EP4547511A1 - Ladegerät und verfahren zum betrieb des ladegerätes - Google Patents

Ladegerät und verfahren zum betrieb des ladegerätes

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EP4547511A1
EP4547511A1 EP23719796.7A EP23719796A EP4547511A1 EP 4547511 A1 EP4547511 A1 EP 4547511A1 EP 23719796 A EP23719796 A EP 23719796A EP 4547511 A1 EP4547511 A1 EP 4547511A1
Authority
EP
European Patent Office
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connection
voltage
input
switching element
charger
Prior art date
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Pending
Application number
EP23719796.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Koji Rudolf Jaeger
Sarang P RAJAMOHAN
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a charger and a method for operating the charger.
  • the invention further relates to a drive train with a charger, a vehicle with a drive train as well as a computer program and a machine-readable storage medium.
  • Chargers for example in vehicles with an electric drive in an electric vehicle or a hybrid vehicle, are used to recharge batteries, preferably accumulators or traction batteries, from an electrical energy source, preferably an external alternating current source or the public alternating current network.
  • the charger converts a sinusoidal alternating current from the external energy source into a direct current. With a single-phase alternating current, the power pulsates at twice the frequency of the alternating current.
  • Chargers preferably have two-stage power electronics.
  • a first stage the so-called power factor correction stage, the PFC stage, converts the sinusoidal input voltage from the AC voltage network into a DC voltage.
  • a second stage consists of a DC-DC converter or DC/DC converter, which ensures galvanic isolation via a transformer and adjusts the voltage levels.
  • the output voltage and/or the output current for charging the battery is preferably adjusted by means of an electrical circuit and a control system.
  • An intermediate circuit capacitor is arranged between the two stages, which buffers the power pulsation at twice the frequency of the alternating current of the energy source. Typically, this intermediate circuit is connected by at least one electrolyte capacitor sator realized.
  • the battery is further connected to an inverter to supply the electric drive machine with energy.
  • a DC-DC converter is connected in parallel to the inverter to supply a low-voltage network, or an on-board electrical system, of the vehicle to supply the control devices with energy. It is known to generate an alternating voltage by means of an inverter connected to the vehicle electrical system in order to supply an alternating voltage socket inside the vehicle with energy.
  • the AC socket is intended to operate standard household consumers within the vehicle. Common household consumers include media players, computers, chargers for mobile devices, cool boxes or coffee machines.
  • a charger for a vehicle comprising on the input side a, preferably three-phase, input connection unit for connecting a single to three-phase alternating voltage, a PFC stage for providing a direct voltage at an intermediate connection and a two-pole alternating voltage connection for providing an alternating voltage.
  • the PFC stage includes a first, a second and a third half bridge.
  • the first, second and third half bridges each include a series connection with a high-side switch and a low-side switch. There is a center tap between the high-side switch and the Low-side switch of a half bridge can be connected via a first, second and third choke to a first, second and third input connection of the, preferably three-phase, input connection unit via a first, second and third connection line.
  • the center tap of the first half bridge can therefore be connected to the first input connection via the first choke via the first connection line.
  • the center tap of the second half bridge can therefore be connected to the second input connection via the second choke via the second connecting line.
  • the center tap of the third half bridge can therefore be connected to the third input connection via the third choke via the third connecting line.
  • the half bridges are connected in parallel and their ends are connected to the two-pole intermediate connection.
  • the high-side switches are connected to a positive intermediate terminal and the low-side switches are connected to a negative intermediate terminal of the two-pin intermediate terminal.
  • the charger includes a fourth half bridge connected in parallel with the first, second and third half bridges.
  • the fourth half bridge includes a high side switch and a low side switch, with a center tap between the high side switch and the low side switch of the fourth half bridge being switchable via a sixth switching element with a second AC voltage connection of the two-pole AC voltage connection connected is.
  • a fourth switching element preferably a fourth changer, is provided and set up to provide a connection via the third choke between the third half bridge and a first AC voltage connection of the two-pole AC voltage connection or a connection via the third choke between the third half bridge and the third connecting line to the third Establish input connection.
  • the third connecting line can be decoupled from the P FC stage and thus from the first and second capacitors by means of the fourth switching element.
  • the third connecting line is therefore preferably connected to the PFC stage only after the first and second capacitors have been charged. An inrush current when connecting the third connection line is therefore preferably prevented.
  • a precharging resistor between the third input connection and the third connection line can be omitted.
  • a fourth half bridge is added to a P FC stage of a charger, the center tap of which is fed to a second AC voltage connection.
  • the first AC voltage connection is connected via a third choke of the P FC stage to the center tap of a third half bridge of the P FC stage.
  • a circuit for a charger is advantageously provided, which enables a controllable alternating voltage to be provided at the two-pole alternating voltage connection.
  • the alternating voltage can be provided during a charging process to charge the battery using the charger.
  • the direct voltage at the intermediate connection is preferably converted into a desired alternating voltage by means of the third and fourth half bridges.
  • the voltage and current at the consumer connected to the two-pole AC voltage connection can be influenced by the charger.
  • an overload of the external energy source can be prevented by specifically opening the high-side switches and low-side switches of the third and fourth half bridges and thereby switching off a connected consumer.
  • the charger and/or the connected consumer can preferably be protected via an overcurrent shutdown.
  • An external energy source is preferably a single-phase, two-phase or three-phase alternating voltage network, preferably the public low-voltage network. In a North American region or Japanese region, this is preferably a single-phase AC network with 120 or 240 volts. In a Chinese or European region, this is preferably a three-phase alternating voltage network with approximately 230 volts.
  • the charger is connected to a corresponding alternating voltage network or connected to the corresponding alternating voltage.
  • a battery to be charged is preferably an accumulator or a traction battery, by means of which energy an electric drive train of a vehicle is operated.
  • a rectification circuit is preferably a rectifier for converting the alternating current into a direct current.
  • a high-side switch or a low-side switch of a semiconductor bridge is preferably a power semiconductor switch that includes an intrinsic diode, preferably it is an IGBT or MOSFET, preferably based on Si, SiC or GaN technology.
  • the formulation preferably means connecting, for example, a center tap with a connection line, connecting, contacting or connecting the components by means of an electrically conductive line or a galvanic connection.
  • the phrase blocking, preventing, decoupling or stopping a current flow means cutting an electrically conductive line or connection.
  • the wording “switched” is used to mean electrically connected, whereby “switchably connected” means that an electrical connection can be established or separated, preferably by means of a switch or switching element.
  • the wording is used to define the position of an electrical component, preferably a switch or switching element, within the circuit topology, which includes an electrical connection to the electrical components arranged next to it.
  • the input connection unit includes a neutral conductor connection.
  • a series connection of a first and a second diode is connected in parallel to the first to fourth half bridges.
  • the first and second diodes are connected in the reverse direction and prevent, block or prevent current flow from the positive intermediate connection to the negative intermediate connection and enable current flow from the negative intermediate connection to the positive intermediate connection.
  • a center tap between the first and second diodes is connected to the neutral conductor terminal via a neutral conductor.
  • a series circuit consisting of a first and a second capacitor is connected in parallel to the half bridges.
  • a fifth Switching element is provided, which is set up to connect the second throttle, which is connected to the second half bridge, either to the neutral conductor or to the second connecting line to the second input connection.
  • a fifth switching element preferably a fifth changeover contact, is arranged between the second throttle and the second connecting line.
  • the second throttle is connected to the neutral conductor or to the second connecting line to the second input connection.
  • a possibility is created to provide an alternating voltage at the input connection unit at the first input connection and the neutral conductor connection.
  • a direct voltage at the intermediate connection is converted into a desired alternating voltage by means of the first and second half bridges and is provided as an alternating voltage at the first input connection and the neutral conductor connection.
  • the electrical energy at the intermediate connection is preferably provided by a battery connected to the charger, preferably a traction battery of the vehicle, via a bidirectional DC/DC converter connected to the intermediate connection.
  • the second connection line is divided into a first part of the second connection line and a second part of the second connection line.
  • a second switching element is provided, which is arranged between the first part of the second connection line and the second part of the second connection line, and is designed to transmit a charging current from the second input connection via the first part and the second part of the second connection line to the second throttle to conduct or to conduct a charging current from the first connecting line via the second part of the second connecting line to the second throttle.
  • a second switching element preferably a second changer, is arranged between a first part of the second connection line and a second part of the second connection line.
  • a charging current is thus transferred from the second input connection via the first part and the second part of the second connection line to the second throttle passed or a charging current is passed from the first connecting line via the second part of the second connecting line to the second throttle.
  • a possibility is created to partially branch off a single-phase charging current that flows via the first connection line and to direct it via the second part of the second connection line to the second throttle and second half bridge.
  • the load on the first choke and the first half bridge can thus be reduced, preferably when there is a single-phase charging current.
  • a single-phase charging current preferably results when a single-phase alternating voltage is connected to the input connection.
  • the first part of the second connecting line can be decoupled from the PFC stage and thus from the first and second capacitors by means of the second switching element.
  • the first part of the second connecting line is therefore preferably connected to the PFC stage only after the first and second capacitors have been charged.
  • an inrush current is prevented when the first part of the second connecting line is switched on.
  • a precharging resistor between the second input connection and the first part of the second connection line can be omitted. Due to the design of the second switching element as a second changeover contact, a short circuit between the first connecting line and the first part of the second connecting line is preferably prevented.
  • a short circuit between the first input connection and the second input connection would preferably be possible by means of an incorrectly controlled simple switching element; this error case during control can be reliably excluded by means of a second changeover contact.
  • a first switching element is provided and set up to enable or interrupt a current flow between the first input connection and the first connection line or the first choke of the P FC stage.
  • a first switching element is arranged between the first connection line and the first input connection. Depending on the switching position, a current flow or a charging current is enabled or prevented from the first input connection in the direction of the first throttle of the P FC stage.
  • a thermistor or NTC resistor which is used to limit an inrush current, is preferably connected in parallel with the first switching element.
  • the inrush current preferably flows from the first input connection via the P FC stage into the first and/or the second capacitor.
  • the resistance of the thermistor is high and reduces the inrush current.
  • the thermistor heats up due to the current flow and loses its high initial resistance. To reduce the losses of the thermistor, it is preferably bridged by closing the first switching element when the first and/or second capacitor is essentially charged.
  • a third switching element is provided and is set up to enable or interrupt a charging current between the third input connection and the third connection line or the third choke of the P FC stage.
  • a third switching element is arranged between the third connection line and the third input connection. Depending on the switching position, a current flow or a charging current is enabled or prevented from the third input connection in the direction of the third throttle of the P FC stage.
  • a possibility is created to interrupt or switch on a charging current, preferably in the presence of a three-phase charging current, via the third connecting line.
  • a thermistor or NTC resistor which is used to limit an inrush current, is preferably connected in parallel with the third switching element.
  • the inrush current preferably flows from the third input connection via the PFC stage into the first and/or the second capacitor.
  • the resistance of the thermistor is high and reduces the inrush current. After switching on, the thermistor heats up due to the current flow and loses its high initial resistance. To reduce the losses of the thermistor, it is preferably bridged by closing the third switching element when the first and/or second capacitor is essentially charged.
  • a seventh switching element is between the center tap between the first and second diodes and a center tap arranged between the first and second capacitors.
  • a seventh switching element is connected between the center tap between the first and second diodes and the center tap between the first and second capacitors. Depending on the switching position, a current flow between the center taps of the diode series circuit and the capacitor series circuit is enabled or prevented. Advantageously, a possibility is created to interrupt or switch on a current flow, preferably in the presence of a two- or three-phase charging current, between the center tap between the first and the second diode and the center tap between the first and the second capacitor.
  • the seventh switching element is preferably closed for operation of the charger with asymmetrical loading. An asymmetrical load occurs when operating with a 2-phase network or asymmetrical load when operating with a 3-phase network, i.e. two-phase or three-phase alternating voltage.
  • the resulting current flows on the neutral conductor via the closed seventh switching element.
  • the alternating voltages on the first, second and third connecting lines are the same and the phase shift between the alternating voltages is 120 degrees. In this case, the sum of the phase currents and the resulting current on the neutral wire is equal to zero.
  • the alternating voltages on the first, second and third connection lines are not all the same and/or the phase shift between the alternating voltages is not 120 degrees. In this case, the sum of the phase currents and the resulting current are non-zero.
  • a current flow for this total current is preferably enabled via the neutral conductor to the neutral conductor connection.
  • a DC voltage provided at the positive intermediate connection and at the negative intermediate connection is at least partially provided as an AC voltage at the first AC voltage connection and at the second AC voltage connection, wherein the fourth switching element has a connection from the center tap of the third half bridge via the third choke to the first AC voltage connection and the sixth switching element establishes a connection from the center tap of the fourth half bridge to the second AC voltage connection.
  • the fourth and sixth switching elements are advantageously switched in such a way that a controllable alternating voltage can be provided at the two-pole alternating voltage connection.
  • the direct voltage at the intermediate connection is converted into a desired alternating voltage by means of the third and the fourth half bridge, preferably by means of filtering via the third choke and a fourth capacitor between the first and the second alternating voltage connection.
  • the third and fourth half bridges thus act like an inverter to generate a, preferably single-phase, alternating voltage from a direct voltage at the two-pole alternating voltage connection.
  • electrical energy is provided at the intermediate connection
  • either an alternating voltage provided at the input connection unit via the PFC stage is at least partially provided as a direct voltage at the positive intermediate connection and at the negative intermediate connection, with a charging current via at least the first connection line and the second connection line, or at least the second part of the second connection line, via the PFC stage is routed to the intermediate connection and the entire charging current is preferably returned via the neutral conductor,
  • a topology is advantageously provided which enables a direct voltage to be provided at the intermediate connection, the energy for this being able to be provided on the one hand by an external energy source or by a battery, preferably internal to the vehicle.
  • the charger is set up to provide an alternating voltage to the input connection unit at the first input connection and the neutral conductor connection, with at least a direct voltage provided at the positive intermediate connection and at the negative intermediate connection in order to provide electrical energy at the first input connection and at the neutral conductor connection is partially provided as an alternating voltage at the first input terminal and at the neutral conductor connection, a current being conducted between the positive intermediate terminal and the first input terminal via the first choke and a current being conducted between the negative intermediate terminal and the neutral conductor terminal via the second choke.
  • a topology is advantageously provided which enables an alternating voltage to be provided at the first input connection and the neutral conductor connection, the energy for this being provided by a battery, preferably internal to the vehicle.
  • the invention further relates to a drive train of a vehicle with a charger, as described above, the drive train in particular comprising a traction battery, an inverter and/or an electric machine.
  • a drive train of an electric vehicle with a charger with a simplified circuit topology is advantageously provided.
  • the invention further relates to a vehicle with a drive train as described above.
  • a vehicle with a charger with a simplified circuit topology is advantageously provided.
  • the invention further relates to a method for operating a charger as presented above, with the step: controlling the fourth and sixth switching elements and as well as the high-side and low-side switches of the third and fourth half bridges for providing electrical energy at the two-pole AC voltage connection.
  • controlling the switches of the third and fourth half bridges and closing the fourth and sixth switching elements a direct voltage present at the intermediate connection is converted into an alternating voltage which is present at the two-pole alternating voltage connection.
  • a method is advantageously provided with which a controllable alternating voltage can be provided at the two-pole alternating voltage connection.
  • the invention further relates to a computer program comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method described.
  • the invention further relates to a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause it to carry out the method described.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit topology for a charger known from the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a circuit topology for a charger
  • 3 shows a schematic representation of an exemplary current or energy flow in a first operating mode of the circuit topology for a charger
  • Figure 4 is a schematic representation of an exemplary current or energy flow in a second operating mode of the circuit topology for a charger
  • FIG. 6 shows a schematically illustrated vehicle with a drive train with a charger
  • Figure 7 shows a schematic flow chart for a method for operating a charger
  • FIG. 1 shows a charger 500, preferably for a vehicle.
  • the charger 500 includes an input connection unit 100 for connecting a single to three-phase alternating voltage, a PFC stage 200 for providing a direct voltage at an intermediate connection 300.
  • the PFC stage 200 of the charger 500 comprises a first 210, a second 220 and a third 230 half bridge.
  • the first, second and third half bridges 210, 220, 230 each comprise a series connection with a high-side switch 211, 213, 215 and a low-side switch 212, 214, 216.
  • Each center tap between the high side -Switch and the low-side switch of a half bridge is via a first, second and third throttle 202, 204, 206 each with a first, second and third input connection LI, L2, L3 of the input connection unit 100 via a first, second and third connecting cable 110, 120, 130 connectable.
  • the center tap is the first half bridge 210 can be connected to the first input connection LI via the first throttle 202 via the first connecting line 110.
  • the center tap of the second half bridge 220 can therefore be connected to the second input connection L2 via the second choke 204 via the second connecting line 120.
  • the center tap of the third half bridge 230 can therefore be connected to the third input connection L3 via the third choke 206 via the third connecting line 130.
  • the half bridges 210, 220, 230 are connected in parallel. Their ends are connected to the two-pole intermediate connection 300.
  • the high-side switches are connected to a positive intermediate connection 310 and the low-side switches are connected to a negative intermediate connection 320.
  • a DC-DC converter 450 is preferably connected to the intermediate connection 300.
  • the DC voltage at the intermediate connection 300, which is present on the input side of the DC-DC converter 450, is preferably converted into a charging voltage for charging a battery 470 which can be connected to the output side of the DC-DC converter 450, preferably a traction battery or high-voltage battery.
  • a further DC-DC converter 460 is preferably connected in parallel to the battery 470, for converting the charging voltage into a low-voltage voltage for charging a low-voltage battery 462 and for supplying an on-board electrical system of a vehicle for supplying the control devices of a vehicle.
  • the low-voltage battery 462, as well as preferably other low-voltage consumers not shown, are connected to the vehicle's on-board electrical system.
  • the further DC-DC converter 460 is preferably a bidirectional DC-DC converter.
  • the additional DC-DC converter 460 can be used to pre-charge the high-voltage intermediate circuit before the battery 470 is connected to the charger 500.
  • the charger 500 according to the invention according to FIG. 2 comprises a two-pole AC voltage connection 400.
  • the charger 500 comprises a fourth half bridge 240, which is connected in parallel to the first, second and third half bridges 210, 220, 230, with a high-side switch 217 and a low-side switch 218, wherein a center tap between the high-side switch and the low-side switch of the fourth half bridge 240 is switchably connected via a sixth switching element S6 to a second AC voltage connection 420 of the two-pole AC voltage connection 400 and a fourth switching element S4 is provided, which is set up to establish a connection via the third choke 206 between the third half bridge 230 and a first AC voltage connection 410 or a connection via the third choke 206 between the third half bridge 230 and the third connecting line 130 to the third input connection L3.
  • the two-pole AC voltage connection is preferably set up to supply standard household consumers during operation. Common household consumers are preferably supplied
  • the input connection unit 100 preferably further comprises a neutral conductor connection NI.
  • a series connection of a first Dl and a second D2 diode is connected in parallel to the half bridges 210, 220, 230, 240.
  • the first and second diodes Dl, D2 are connected in the reverse direction and prevent current flow from the positive intermediate connection 310 to the negative intermediate connection 320 and enable a current flow from the negative intermediate connection 320 to the positive intermediate connection 310.
  • a center tap between the first and the second diode Dl , D2 is connected to the neutral conductor connection NI via a neutral conductor 140.
  • a series circuit consisting of a first CI and a second C2 capacitor is connected in parallel to the half bridges 210, 220, 230, 240.
  • a fifth switching element S5 is provided and set up to connect the second choke 204, which is connected to the second half bridge 220, either to the neutral conductor 140 or to the second connecting line 120 to the second input connection L2.
  • the second connection line 120 is preferably divided into a first part of the second connection line 120_l and into a second part of the second connection line 120_2.
  • a second switching element S2 is provided, which is between the first part of the second connecting line 120_l and the second part of the second connecting line 120_2 is arranged.
  • the second switching element S2 is set up to conduct a charging current from the second input connection L2 via the first part and the second part of the second connecting line 120_l, 120_2 to the second throttle 204 or a charging current from the first connecting line 110 via the second part of the second Connecting line 120_2 to the second throttle 204.
  • a first switching element S1 is preferably provided and set up to enable or interrupt a current flow between the first input connection LI and the first connection line 110.
  • a third switching element S3 is preferably provided and set up to enable or interrupt a charging current between the third input connection L3 and the third connection line 130.
  • Pre-charging resistors preferably switchable resistors, thermistor or NTC resistors, are preferably connected in parallel with the first S1 and the third S3 switching element, so that a starting current decays and is limited when an alternating voltage is connected to the input connection unit 100 before the first and third switching elements S1, S3 is closed.
  • a seventh switching element S7 is preferably arranged between the center tap between the first and the second diode Dl, D2 and a center tap between the first and the second capacitor Cl, C2.
  • a current sensor (A) is preferably arranged on the first, second and third throttles 202, 204, 206 to determine the current through the respective throttle 202, 204, 206. Depending on the currents determined, the high-side switches and the low-side switches and the switching elements are controlled to implement the desired operating modes. Voltage sensors (V) are preferably arranged between the first, second and third connecting lines 110, 120, 130 and the neutral conductor 140 to determine the voltages. A voltage sensor (V) between the positive and is also preferred the negative intermediate terminal 310, 320 and between the center tap between the first and second capacitors Cl, C2 and the negative intermediate terminal 320.
  • the high-side switches and the low-side switches as well as the switching elements are preferably controlled in order to implement the desired operating modes.
  • the negative intermediate connection 320 is preferably connected to ground GND AC.
  • GND AC is preferably an internal voltage potential.
  • the switching elements are preferably provided as semiconductor switch components (IGBT or MOSFETS, based on Si, SiC or GaN) or as contactors or relays.
  • IGBT semiconductor switch components
  • MOSFETS MOSFETS, based on Si, SiC or GaN
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary current or energy flow in a first operating mode of the circuit topology for a charger 500.
  • a DC voltage provided at the positive intermediate connection 310 and at the negative intermediate connection 320 is preferred partially provided as AC voltage at the first AC voltage connection 410 and at the second AC voltage connection 420.
  • the fourth switching element S4 preferably establishes a connection from the center tap of the third half bridge 230 via the third choke 206 to the first AC voltage connection 410 and the sixth switching element S6 establishes a connection from the center tap of the fourth half bridge 240 to the second AC voltage connection 420.
  • This two-pole AC voltage connection 400 is preferably used by means of a Socket, in-vehicle or external to the vehicle, provided, preferably for supplying connected, preferably household, consumers 402.
  • the electrical energy at the intermediate connection 300 can be provided by an energy source connected to the input connection in one to three phases and/or one, preferably via the DC-DC converter 450, connected battery 470.
  • the DC-DC converter 450 is designed as a bidirectional DC-DC converter.
  • the DC-DC converter 450 converts the DC voltage of the battery 470 into the desired DC voltage at the intermediate connection 300.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an exemplary current or energy flow in a second operating mode of the circuit topology for a charger.
  • an alternating voltage provided at the input connection unit 100 is preferably provided via the PFC stage 200 at least partially as a direct voltage at the positive intermediate connection 310 and at the negative intermediate connection 320.
  • a charging current is conducted via at least the first connection line 110 and the second connection line 120, or at least the second part of the second connection line 120_2, via the PFC stage 200 to the intermediate connection 300.
  • the entire charging current is preferably filtered via the first and second capacitor Cl, C2 and returned to the neutral conductor connection NI via the diode D2 and the neutral conductor 140.
  • a three-phase alternating current from a three-phase alternating voltage source connected to the input connection unit is conducted to the intermediate connection via all three connection lines 110, 120, 130 with the first and third switching elements S1 S3 closed via the first, second and third chokes 202, 204, 206.
  • a three-phase alternating current from a three-phase alternating voltage source connected to the input connection unit is conducted to the intermediate connection via the first and second connecting lines 110, 120 with the first S1 closed and the third S3 switching element open via the first and second chokes 202 and 204.
  • the connection between the center tap of the series connection of the first and second capacitors Cl, C2 and the center tap of the series connection of the first and second diodes Dl, D2 is preferably closed by means of the switching element S7.
  • the closed switching element S7 enables an alternative path for return of the charging current, or the resulting current, via the neutral conductor 140.
  • a single-phase alternating current from a single-phase alternating voltage source connected to the input connection unit is preferred by means of a bridge 150, a galvanic connection, between the first, second and third input terminals LI, L2, L3 via all three Connecting lines 110, 120, 130 are routed to the intermediate connection via the first, second and third throttles 202, 204, 206 when the first and third switching elements S1 S3 are closed.
  • a single-phase alternating current from a single-phase alternating voltage source connected to the input connection unit is preferred by means of a bridge 150, a galvanic connection, between the first, second and third input connections LI, L2, L3 via the first and second connection lines 110, 120 with the first S1 closed and open third S3 switching element via the first and second throttles 202 and 204 to the intermediate connection.
  • the bridge 150 is used in chargers 500 that are used in regions of the world where the infrastructure and public power grid only provide single-phase AC voltage sources as external AC voltage sources.
  • a single-phase alternating current from a single-phase alternating voltage source connected to the first input connection LI of the input connection unit 100 is conducted to the intermediate connection via the first and second chokes 202 and 204 by means of the second switching element S2 via the first connection line 110 and the second part of the second connection line 120_2 with the first S1 closed .
  • different options for providing electrical energy at the intermediate connection 300 are provided. These different options correspond to the current curve during a charging operation in which energy from an external energy source connected to the input connection 100 is transferred to the intermediate connection 300.
  • the second operating mode is preferably carried out alone. Given the possibilities of the second operating mode with the switching element S3 open, the first operating mode, the provision of electrical energy at the two-pole AC voltage connection 400, is preferably carried out at the same time.
  • Figure 5 shows a schematic representation of an exemplary current or energy flow in a third operating mode of the circuit topology for a charger.
  • first input connection LI and the neutral conductor connection NI it is preferred to use one on the positive tive intermediate connection 310 and at the negative intermediate connection 320 DC voltage provided at least partially as AC voltage at the first input connection LI and at the neutral conductor connection 420.
  • a current is conducted between the positive intermediate connection 310 and the first input connection LI via the first half bridge 210 and the first choke 202.
  • the first switching element S1 is preferably closed.
  • a current between negative intermediate connection 320 and the neutral conductor connection NI is conducted via the second half bridge 220 and the second choke 204, with the fifth switching element S5 enabling a current flow from the second choke 204 via the neutral conductor 140 to the neutral conductor connection NI.
  • a third capacitor C3 between the first connecting line 110 and the neutral conductor 140 preferably filters the alternating voltage to be provided.
  • the alternating voltage provided is preferably intended to supply household consumers. Common household consumers are preferably supplied with an alternating voltage which, depending on the region, is approx. 120 volts or 230-240 volts. In summary, provision of electrical energy, a controllable alternating voltage, is made possible at the first input connection LI and the neutral conductor connection NI.
  • This electrical energy is preferably provided outside the vehicle by means of a socket, preferably to supply connected, preferably household, other consumers.
  • the electrical energy at the intermediate connection 300 is provided by a battery 470 connected, preferably via the DC-DC converter 450.
  • the DC-DC converter 450 is designed as a bidirectional DC-DC converter.
  • the third operating mode is preferably carried out alone or simultaneously with the first operating mode.
  • FIG. 6 shows a schematically illustrated vehicle 700 with a drive train 600 with a charger 500.
  • the vehicle 700 is shown here only as an example with four wheels, the invention being equally applicable in any vehicle with any number of wheels on land, on water and in can be used in air.
  • the drive train 600 shown as an example includes at least one charger 500.
  • the drive train also preferably includes a battery 470, an inverter 472 and/or an electric machine 474.
  • 7 shows a schematically illustrated flowchart for a method 800 for operating a charger 500.
  • the method 800 starts with step 805.
  • step 810 the fourth and sixth switching elements S4, S6 as well as the high-side and low-side switches of the third and fourth half bridges 210, 220, 230, 240 for providing electrical energy at the two-pole

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Abstract

Ladegerät für ein Fahrzeug, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer ein- oder dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss (300) und einen zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400) zum Bereitstellen einer Wechselspannung umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Ladegerät und Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes
Die Erfindung betrifft ein Ladegerät und ein Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Ladegerät, ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Ladegeräte, beispielsweise in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dienen zum Nachladen von Batterien, bevorzugt Akkumulatoren oder Traktionsbatterien, aus einer elektrischen Energiequelle, bevorzugt einer externen Wechselstromquelle oder dem öffentlichen Wechselstromnetz. Dazu wandelt das Ladegerät einen sinusförmigen Wechselstrom der externen Energiequelle in einen Gleichstrom um. Bei einem einphasigen Wechselstrom pulsiert die Leistung mit der doppelten Frequenz des Wechselstroms.
Ladegeräte weisen bevorzugt eine zweistufige Leistungselektronik auf. Eine erste Stufe, die so genannte Power-Factor-Correction-Stufe, die PFC-Stufe, wandelt die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung. Eine zweite Stufe besteht aus einem Gleichspannungswandler oder DC/DC Wandler, der eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt und die Spannungsebenen anpasst. Bevorzugt wird mittels einer elektrischen Schaltung und einer Regelung die Ausgangsspannung und/ oder der Ausgangsstrom zum Aufladen der Batterie eingestellt. Zwischen beiden Stufen ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet, der die Leistungspulsation in der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Energiequelle puffert. Typischerweise wird dieser Zwischenkreis durch mindestens einen Elektrolytkonden- sator realisiert. Diese Topologien ermöglichen die Aufrechterhaltung eines nahezu sinusförmigen Eingangsstroms auf der Netzseite zur Erfüllung netzseitiger Normen, eine galvanische Trennung zwischen Netz und Fahrzeug zur Erfüllung von Sicherheitsanforderungen und eine Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms auf der Seite der Batterie, um die Belastung der Batterie im Ladebetrieb zu minimieren.
In einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb ist die Batterie weiter mit einem Wechselrichter verbunden zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschine mit Energie. Parallel zum Wechselrichter ist ein Gleichspannungswandler angeschlossen, zur Versorgung eines Niederspannungsnetzes, oder eines Bordnetzes, des Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte mit Energie. Es ist bekannt, mittels einem an dem Bordnetz angeschlossenen Wechselrichters eine Wechselspannung zu erzeugen, um eine fahrzeuginterne Wechselspannungssteckdose mit Energie zu versorgen. Die Wechselspannungssteckdose ist dazu vorgesehen, haushaltsübliche Verbraucher innerhalb des Fahrzeugs zu betreiben. Haushaltsübliche Verbraucher sind beispielsweise Medienabspielgeräte, Computer, Ladegeräte für Mobile Devices, Kühlboxen oder Kaffeemaschinen.
Die resultierende Vielzahl an Spannungswandlern innerhalb eines Fahrzeuges ist aufwändig und benötigt viel Raum innerhalb des Fahrzeuges. Daher besteht Bedarf an einfachen, kompakten und effizienten Lösungen zur Bereitstellung der Vielzahl der benötigten Spannungen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Ladegerät für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Ladegerät eingangsseitig eine, bevorzugt dreiphasige, Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein- bis dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss und einen zweipoligen Wechselspannungsanschluss zum Bereitstellen einer Wechselspannung umfasst. Die PFC-Stufe umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke umfassen jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter und einem Low-Side- Schalter. Jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss der, bevorzugt dreiphasigen, Eingangsanschlusseinheit über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung verbindbar. Somit ist der Mitten abgriff der ersten Halbbrücke über die erste Drossel über die erste Anschlussleitung mit dem ersten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke über die zweite Drossel über die zweite Anschlussleitung mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke über die dritte Drossel über die dritte Anschlussleitung mit dem dritten Eingangsanschluss verbindbar. Die Halbbrücken sind parallel geschaltet und deren Enden mit dem zweipoligen Zwischenanschluss verbunden. Die High-Side-Schalter sind mit einem positiven Zwischenanschluss und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss des zweipoligen Zwischenanschluss verbunden. Das Ladegerät umfasst eine vierte Halbbrücke, die zu der ersten, zweiten und dritten Halbbrücke parallel geschaltet ist. Die vierte Halbbrücke umfasst einen High- Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter, wobei ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter der vierten Halbbrücke über ein sechstes Schaltelement mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss des zweipoligen Wechselspannungsanschluss schaltbar verbunden ist. Ein viertes Schaltelement, bevorzugt ein vierter Wechsler, ist vorgesehen und dazu eingerichtet, eine Verbindung über die dritte Drossel zwischen der dritten Halbbrücke und einem ersten Wechselspannungsanschluss des zweipoligen Wechselspannungsanschluss oder eine Verbindung über die dritte Drossel zwischen der dritten Halbbrücke und der dritten Anschlussleitung zu dem dritten Eingangsanschluss herzustellen. Weiter vorteilhaft kann mittels dem vierten Schaltelement die dritte Anschlussleitung von der P FC-Stufe und damit von dem ersten und zweiten Kondensator entkoppelt werden. Bevorzugt wird somit erst nach Aufladen des ersten und des zweiten Kondensators die dritte Anschlussleitung mit der PFC Stufe verbunden. Bevorzugt wird somit ein Einschaltstrom beim Zuschalten der dritten Anschlussleitung unterbunden. Bevorzugt kann ein Vorladewiderstand zwischen dem dritten Eingangsanschluss und der dritten Anschlussleitung entfallen. Bevorzugt wird beim Betrieb des zweipoligen Wechselspannungsanschluss elektrische Energie, die am Zwischenanschluss anliegt, am zweipoligen Wechselspannungsanschluss bereitgestellt. Die elektrische Energie am Zwischenanschluss wird dabei bevorzugt von einer externen Energiequelle, oder der Infrastruktur oder EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment), über die Eingangsanschlusseinheit und der P FC-Stufe bereitgestellt oder von einer an das Ladegerät angeschlossenen Batterie, bevorzugt eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs, über einen an den Zwischenanschluss angeschlossenen bidirektionalen DC/DC Wandler.
Zur Bereitstellung eines zweipoligen Wechselspannungsanschluss, an dem eine regelbare Wechselspannung bereitstellbar ist, wird einer P FC-Stufe eines Ladegerätes eine vierte Halbbrücke hinzugefügt, wobei deren Mitten abgriff einem zweiten Wechselspannungsanschluss zugeführt wird. Der erste Wechselspannungsanschluss wird über eine dritte Drossel der P FC-Stufe mit dem Mittenabgriff einer dritten Halbbrücke der P FC-Stufe verbunden. Vorteilhaft wird eine Schaltung für eine Ladegerät bereitgestellt, dass eine Bereitstellung einer regelbaren Wechselspannung am zweipoligen Wechselspannungsanschluss ermöglicht. Die Bereitstellung der Wechselspannung kann während eines Ladevorganges zum Aufladen der Batterie mittels des Ladegerätes erfolgen. Bevorzugt wird die Gleichspannung am Zwischenanschluss mittels der dritten und der vierten Halbbrücke in eine gewünschte Wechselspannung gewandelt. Bevorzugt können, auch während des Ladevorgangs einer Batterie, Spannung und Strom an dem an den zweipoligen Wechselspannungsanschluss angeschlossenen Verbraucher durch das Ladegerät beeinflusst werden. Bevorzugt kann eine Überlastung der externen Energiequelle verhindert werden durch gezieltes Öffnen der High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter der dritten und vierten Halbbrücke und ein dadurch erfolgtes Abschalten eines angeschlossenen Verbrauchers. Bevorzugt kann in einem Kurzschlussfall über eine Überstromabschaltung das Ladegerät und oder der angeschlossene Verbraucher geschützt werden.
Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein einphasiges, zweiphasiges oder dreiphasiges Wechselspannungsnetz, bevorzugt des öffentlichen Niederspannungsnetzes. Bevorzugt ist dies in einer nordamerikanischen Region oder japanischen Region ein einphasiges Wechselspannungsnetz mit 120 oder 240 Volt. Bevorzugt ist dies in einer chinesischen oder europäischen Region ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit ungefähr 230 Volt. Für den Ladebetrieb des Ladegerätes wird das Ladegerät mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Eine zu ladende Batterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Eine Gleichrichtungs-schaltung ist bevorzugt ein Gleichrichter zur Wandlung des Wechselstroms in einen Gleichstrom. Ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter einer Halbleiterbrücke ist bevorzugt ein Leistungshalbleiterschalter, welcher eine intrinsische Diode umfasst, bevorzugt ist es ein IGBT oder MOSFET, bevorzugt basierend auf Si, SiC oder GaN-Technologie. Bevorzugt bedeutet die Formulierung, Verbinden von bspw. einem Mittenabgriff mit einer Anschlussleitung, das Anschließen, Kontaktieren oder Verbinden der Bauteile mittels einer elektrisch leitfähigen Leitung oder einer galvanischen Verbindung. Die Formulierung Sperren, verhindern, entkoppeln oder einen Stromfluss unterbinden bedeutet das Auftrennen einer elektrisch leitfähigen Leitung oder Verbindung. Bevorzugt wird die Formulierung geschaltet gleichbedeutend mit elektrisch verbunden verwendet, wobei schaltbar verbunden bedeutet, dass eine elektrische Verbindung, bevorzugt mittels eines Schalters oder Schaltelementes, herstellbar oder trennbar ist. Bevorzugt wird die Formulierung angeordnet verwendet um die Position einer elektrischen Komponente, bevorzugt eines Schalters oder Schaltelementes, innerhalb der Schaltungstopologie zu definieren, wobei dies eine elektrische Verbindung mit den daneben angeordneten elektrischen Komponenten umfasst.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst die Eingangsanschlusseinheit einen Neutralleiteranschluss. Der ersten bis vierten Halbbrücke ist eine Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Diode parallel geschaltet. Die erste und die zweite Diode sind in Sperrrichtung geschaltet und verhindern, sperren oder unterbinden einen Stromfluss von dem positiven Zwischenanschluss zum negativen Zwischenanschluss und ermöglichen einen Stromfluss von dem negativen Zwischenanschluss zum positiven Zwischenanschluss. Ein Mittenabgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode ist über einen Neutralleiter mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Den Halbbrücken ist eine Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Kondensator parallel geschaltet. Weiter ist ein fünftes Schaltelement vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, die einerseits mit der zweiten Halbbrücke verbundene zweite Drossel entweder mit dem Neutralleiter oder mit der zweiten Anschlussleitung zu dem zweiten Eingangsanschluss zu verbinden.
Ein fünftes Schaltelement, bevorzugt ein fünfter Wechsler, ist zwischen der zweiten Drossel und der zweiten Anschlussleitung angeordnet. Je nach Schaltstellung wird somit die zweite Drossel mit dem Neutralleiter oder mit der zweiten Anschlussleitung zu dem zweiten Eingangsanschluss verbunden. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit geschaffen, an der Eingangsanschlusseinheit an dem ersten Eingangsanschluss und dem Neutralleiteranschluss eine Wechselspannung bereitzustellen. Bevorzugt wird eine Gleichspannung am Zwischenanschluss mittels der ersten und der zweiten Halbbrücke in eine gewünschte Wechselspannung gewandelt und an dem ersten Eingangsanschluss und dem Neutralleiteranschluss als eine Wechselspannung bereitgestellt. Die elektrische Energie am Zwischenanschluss wird dabei bevorzugt von einer an das Ladegerät angeschlossenen Batterie, bevorzugt eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs, über einen an den Zwischenanschluss angeschlossenen bidirektionalen DC/DC Wandler bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Anschlussleitung in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung aufteilt. Ein zweites Schaltelement ist vorgesehen, welches zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und dem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss über den ersten Teil und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel zu leiten oder einen Ladestrom von der ersten Anschlussleitung über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel zu leiten.
Ein zweites Schaltelement, bevorzugt ein zweiter Wechsler, ist zwischen einem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und einem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung angeordnet. Je nach Schaltstellung des zweiten Schaltelementes wird somit ein Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss über den ersten Teil und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel geleitet oder ein Ladestrom von der ersten Anschlussleitung über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel geleitet. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit geschaffen, einen einphasigen Ladestrom, der über die erste Anschlussleitung fließt, teilweise abzuzweigen und über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel und zweiten Halbbrücke zu leiten. Somit kann die Belastung der ersten Drossel und der ersten Halbbrücke, bevorzugt bei Vorliegen eines einphasigen Ladestromes, reduziert werden. Bevorzugt ergibt sich ein einphasiger Ladestrom beim Anschließen einer einphasigen Wechselspannung am Eingangsanschluss. Weiter vorteilhaft kann mittels dem zweiten Schaltelement der erste Teil der zweiten Anschlussleitung von der PFC- Stufe und damit von dem ersten und zweiten Kondensator entkoppelt werden. Bevorzugt wird somit erst nach Aufladen des ersten und des zweiten Kondensators der erste Teil der zweiten Anschlussleitung mit der PFC Stufe verbunden. Bevorzugt wird somit ein Einschaltstrom beim Zuschalten des ersten Teils der zweiten Anschlussleitung unterbunden. Bevorzugt kann ein Vorladewiderstand zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung entfallen. Bevorzugt wird aufgrund der Ausgestaltung des zweiten Schaltelementes als zweiter Wechsler ein Kurzschluss zwischen der ersten Anschlussleitung und dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung unterbunden. Bevorzugt wäre ein Kurzschluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss mittels eines fehlerhaft angesteuerten einfachen Schaltelementes möglich, mittels eines zweiten Wechslers kann dieser Fehlerfall bei der Ansteuerung zuverlässig ausgeschlossen werden.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein erstes Schaltelement vorgesehen und dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss und der ersten Anschlussleitung oder der ersten Drossel der P FC-Stufe zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Ein erstes Schaltelement ist zwischen der ersten Anschlussleitung und dem ersten Eingangsanschluss angeordnet. Je nach Schaltstellung wird somit ein Stromfluss oder ein Ladestrom von dem ersten Eingangsanschluss in Richtung der ersten Drossel der P FC-Stufe ermöglicht oder verhindert. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit geschaffen, einen Ladestrom über die erste Anschlussleitung zu unter- brechen oder einzuschalten. Bevorzugt ist dem ersten Schaltelement ein Heißleiter oder NTC-Widerstand parallel geschaltet, der zur Begrenzung eines Einschaltstroms genutzt wird. Bevorzugt fließt der Einschaltstrom vom ersten Eingangsanschluss über die P FC-Stufe in den ersten und/ oder den zweiten Kondensator. Bevorzugt bei niedrigen Temperaturen ist der Widerstand des Heißleiters hoch und verringert den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt sich der Heißleiter durch den Stromfluss und verliert seinen hohen Anfangswiderstand. Bevorzugt zur Reduktion der Verluste des Heißleiters wird dieser mittels Schließen des ersten Schaltelementes bei im Wesentlichen aufgeladenen ersten und/ oder zweiten Kondensator überbrückt.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein drittes Schaltelement vorgesehen und dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom zwischen dem dritten Eingangsanschluss und der dritten Anschlussleitung oder der dritten Drossel der P FC-Stufe zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Ein drittes Schaltelement ist zwischen der dritten Anschlussleitung und dem dritten Eingangsanschluss angeordnet. Je nach Schaltstellung wird somit ein Stromfluss oder ein Ladestrom von dem dritten Eingangsanschluss in Richtung der dritten Drossel der P FC-Stufe ermöglicht oder verhindert. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit geschaffen, einen Ladestrom, bevorzugt bei Vorliegen eines dreiphasigen Ladestromes, über die dritte Anschlussleitung zu unterbrechen oder einzuschalten. Bevorzugt ist dem dritten Schaltelement ein Heißleiter oder NTC-Widerstand parallel geschaltet, der zur Begrenzung eines Einschaltstroms genutzt wird. Bevorzugt fließt der Einschaltstrom vom dritten Eingangsanschluss über die PFC- Stufe in den ersten und/oder den zweiten Kondensator. Bevorzugt bei niedrigen Temperaturen ist der Widerstand des Heißleiters hoch und verringert den Einschaltstrom. Nach dem Einschalten erwärmt sich der Heißleiter durch den Stromfluss und verliert seinen hohen Anfangswiderstand. Bevorzugt zur Reduktion der Verluste des Heißleiters wird dieser mittels Schließen des dritten Schaltelementes bei im Wesentlichen aufgeladenen ersten und/ oder zweiten Kondensator überbrückt.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein siebtes Schaltelement zwischen dem Mittenabgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode und einem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet.
Ein siebtes Schaltelement ist zwischen den Mitten abgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode und den Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator geschaltet. Je nach Schaltstellung wird somit ein Stromfluss zwischen den Mitten abgriffen der Diodenreihenschaltung und der Kondensatorenreihenschaltung ermöglicht oder verhindert. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit geschaffen, einen Stromfluss, bevorzugt bei Vorliegen eines zwei- oder dreiphasigen Ladestromes, zwischen dem Mittenabgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode und dem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator zu unterbrechen oder einzuschalten. Bevorzugt wird das siebte Schaltelement geschlossen für den Betrieb des Ladegerätes mit asymmetrischer Belastung. Eine asymmetrische Belastung liegt bei einem Betrieb mit einem 2-Phasen Netz oder auch bei asymmetrischer Belastung bei einem Betrieb mit einem 3- Phasen Netz vor, also zweiphasiger oder dreiphasiger Wechselspannung. In diesen Fällen fließt über das geschlossene siebte Schaltelement der resultierende Strom auf dem Neutralleiter. Bei einer symmetrischen Belastung sind die Wechselspannungen auf der ersten, zweiten und dritten Anschlussleitung gleich groß und die Phasenverschiebung der Wechselspannungen untereinander beträgt jeweils 120 Grad. In diesem Fall ist die Summe der Phasenströme und der resultierende Strom auf dem Neutralleiter gleich Null. Bei einer asymmetrischen Belastung sind die Wechselspannungen auf der ersten, zweiten und dritten Anschlussleitung nicht alle gleich groß und/ oder die Phasenverschiebung der Wechselspannungen untereinander beträgt nicht jeweils 120 Grad. In diesem Fall ist die Summe der Phasenströme und der resultierende Strom ungleich Null. Bevorzugt wird bei geschlossenem Schaltelement ein Stromfluss für diesen Summenstrom über den Neutralleiter zum Neutralleiteranschluss ermöglicht.
In einer anderen Ausgestaltung wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss eine an dem positiven Zwischenanschluss und an dem negativen Zwischenanschluss bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss und am zweiten Wechselspannungsanschluss bereitgestellt, wobei das vierte Schaltelement eine Verbindung von dem Mittenabgriff der dritten Halbbrücke über die dritte Drossel zum ersten Wechselspannungsanschluss herstellt und das sechste Schaltelement eine Verbindung von dem Mitten a bgriff der vierten Halbbrücke zum zweiten Wechselspannungsanschluss herstellt.
Vorteilhaft wird das vierte und das sechste Schaltelement so geschaltet, dass eine Bereitstellung einer regelbaren Wechselspannung am zweipoligen Wechselspannungsanschluss ermöglicht wird. Die Gleichspannung am Zwischenanschluss wird mittels der dritten und der vierten Halbbrücke, bevorzugt mittels Filterung über die dritte Drossel und einem vierten Kondensator zwischen dem ersten und dem zweiten Wechselspannungsanschluss, in eine gewünschte Wechselspannung gewandelt. Somit wirken die dritte und die vierte Halbbrücke wie ein Wechselrichter zur Erzeugung einer, bevorzugt einphasigen, Wechselspannung aus einer Gleichspannung am zweipoligen Wechselspannungsanschluss.
In einer anderen Ausgestaltung wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss
- entweder eine an der Eingangsanschlusseinheit bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss und am negativen Zwischenanschluss bereitgestellt, wobei ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung und die zweite Anschlussleitung, oder mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung, über die PFC-Stufe zum Zwischenanschluss geleitet wird und bevorzugt der gesamte Ladestrom über den Neutralleiter zurückgeführt wird,
- oder eine seitens eines an den Zwischenanschluss angeschlossenen bidirektionalen Gleichspannungswandler und einer daran angeschlossenen Batterie, bevorzugt Traktionsbatterie, bereitgestellte Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss und am negativen Zwischenanschluss bereitgestellt, wobei dazu der bidirektionale Gleichspannungswandler die Spannung der Batterie auf die bereitzustellende Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss und am negativen Zwischenanschluss wandelt.
Vorteilhaft wird eine Topologie bereitgestellt, die ein Bereitstellen einer Gleichspannung am Zwischenanschluss ermöglicht, wobei die Energie dafür einerseits von einer externen Energiequelle bereitgestellt werden kann oder von einer Batterie, bevorzugt fahrzeugintern, bereitgestellt wird. In einer Ausgestaltung ist das Ladegerät dazu eingerichtet, an der Eingangsanschlusseinheit an dem ersten Eingangsanschluss und dem Neutralleiteranschluss eine Wechselspannung bereitzustellen, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie an dem ersten Eingangsanschluss und an dem Neutralleiteranschluss eine an dem positiven Zwischenanschluss und an dem negativen Zwischenanschluss bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Eingangsanschluss und am Neutralleiteranschluss bereitgestellt wird, wobei ein Strom zwischen dem positiven Zwischenanschluss und dem ersten Eingangsanschluss über die erste Drossel geleitet wird und ein Strom zwischen negativen Zwischenanschluss und dem Neutralleiteranschluss über die zweite Drossel geleitet wird.
Vorteilhaft wird eine Topologie bereitgestellt, die ein Bereitstellen einer Wechselspannung an dem ersten Eingangsanschluss und dem Neutralleiteranschluss ermöglicht, wobei die Energie dafür von einer Batterie, bevorzugt fahrzeugintern, bereitgestellt wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Ladegerät, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Traktionsbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.
Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einem Ladegerät mit einer vereinfachten Schaltungstopologie bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines wie oben vorgestellten Ladegerätes mit dem Schritt: Ansteuern des vierten und des sechsten Schaltelementes und sowie der High-Side und Low-Side Schalter der dritten und vierten Halbbrücke zum Bereitstellen von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss. Mittels der Ansteuerung der Schalter der dritten und vierten Halbbrücke und Schließen des vierten und sechsten Schaltelementes wird eine an dem Zwischenanschluss anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung gewandelt, die am zweipoligen Wechselspannungsanschluss anliegt. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine Bereitstellung einer regelbaren Wechselspannung am zweipoligen Wechselspannungsanschluss ermöglicht wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Ladegeräts entsprechend auf das Verfahren bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät
Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät, Figur 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem ersten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem zweiten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät
Figur 5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem dritten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät
Figur 6 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,
Figur 7 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt ein Ladegerät 500, bevorzugt für ein Fahrzeug. Das Ladegerät 500 umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer ein- bis dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC-Stufe 200 zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss 300. Die PFC-Stufe 200 des Ladegerätes 500 umfasst eine erste 210, eine zweite 220 und eine dritte 230 Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke 210, 220, 230 umfasst jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter 211, 213, 215 und einem Low-Side-Schalter 212, 214, 216. Jeweils ein Mitten abgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss LI, L2, L3 der Eingangsanschlusseinheit 100 über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung 110, 120, 130 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke 210 über die erste Drossel 202 über die erste Anschlussleitung 110 mit dem ersten Eingangsanschluss LI verbindbar. Somit ist der Mitten abgriff der zweiten Halbbrücke 220 über die zweite Drossel 204 über die zweite Anschlussleitung 120 mit dem zweiten Eingangsanschluss L2 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke 230 über die dritte Drossel 206 über die dritte Anschlussleitung 130 mit dem dritten Eingangsanschluss L3 verbindbar. Die Halbbrücken 210, 220, 230 sind parallel geschaltet. Deren Enden sind mit dem zweipoligen Zwischenanschluss 300 verbunden. Die High-Side-Schalter sind mit einem positiven Zwischenanschluss 310 und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss 320 verbunden. An den Zwischenanschluss 300 ist bevorzugt ein Gleichspannungswandler 450 angeschlossen. Die Gleichspannung an dem Zwischenanschluss 300, die eingangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegt, wird bevorzugt in eine Ladespannung gewandelt zum Laden einer ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anschließbaren Batterie 470, bevorzugt einer Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie. Bevorzugt ist parallel zu der Batterie 470 ein weiterer Gleichspannungswandler 460, bevorzugt ein Tiefsetzsteller, angeschlossen, zur Wandlung der Ladespannung in eine Niedervoltspannung zum Laden einer Niedervoltbatterie 462 und zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte eines Fahrzeugs. Die Niedervoltbatterie 462, wie bevorzugt auch weitere nicht dargestellte Niederspannungsverbraucher, sind an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen. Bevorzugt ist der weitere Gleichspannungswandler 460 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Bevorzugt kann so der weitere Gleichspannungswandler 460 zum Vorladen des Hochspannungszwischenkreises verwendet werden, bevor die Batterie 470 an das Ladegerät 500 angeschlossen wird. Der Hochspannungszwischenkreis liegt ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 an. Bevorzugt ist an das Bordnetz ein Wechselrichter 480 angeschlossen, der die Niedervoltspannung in eine Wechselspannung wandelt zur Versorgung haushaltsüblicher Verbraucher. Bevorzugt werden haushaltsübliche Verbraucher mit einer Wechselspannung versorgt, die, je nach Region unterschiedlich, ca. 120 Volt oder 230-240 Volt beträgt. Hierzu können Wechselspannungsverbraucher an den ersten Anschlusspol 482 und an den zweiten Anschlusspol 484 angeschlossen werden.
Ausgehend von dem Ladegerät 500 nach Figur 1 umfasst das erfindungsgemäße Ladegerät 500 nach Figur 2 einen zweipoligen Wechselspannungsanschluss 400. Zur Bereitstellung einer Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss 400 umfasst das Ladegerät 500 eine vierte Halbbrücke 240, die zu der ersten, zweiten und dritten Halbbrücke 210, 220, 230 parallel geschaltet ist, mit einem High-Side- Schalter 217 und einem Low-Side-Schalter 218, wobei ein Mitten abgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter der vierten Halbbrücke 240 über ein sechstes Schaltelement S6 mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss 420 des zweipoligen Wechselspannungsanschluss 400 schaltbar verbunden ist und wobei ein viertes Schaltelement S4 vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, eine Verbindung über die dritte Drossel 206 zwischen der dritten Halbbrücke 230 und einem ersten Wechselspannungsanschluss 410 oder eine Verbindung über die dritte Drossel 206 zwischen der dritten Halbbrücke 230 und der dritten Anschlussleitung 130 zu dem dritten Eingangsanschluss L3 herzustellen. Bevorzugt ist der zweipolige Wechselspannungsanschluss dazu eingerichtet, im Betrieb haushaltsübliche Verbraucher zu versorgen. Bevorzugt werden haushaltsübliche Verbraucher mit einer Wechselspannung versorgt, die, je nach Region unterschiedlich, ca. 120 Volt oder 230-240 Volt beträgt.
Bevorzugt umfasst die Eingangsanschlusseinheit 100 weiter einen Neutralleiteranschluss NI. Den Halbbrücken 210, 220, 230, 240 ist eine Reihenschaltung einer ersten Dl und einer zweiten D2 Diode parallel geschaltet. Die erste und die zweite Diode Dl, D2 sind in Sperrrichtung geschaltet und verhindern einen Stromfluss von dem positiven Zwischenanschluss 310 zum negativen Zwischenanschluss 320 und ermöglichen einen Stromfluss von dem negativen Zwischenanschluss 320 zum positiven Zwischenanschluss 310. Ein Mittenabgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode Dl, D2 ist über einen Neutralleiter 140 mit dem Neutralleiteranschluss NI verbunden. Den Halbbrücken 210, 220, 230, 240 ist eine Reihenschaltung aus einem ersten CI und einem zweiten C2 Kondensator parallel geschaltet. Ein fünftes Schaltelement S5 ist vorgesehen und dazu eingerichtet, die einerseits mit der zweiten Halbbrücke 220 verbundene zweite Drossel 204 entweder mit dem Neutralleiter 140 oder mit der zweiten Anschlussleitung 120 zu dem zweiten Eingangsanschluss L2 zu verbinden.
Bevorzugt ist die zweite Anschlussleitung 120 in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_l und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 aufgeteilt. Hierzu ist ein zweites Schaltelement S2 vorgesehen ist, welches zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_l und dem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 angeordnet ist. Das zweite Schaltelement S2 ist dazu eingerichtet, einen Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss L2 über den ersten Teil und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_l, 120_2 zu der zweiten Drossel 204 zu leiten oder einen Ladestrom von der ersten Anschlussleitung 110 über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 zu der zweiten Drossel 204 zu leiten.
Bevorzugt ist ein erstes Schaltelement S1 vorgesehen und dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss LI und der ersten Anschlussleitung 110 zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Bevorzugt ist ein drittes Schaltelement S3 vorgesehen und dazu eingerichtet, einen Ladestrom zwischen dem dritten Eingangsanschluss L3 und der dritten Anschlussleitung 130 zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Bevorzugt sind dem ersten S1 und dem dritten S3 Schaltelement Vorladewiderstände, bevorzugt schaltbare Widerstände, Heißleiter oder NTC-Widerstände, parallel geschaltet, damit ein Anlaufstrom beim Anschließen einer Wechselspannung an die Eingangsanschlusseinheit 100 abklingt und begrenzt wird, bevor das erste und das dritte Schaltelement Sl, S3 geschlossen wird.
Bevorzugt ist ein siebtes Schaltelement S7 zwischen dem Mitten abgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode Dl, D2 und einem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator Cl, C2 angeordnet.
Bevorzugt ist jeweils an der ersten, zweiten und dritten Drossel 202, 204, 206 ein Stromsensor (A) angeordnet zur Ermittlung des Stroms durch die jeweilige Drossel 202, 204, 206. In Abhängigkeit der ermittelten Ströme werden bevorzugt die High- Side-Schalter und die Low-Side-Schalter sowie die Schaltelemente angesteuert zur Umsetzung der gewünschten Betriebsmodi. Bevorzugt sind jeweils Spannungssensoren (V) zwischen der ersten, der zweiten und der dritten Anschlussleitung 110, 120, 130 und dem Neutralleiter 140 angeordnet zur Ermittlung der Spannungen. Bevorzugt ist ebenso jeweils ein Spannungssensor (V) zwischen dem positiven und dem negativen Zwischenanschluss 310, 320 sowie zwischen dem Mitten abgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator Cl, C2 und dem negativen Zwischenanschluss 320 angeordnet. In Abhängigkeit der ermittelten Spannungen werden bevorzugt die High-Side-Schalter und die Low-Side-Schalter sowie die Schaltelemente angesteuert zur Umsetzung der gewünschten Betriebsmodi. Bevorzugt ist der negative Zwischenanschluss 320 mit Masse GND AC verbunden. Bevorzugt ist GND AC ein internes Spannungspotential.
Bevorzugt sind die Schaltelemente als Halbleiterschalterbauelemente (IGBT oder MOSFETS, basierend auf Si, SiC oder GaN) oder als Schütze oder Relais vorgesehen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem ersten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät 500. Bevorzugt wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss 400 eine an dem positiven Zwischenanschluss 310 und an dem negativen Zwischenanschluss 320 bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss 410 und am zweiten Wechselspannungsanschluss 420 bereitgestellt. Bevorzugt stellt hierzu das vierte Schaltelement S4 eine Verbindung von dem Mittenabgriff der dritten Halbbrücke 230 über die dritte Drossel 206 zum ersten Wechselspannungsanschluss 410 her und das sechste Schaltelement S6 stellt eine Verbindung von dem Mittenabgriff der vierten Halbbrücke 240 zum zweiten Wechselspannungsanschluss 420 her. Folglich ergibt sich der in der Figur 3 dargestellte Stromverlauf von dem positiven Zwischenanschluss 310 über die dritte Halbbrücke 230 und die dritte Drossel 206 über das vierte Schaltelement S4, bevorzugt über einen Filter 404, bevorzugt ein EMV-Filter, zu dem ersten Wechselspannungsanschluss 410 und von dem zweiten Wechselspannungsanschluss 420 über das geschlossene Schaltelement S6 zurück über die vierte Halbbrücke 240 zu dem negativen Zwischenanschluss 320. Bevorzugt filtert ein vierter Kondensator C4 zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss 410 und dem zweiten Wechselspannungsanschluss 420 unterstützend die bereitzustellende Wechselspannung. Zusammenfassend wird eine Bereitstellung von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss 400 ermöglicht. Dieser zweipolige Wechselspannungsanschluss 400 wird bevorzugt mittels einer Steckdose, fahrzeugintern oder fahrzeugextern, bereitgestellt, bevorzugt zur Versorgung angeschlossener, bevorzugt haushaltsüblicher, Verbraucher 402. Die elektrische Energie am Zwischenanschluss 300 kann dabei seitens einer an den ein- bis dreiphasig an den Eingangsanschluss angeschlossenen Energiequelle bereitgestellt werden und/ oder einer, bevorzugt über den Gleichspannungswandler 450, angeschlossenen Batterie 470. Hierzu ist der Gleichspannungswandler 450 als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgestaltet. Der Gleichspannungswandler 450 wandelt dabei die Gleichspannung der Batterie 470 in die Gewünschte Gleichspannung am Zwischenanschluss 300.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem zweiten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät. Bevorzugt wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss 300 eine an der Eingangsanschlusseinheit 100 bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe 200 zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss 310 und am negativen Zwischenanschluss 320 bereitgestellt. Bevorzugt wird dabei ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung 110 und die zweite Anschlussleitung 120, oder mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2, über die PFC-Stufe 200 zum Zwischenanschluss 300 geleitet. Bevorzugt wird der gesamte Ladestrom über den ersten und zweiten Kondensator Cl, C2 gefiltert und über die Diode D2 und den Neutralleiter 140 zum Neutralleiteranschluss NI zurückgeführt. Bevorzugt wird ein dreiphasiger Wechselstrom einer an der Eingangsanschlusseinheit angeschlossenen dreiphasigen Wechselspannungsquelle über alle drei Anschlussleitungen 110, 120, 130 bei geschlossenen ersten und dritten Schaltelementen S1 S3 über die erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 zum Zwischenanschluss geleitet. Bevorzugt wird ein dreiphasiger Wechselstrom einer an der Eingangsanschlusseinheit angeschlossenen dreiphasigen Wechselspannungsquelle über die erste und die zweite Anschlussleitung 110, 120 bei geschlossenen ersten S1 und geöffneten dritten S3 Schaltelement über die erste und zweite Drossel 202 und 204 zum Zwischenanschluss geleitet. Aufgrund der sich ergebenden asymmetrischen Belastung des Ladegerätes 500 wird bevorzugt mittels des Schaltelementes S7 die Verbindung zwischen dem Mitten abgriff der Reihenschaltung des ersten und des zweiten Kondensators Cl, C2 und dem Mittenabgriff der Reihenschaltung der ersten und der zweiten Diode Dl, D2 geschlossen. Das geschlossene Schaltelement S7 ermöglicht einen alternativen Pfad zum Zurückführen des Ladestroms, oder des resultierenden Stroms, über den Neutralleiter 140. Bevorzugt wird ein einphasiger Wechselstrom einer an der Eingangsanschlusseinheit angeschlossenen einphasigen Wechselspannungsquelle mittels einer Brücke 150, einer galvanischen Verbindung, zwischen dem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss LI, L2, L3 über alle drei Anschlussleitungen 110, 120, 130 bei geschlossenen ersten und dritten Schaltelementen S1 S3 über die erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 zum Zwischenanschluss geleitet. Bevorzugt wird ein einphasiger Wechselstrom einer an der Eingangsanschlusseinheit angeschlossenen einphasigen Wechselspannungsquelle mittels einer Brücke 150, einer galvanischen Verbindung, zwischen dem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss LI, L2, L3 über die erste und die zweite Anschlussleitung 110, 120 bei geschlossenen ersten S1 und geöffneten dritten S3 Schaltelement über die erste und zweite Drossel 202 und 204 zum Zwischenanschluss geleitet. Bevorzugt wird die Brücke 150 in Ladegeräten 500 verwendet, die in Regionen auf der Welt eingesetzt werden, in denen die Infrastruktur und das öffentliche Stromnetz nur einphasige Wechselspannungsquellen als externe Wechselspannungsquellen bereitstellen. Bevorzugt wird ein einphasiger Wechselstrom einer am ersten Eingangsanschluss LI der Eingangsanschlusseinheit 100 angeschlossenen einphasigen Wechselspannungsquelle mittels des zweiten Schaltelementes S2 über die erste Anschlussleitung 110 und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung 120_2 bei geschlossenen ersten S1 über die erste und zweite Drossel 202 und 204 zum Zwischenanschluss geleitet. Zusammenfassend werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss 300 bereitgestellt. Diese unterschiedlichen Möglichkeiten entsprechen dem Stromverlauf bei einem Ladebetrieb, bei dem Energie einer externen an den Eingangsanschluss 100 angeschlossenen Energiequelle an den Zwischenanschluss 300 übertragen wird. Bevorzugt wird der zweite Betriebsmodus allein ausgeführt. Bei den Möglichkeiten des zweiten Betriebsmodus mit geöffneten Schaltelement S3 wird bevorzugt der erste Betriebsmodus, die Bereitstellung von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss 400, gleichzeitig ausgeführt.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strom- bzw. Energiefluss bei einem dritten Betriebsmodus der Schaltungstopologie für ein Ladegerät. Bevorzugt wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie an dem ersten Eingangsanschluss LI und dem Neutralleiteranschluss NI eine an dem posi- tiven Zwischenanschluss 310 und an dem negativen Zwischenanschluss 320 bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Eingangsanschluss LI und am Neutralleiteranschluss 420 bereitgestellt. Bevorzugt wird ein Strom zwischen dem positiven Zwischenanschluss 310 und dem ersten Eingangsanschluss LI über die erste Halbbrücke 210 und die erste Drossel 202 geleitet. Bevorzugt ist hierzu das erste Schaltelement S1 geschlossen. Ein Strom zwischen negativen Zwischenanschluss 320 und dem Neutralleiteranschluss NI wird über die zweite Halbbrücke 220 und die zweite Drossel 204 geleitet, wobei das fünfte Schaltelement S5 einen Stromfluss von der zweiten Drossel 204 über den Neutralleiter 140 zum Neutralleiteranschluss NI ermöglicht. Bevorzugt filtert ein dritter Kondensator C3 zwischen der ersten Anschlussleitung 110 und dem Neutralleiter 140 unterstützend die bereitzustellende Wechselspannung. Bevorzugt ist die bereitgestellte Wechselspannung dazu vorgesehen, haushaltsübliche Verbraucher zu versorgen. Bevorzugt werden haushaltsübliche Verbraucher mit einer Wechselspannung versorgt, die, je nach Region unterschiedlich, ca. 120 Volt oder 230-240 Volt beträgt. Zusammenfassend wird eine Bereitstellung von elektrischer Energie, einer regelbaren Wechselspannung, an dem ersten Eingangsanschluss LI und dem Neutralleiteranschluss NI ermöglicht. Diese elektrische Energie wird bevorzugt mittels einer Steckdose fahrzeugextern bereitgestellt, bevorzugt zur Versorgung angeschlossener, bevorzugt haushaltsüblicher, weiterer Verbraucher. Die elektrische Energie am Zwischenanschluss 300 wird hierzu seitens einer, bevorzugt über den Gleichspannungswandler 450, angeschlossenen Batterie 470 bereitgestellt. Hierzu ist der Gleichspannungswandler 450 als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgestaltet. Bevorzugt wird der dritte Betriebsmodus allein oder gleichzeitig mit dem ersten Betriebsmodus ausgeführt.
Die Figur 6 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 700 mit einem Antriebsstrang 600 mit einem Ladegerät 500. Das Fahrzeug 700 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 600 umfasst mindestens ein Ladegerät 500. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine Batterie 470, einen Wechselrichter 472 und oder eine elektrische Maschine 474. Figur 7 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 800 zum Betrieb eines Ladegeräts 500. Das Verfahren 800 startet mit dem Schritt 805. In Schritt 810 werden das vierte und das sechste Schaltelement S4, S6 sowie die High-Side und Low-Side Schalter der dritten und vierten Halbbrücke 210, 220, 230, 240 zum Bereitstellen von elektrischer Energie am zweipoligen
Wechselspannungsanschluss 400 angesteuert. Mit Schritt 815 endet das Verfahren.

Claims

Ladegerät für ein Fahrzeug, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer ein- oder dreiphasigen Wechselspannung, eine PFC- Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss (300) und einen zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400) zum Bereitstellen einer Wechselspannung umfasst, wobei die P FC-Stufe (200) eine erste (210), eine zweite (220) und eine dritte (230) Halbbrücke umfasst, wobei die erste, zweite und dritte Halbbrücke (210, 220, 230) jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter (211, 213, 215) und einem Low-Side- Schalter (212, 214, 216) umfassen, wobei jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel (202, 204, 206) mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss (LI, L2, L3) der Eingangsanschlusseinheit (100) über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung (110, 120, 130) verbindbar ist, wobei die Halbbrücken (210, 220, 230) parallel geschaltet sind und deren Enden mit dem zweipoligen Zwischenanschluss (300) verbunden sind, wobei die High- Side-Schalter mit einem positiven Zwischenanschluss (310) und die Low-Side- Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss (320) verbunden sind, wobei das Ladegerät eine vierte Halbbrücke (240) umfasst, die zu der ersten, zweiten und dritten Halbbrücke (210, 220, 230) parallel geschaltet ist, mit einem High-Side-Schalter (217) und einem Low-Side-Schalter (218), wobei ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter der vierten Halbbrücke (240) über ein sechstes Schaltelement (S6) mit einem zweiten Wechselspannungsanschluss (420) des zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400) schaltbar verbunden ist und wobei ein viertes Schaltelement (S4) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, eine Verbindung über die dritte Drossel (206) zwischen der dritten Halbbrücke (230) und einem ersten Wechselspannungsanschluss (410) des zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400) oder eine Verbindung über die dritte Drossel (206) zwischen der dritten Halbbrücke (230) und der dritten Anschlussleitung (130) zu dem dritten Eingangsanschluss (L3) herzustellen. Ladegerät nach Anspruch 1, wobei die Eingangsanschlusseinheit (100) weiter einen Neutralleiteranschluss (NI) umfasst, wobei den Halbbrücken eine Reihenschaltung einer ersten (Dl) und einer zweiten (D2) Diode parallel geschaltet ist, wobei die erste und die zweite Diode (Dl, D2) in Sperrrichtung geschaltet sind und einen Stromfluss von dem positiven Zwischenanschluss (310) zum negativen Zwischenanschluss (320) unterbinden und einen Stromfluss von dem negativen Zwischenanschluss (320) zum positiven Zwischenanschluss (310) ermöglichen, wobei ein Mitten abgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode (Dl, D2) über einen Neutralleiter (140) mit dem Neutralleiteranschluss (NI) verbunden ist, wobei den Halbbrücken (210, 220, 230) eine Reihenschaltung aus einem ersten (CI) und einem zweiten (C2) Kondensator parallel geschaltet ist, wobei ein fünftes Schaltelement (S5) vorgesehen ist, welches dazu eingerichtet ist, die einerseits mit der zweiten Halbbrücke (220) verbundene zweite Drossel (204) entweder mit dem Neutralleiter (140) oder mit der zweiten Anschlussleitung (120) zu dem zweiten Eingangsanschluss (L2) zu verbinden.
3. Ladegerät nach Anspruch 2, wobei die zweite Anschlussleitung (120) sich in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_l) und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2) aufteilt, wobei ein zweites Schaltelement (S2) vorgesehen ist, welches zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_l) und dem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2) angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss (L2) über den ersten Teil und den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_l, 120_2) zu der zweiten Drossel (204) zu leiten oder einen Ladestrom von der ersten Anschlussleitung (110) über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2) zu der zweiten Drossel (204) zu leiten. 4. Ladegerät nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei ein erstes Schaltelement (Sl) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss (LI) und der ersten Anschlussleitung (110) zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
5. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein drittes Schaltelement (S3) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, einen Ladestrom zwischen dem dritten Eingangsanschluss (L3) und der dritten Anschlussleitung (130) zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein siebtes Schaltelement (S7) zwischen dem Mitten abgriff zwischen der ersten und der zweiten Diode (Dl, D2) und einem Mittenabgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator (Cl, C2) angeordnet ist.
7. Ladegerät nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400) eine an dem positiven Zwischenanschluss (310) und an dem negativen Zwischenanschluss (320) bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Wechselspannungsanschluss (410) und am zweiten Wechselspannungsanschluss (420) bereitgestellt wird, wobei das vierte Schaltelement (S4) eine Verbindung von dem Mittenabgriff der dritten Halbbrücke (230) über die dritte Drossel (206) zum ersten Wechselspannungsanschluss (410) herstellt und das sechste Schaltelement (S6) eine Verbindung von dem Mittenabgriff der vierten Halbbrücke (240) zum zweiten Wechselspannungsanschluss (420) herstellt.
8. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss (300)
- entweder eine an der Eingangsanschlusseinheit (100) bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe (200) zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss (310) und am negativen Zwischenanschluss (320) bereitgestellt wird, wobei ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung (110) und die zweite Anschlussleitung (120), oder mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2), über die P FC-Stufe (200) zum Zwischenanschluss (300) geleitet wird und bevorzugt der gesamte Ladestrom über den Neutralleiter (140) zurückgeführt wird,
- oder eine seitens eines an den Zwischenanschluss (300) angeschlossenen bidirektionalen Gleichspannungswandler (550) und einer daran angeschlossenen Batterie (560) bereitgestellte Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss (310) und am negativen Zwischenanschluss (320) bereitgestellt wird, wobei dazu der bidirektionale Gleichspannungswandler die Spannung der Traktionsbatterie auf die bereitzustellende Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss (310) und am negativen Zwischenanschluss (320) wandelt. Ladegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Ladegerät (500) dazu eingerichtet ist, an der Eingangsanschlusseinheit (100) an dem ersten Eingangsanschluss (LI) und dem Neutralleiteranschluss (NI) eine Wechselspannung bereitzustellen, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie an dem ersten Eingangsanschluss (LI) und dem Neutralleiteranschluss (NI) eine an dem positiven Zwischenanschluss (310) und an dem negativen Zwischenanschluss (320) bereitgestellte Gleichspannung zumindest teilweise als Wechselspannung am ersten Eingangsanschluss (LI) und am Neutralleiteranschluss (420) bereitgestellt wird, wobei ein Strom zwischen dem positiven Zwischenanschluss (310) und dem ersten Eingangsanschluss (LI) über die erste Drossel (202) geleitet wird und ein Strom zwischen negativen Zwischenanschluss (320) und dem Neutralleiteranschluss (NI) über die zweite Drossel (204) geleitet wird. Antriebsstrang (600) eines Fahrzeugs (700) mit einem Ladegerät (500) nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Antriebstrang (600) insbesondere eine Traktionsbatterie (470), einen Wechselrichter (472) und/ oder eine elektrische Maschine (474) umfasst. Fahrzeug (700) mit einem Antriebsstrang (600) nach Anspruch 10. Verfahren (800) zum Betrieb eines Ladegerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit dem Schritt:
Ansteuern (810) des vierten und des sechsten Schaltelementes (S4) und (S6) sowie der High-Side und Low-Side Schalter der dritten und vierten Halbbrücke (210, 220, 230, 240) zum Bereitstellen von elektrischer Energie am zweipoligen Wechselspannungsanschluss (400). Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Pro- gramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 12 auszuführen. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 12 auszuführen.
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