleiter verwendet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Differenzfilter vorhanden ist. Der Differenzfilter ist insbesondere als X-Kondensator ausgebildet. Der X-Kondensator ist besonders bevorzugt zwischen Nullleiter und Phase angeschlossen.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Gleichtaktdrossel in der Phase und mindestens eine Gleichtaktdrossel in dem Nullleiter angeordnet ist. Die Anordnung bezieht sich innerhalb der Leistungselektronik insbesondere auf die Durchschaltung des jeweiligen Leiters bzw. einen dort vorhandenen Zwischenkreis. Es können mehrere Gleichtaktdrosseln eingesetzt werden, so dass einen höhere Filterwirkung/Dämpfung der hochfrequenten Signale erzeugt wird. Besonders bevorzugt wird ein zweistufiger Gleichtaktfilter durch zwei Gleichtaktdrosseln ausgebildet. Es können jedoch auch drei oder vierstufige Gleichtaktfilter, mit also drei oder vier Gleichtaktdrosseln, verwendet werden.
Weiterhin besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass einer Gleichtaktdrossel zwei Y- Kondensatoren zugeordnet sind. Insbesondere ist die eine Gleichtaktdrossel in Reihe mit den zwei Y-Kondensatoren geschaltet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Y-Kondensator auf den Nullleiter auf eine beliebige Phase, bei mehreren Phasen oder den Schutzleiter, schaltbar ist.
Somit ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Y-Kondensator auf alle Leiter in der bordeigenen Ladevorrichtung schaltbar sein kann. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass der Y-Kondensator auf eine beliebige Phase oder den Nullleiter geschaltet wird. Der andere Anschluss des Y-Kondensators ist dabei mit dem Schutzleiter fest verbunden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laden eines Elektrokraftfahrzeuges. Hierzu wird ein Elektrokraftfahrzeuges mit einem Ladekabel mittels Schukostecker an einen Hausanschluss angeschlossen. Es wird die Polarität von Nullleiter und erster Phase festgestellt. Im Anschluss wird der Y-Kondensator auf den Nullleiter des Hausanschlusses geschaltet. Wiederum im Anschluss dazu beginnt der eigene Ladevorgang.
In Sinne dieser Erfindung ist es vorstellbar, dass in der gesamten Schaltungsanordnung der Leistungselektronik nur ein Y-Kondensator erfindungsgemäß schaltbar ist.
Es können somit weiter Y-Kondensatoren vorhanden sein, die nicht schaltbar sind und bspw. fest mit dem Nullleiter oder einer beliebigen Phase verbunden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines On-Board Chargers in einem
Elektrokraftfahrzeug,
Figur 2 eine Schaltungsanordnung einer Ladevorrichtung gemäß Stand der Technik mit X-Kondensatoren und Y-Kondensatoren;
Figur 3 eine Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen
Ladevorrichtung mit Y-Kondensator angeschlossen an den Nullleiter;
Figur 4a und 4b eine Ladeanordnung mit einem Schukostecker;
Figur 5 eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung mit schaltbaren Y-
Kondensatoren zwischen Nullleiter und Phasen.
Figur 1 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen bordeigenen Ladevorrichtung 1 in einem Elektrokraftfahrzeug 2. Hierzu wird das Elektrokraftfahrzeug 2 mit einer Bordsteckdose 3 an eine externe Ladesteckdose 4 mit einem Ladekabel 5 angeschlossen. Die externe Ladesteckdose 4 stellt eine Versorgungsspannung 6 bereit. Die Bordsteckdose 3 ist elektrisch mit der bordeigenen Ladevorrichtung 1 verbunden. Hierzu weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 ein Gehäuse G mit mindestens einen elektrischen Eingangsanschluss 7 auf. Ferner weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 einen elektrischen Ausgangsanschluss 8 auf, welcher mit einer Traktionsbatterie 9 des Elektrokraftfahrzeuges 2 gekoppelt ist. Es können weitere elektrische Eingangsanschlüsse 10 vorhanden sein, beispielsweise ein Eingangsanschluss der Fahrzeugbatterie, insbesondere hinsichtlich einer damit verbundenen Kommunikation. Darüber hinaus kann auch ein Kommunikationsnetz des Elektrokraftfahrzeugs 2, beispielsweise ein CAN-Bus, angeschlossen sein.
In der bordeigenen Ladevorrichtung 1 ist dann insbesondere ein Netzfilter 11 angeordnet, beispielsweise ausgebildet als EMI-Filter. Diesem folgt dann eine PFC- Drossel 12, wiederum gefolgt von einem Transformator 13, zur Wandlung der Versorgungsspannung 6 in eine Ladespannung sowie einem optionalen Gleichrichter 14, welcher dann elektrisch gekoppelt ist mit der eigentlichen Traktionsbatterie 9.
Für die nachfolgende Betrachtung kann ein FI-Schutzschalter, hier jedoch nicht näher dargestellt, entweder hauseigen zwischen der Versorgungsspannung 6 und der Ladesteckdose 4 angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann auch in einem Ladekabel 5 ein FI-Schutzschalter angeordnet sein. Dieser ist dann zwischen der Ladesteckdose 4 und der Bordsteckdose 3, also im Ladekabel 5, angeordnet.
Figur 2 zeigt eine schematisierte Anordnung an einem Elektrokraftfahrzeug 2 mit On- Bord Charger, angeschlossen an ein Drei-Phasen-Netz mit einer Versorgungsspannung. In dem Elektrokraftfahrzeug 2 ist die bordeigene Ladevorrichtung 1 angeordnet. In der bordeigenen Ladevorrichtung 1 ist zur Vereinfachung nur ein Teil eines Netzfilters in Form eines EMI-Filters dargestellt.
Zunächst ist in die Bordsteckdose 3 ein Ladestecker eingesteckt. Dieser vorgeschaltet ein FI-Schutzschalter 15, welcher hausseitig angeschlossen ist. Über den Schutzschalter PE wird ein Ableitstrom zurückgeführt.
Innerhalb der Leistungselektronik der Ladevorrichtung 1 sind nunmehr dargestellt jeweils die Phasen PL1 bis PL3 gekoppelt über einen X-Kondensator Cxi. Die Phasen PL1 bis PL3 sind ferner über jeweils einen Y-Kondensator CYI mit dem Schutzleiter PE gekoppelt, genauso wie der Nullleiter N. Die Koppelung erfolgt insbesondere über das Gehäuse G welches aus metallischem Werkstoff, welcher elektrisch leitend, ausgebildet ist.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau. Hier ist jedoch erfindungsgemäß der Y-Kondensator CYI jeweils nur an den Nullleiter N angeschlossen. Ferner befindet sich jeweils eine Gleichtaktdrossel 17, insbesondere eine PFC-Drossel, in dem Stromkreis.
Es sind jeweils zwei Y-Kondensatoren CYI und CY2 bzw. CY2 und CYN je einer Gleichtaktdrossel 17 zugeordnet. Die zwei Y-Kondensatoren CYI und CY2 bzw. CY2 und CYN sind der Gleichtaktdrossel 17 jeweils vor- und nachgeschaltet.
Figur 4 zeigt nunmehr den Anwendungsfall, in welchem das Ladekabel 5 ein ICCB Kabel mit Schukostecker 18 ist. Die Phase P i und der Nullleiter N können je nach Einsteckrichtung des Schukosteckers 18 vertauscht sein, wie in Figur 4b dargestellt.
In dem ICCB-Kabel selbst kann bspw. auch ein Schutzschalter 15 vorgesehen sein.
Figur 4a zeigt den Anschluss mit einem Schukostecker 18 und Figur 4b zeigt dem gegenüber ein 180° Verdrehen des Schukosteckers 18. Die Phase P i wird angeschlossen an den Nullleiter N in der Ladevorrichtung 1. Die Phase P i wäre somit elektrisch geschaltet mit dem Y-Kondensators CYI des Nullleiters der Ladevorrichtung 1 , was zu einem Auslösen des Schutzschalters führen würde.
Figur 5 zeigt nunmehr die vorliegende Erfindung. Ein jeweiliger Y-Kondensator CYI ist an den Nullleiter N angeschlossen über den Schalter SIN. Dieser ist jedoch zu Beginn des Ladevorganges in der Stellung offen, so dass kein elektrischer Durchgang vorhanden ist. Ferner angeschlossen ist der Y-Kondensator CYI über einen Schalter Su an die Phase PLI , welcher ebenfalls zu Beginn des Ladevorganges in Offenstellung ist.
Würde nunmehr der Ladevorgang durchgeführt mit einem Schukostecker 18, so wären nur die Phasen PL1 und Nullleiter gekoppelt, dargestellt in Figur 4a bzw. 4b. Werden jedoch durch Verdrehen des Schukosteckers 18, Phase PL1 und Nullleiter N vertauscht (Figur 4b), so würde es zu einem unerwünschten Ableitstrom kommen und der hausseitige FI-Schutzschalter 15 auslösen.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine vorgeschaltete Spannungsmessung 19 die Polarität von Phase P i und Nullleiter erkennt und in Abhängigkeit dessen den Schalter Su oder den Schalter SIN über eine Steuerung betätigt, so dass der Nullleiter N mit dem Y-Kondensator CYI elektrisch gekoppelt ist.
Für weitere nachgeschaltete Y-Kondensatoren CY2 und CYN gilt eine Schaltungsanordnung unter Eingliederung von Gleichtaktdrosseln 17 sowie auch entsprechender X-Kondensatoren Cx2 analog.
Bezuqszeichen:
1 - bordeigene Ladevorrichtung
2 - Elektrokraftfahrzeug
3 - Bordsteckdose
4 - externe Ladesteckdose
5 - Ladekabel
6 - Versorgungsspannung
7 - elektrischer Eingangsanschluss
8 - elektrischer Ausgangsanschluss
9 - Traktionsbatterie
10 - weitere elektrische Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse
11 - Netzfilter
12 - PFC-Drossel
13 - Transformator
14 - Gleichrichter
15 - FI-Schutzschalter
16 - Ableitstrom
17 - Gleichtaktdrossel
18 - Schukostecker
19 - Spannungsmessung
Cxi - X-Kondensator
Cx2 - X-Kondensator
Cxn - X-Kondensator
Cxi - Y-Kondensator
0x2- Y-Kondensator
Cyn - Y-Kondensator
S - Schalter
G - Gehäuse

Claims

Patentansprüche Ladeanordnung mit bordeigener Ladevorrichtung (1) (OBC) für ein Elektrokraftfahrzeug (2), aufweisend ein Gehäuse (G) mit zumindest einem elektrischen Eingangsanschluss (7) für einen Nullleiter, einen Schutzleiter (PE) und mindestens einer Phase (PL-i), insbesondere drei Phasen (PL-i, PL2, PL3) sowie mindestens einem Ausgangsanschluss (8) zu einer Traktionsbatterie sowie in dem Gehäuse (G) angeordneter Leistungselektronik, welche mindestens einen Spannungswandler aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ladevorrichtung (1) ein Gleichtaktfilter durch mindestens einen zwischen Nullleiter (N) und einer Phase (PL-i) schaltbaren Y-Kondensator (CYI) ausgebildet ist, wobei der Y-Kondensator (CYI) an den Nullleiter (N) und den Schutzleiter (PE) angeschlossen ist, dergestalt, dass in einem Ruhezustand der Y- Kondensator (CYI) deaktiviert ist und nach Detektion des elektrischen Anschlusses von Nullleiter (N) und Phase (PL-i) der Y-Kondensator (CYI) auf den Nullleiter (N) geschaltet wird und der Ladevorgang beginnt. Ladeanordnung mit bordeigener Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladekabel (5) mit hausseitigem Stecker Typ F (Schukostecker (18)) verwendet ist, welches mit seinen Anschlüssen an die Phase (PL-i), den Nullleiter (N) und den Schutzleiter (PE) gekoppelt ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter des Y-Kondensators (CYI) ein Umschalter verwendet ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (S) des Y-Kondensators (CYI) ein Drei-Wege-Schalter verwendet ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzfilter vorgesehen ist, insbesondere als X-Kondensator (Cxi), welcher zwischen Nullleiter (N) und Phase (PL-,) angeschlossen ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gleichtaktdrossel (17) in der Phase und/oder mindestens eine Gleichtaktdrossel (17) in dem Nullleiter angeordnet ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer Gleichtaktdrossel (17) zwei Y- Kondensatoren (Cyi) zugeordnet sind, insbesondere ist die eine Gleichtaktdrossel (17) in Reihe mit den zwei Y-Kondensatoren (CYI) angeordnet. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss von Phase (PL-i) und Nullleiter (N) durch eine zusätzliche Spannungsmessvorrichtung (19) feststellbar ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Y-Kondensator auf den Nullleiter oder eine beliebige Phase (PLi, PL2, PL3) und den Schutzleiter (PE) schaltbar ist, besonders bevorzugt sind zwei Schalter vorgesehen, wobei ein erster Schalter (SIN) den Y-Kondensator (Cyi) mit dem Nullleiter (N) und ein zweiter Schalter (SIL) den Y-Kondensator (Cyi) mit mindestens einer Phase Pukoppelt, dergestalt, dass nach Detektion der Polarität ein Schalter (Sn_, SIN) den Y-Kondensator (CYI) mit dem real detektierten Nullleiter (N) elektrisch verbindet. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei drei Phasen (PLi, PL2, PL3), jeder Phase eine Gleichtaktdrossel (17) zugeordnet ist, wobei jede Phase über einen X-Kondensator (Cxi) mit dem Nullleiter (N) verbunden ist und alle X- Kondensatoren (Cxi) mit dem Y-Kondensator (Cyi) verbunden sind.
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