EP4595195A1 - Ladegerät und verfahren zum betrieb des ladegerätes - Google Patents

Ladegerät und verfahren zum betrieb des ladegerätes

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EP4595195A1
EP4595195A1 EP23754308.7A EP23754308A EP4595195A1 EP 4595195 A1 EP4595195 A1 EP 4595195A1 EP 23754308 A EP23754308 A EP 23754308A EP 4595195 A1 EP4595195 A1 EP 4595195A1
Authority
EP
European Patent Office
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connection
connection line
voltage
switching element
charger
Prior art date
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Pending
Application number
EP23754308.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Belau
Lukas WIEDITZ
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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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from AC mains by converters
    • H02J7/04—Regulation of charging current or voltage
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

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 and a computer program and a computer-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 capacitor is arranged between the two stages, which buffers the power pulsation at twice the frequency of the alternating current of the energy source.
  • this intermediate circuit is implemented by at least one electrolytic capacitor.
  • a charger for a vehicle having on the input side a multi-phase, n-phase, where n is integer is numerically greater than 1, preferably a three-phase, input connection unit for connecting an n-phase alternating voltage and a PFC stage for providing a direct voltage at a two-pole intermediate connection.
  • the intermediate connection comprises a positive intermediate connection and a negative intermediate connection.
  • the PFC stage comprises an n-th half-bridge for each phase of the n-phases.
  • a half-bridge each comprises a series connection with a high-side switch and a low-side switch.
  • a center tap between the high-side switch and the low-side switch of a half-bridge can be connected via a choke to one of the n-input connections of the n-phase input connection unit via an n-th connecting line.
  • the center tap of the first half-bridge can be connected to the first input connection via the first choke via the first connecting line.
  • the center tap of the second half-bridge can be connected to the second input connection via the second choke via the second connecting line, and so on.
  • the n-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 connection and the low-side switches to a negative intermediate connection of the two-pole intermediate connection.
  • An intermediate capacitor is connected between the positive intermediate connection and the negative intermediate connection. This intermediate capacitor is part of the voltage intermediate circuit.
  • 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 conduct a charging current from the second input connection via the first part and the second part of the second connection line to the second choke or to conduct a charging current from the first connection line via the second part of the second connection line to the second choke.
  • a second switching element preferably a second changeover contact, 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 supplied from the second input terminal via the first part and the second part of the second connection line to the second choke or a charging current is passed from the first connecting line via the second part of the second connecting line to the second choke.
  • 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 during control can be reliably ruled out using the second changeover contact.
  • a switching element corresponding to the second switching element and its arrangement is also installed in further phases, in addition to the first and second phases of a PFC stage, in order to also dispense with a precharging resistor in the further phases.
  • the intermediate capacitor is charged until the voltage at the intermediate capacitor corresponds to or exceeds a predeterminable voltage value.
  • the control of the second switching element for the charging process of the intermediate capacitor is carried out until the voltage at the intermediate capacitor corresponds to or exceeds a predeterminable voltage value.
  • the voltage at the intermediate capacitor is determined using a determination unit or measuring device and compared with the predeterminable voltage value.
  • This predeterminable voltage value is specified or corresponds to the voltage present at the second input connection.
  • the voltage at the second input connection is preferably determined using a suitable determination unit or measuring device and is preferably specified as a voltage value depending on the amount of the maximum amplitude.
  • the voltage value is preferably specified depending on the connected alternating voltage or the region in which the charger is operated, or preferably read out from a characteristic map and specified.
  • 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, the second switching element being controlled in such a way that a charging current via at least the first connection line and the second connection line, or via at least the first connection line and at least the second part of the second connection line, and via the PFC stage to the intermediate connection.
  • the charger converts electrical energy provided at the input connection unit, the provided alternating voltage or the provided alternating current, into a charging voltage for charging a battery, preferably for charging a vehicle battery.
  • the charger has a two-stage structure. Using the first stage, the PFC stage, the sinusoidal input voltage from the AC voltage network is converted into a DC voltage on the intermediate voltage circuit.
  • a downstream DC-DC converter which preferably ensures galvanic isolation via a transformer, the voltage levels are adjusted and the charging voltage and charging current for charging the battery are provided on the output side by means of a circuit and a control system.
  • the second switching element is preferably controlled in such a way that a charging current is conducted via at least the first connection line and at least the second part of the second connection line and via the PFC stage to the intermediate connection.
  • the charging current within the PFC stage is preferably distributed over two phases, thus reducing the load on the electronic components.
  • the charger can advantageously be used in single-phase operation with a higher charging current than in be operated in multi-phase operation.
  • the second switching element is preferably controlled in such a way that a charging current is conducted to the intermediate connection via at least the first connection line and also the second connection line and via the PFC stage.
  • the charging current from the AC voltage network is preferably routed directly via the PFC stage to the intermediate connection for each phase.
  • a topology which enables a direct current voltage to be provided at the intermediate connection for a charging process, the energy for this being provided by an external energy source which provides a multi-phase alternating current voltage at the input connection unit.
  • a first switching element is provided and configured to enable or interrupt a current flow between the first input terminal and the first connection line through the first switching element.
  • a first switching element is arranged between the first connection line and the first input connection.
  • a first switching element is provided and designed to enable or interrupt a current flow between the first input connection and the first connection line or the first choke of the PFC stage. Depending on the switching position, a current flow or a charging current from the first input connection through the first switching element in the direction of the first choke of the PFC stage is thus enabled or prevented.
  • the first switching element provides a possibility of interrupting or switching on a charging current via the first connection line through the first switching element.
  • a pre-charging resistor preferably a PTC resistor
  • the inrush current flows when charging the intermediate capacitor from the first input connection via the pre-charging resistor via the PFC stage into the intermediate capacitor.
  • the pre-charging resistor reduces the inrush current and This prevents an overcurrent.
  • this is bridged by closing the first switching element when the intermediate capacitor is essentially charged.
  • the intermediate capacitor is designed as a series connection of a first capacitor and a second capacitor.
  • the intermediate capacitor is preferably designed as a series connection of a first and a second capacitor.
  • the capacitance of the first capacitor and the second capacitor is preferably the same.
  • a neutral conductor preferably switchable, is preferably connected to a center tap between the first and the second capacitor for connection to a corresponding contact of the input connection unit.
  • a neutral conductor is preferably provided for operation of the charger with asymmetrical loading.
  • An asymmetrical load preferably occurs when operating with a 2-phase network or with asymmetrical loading when operating with a 3-phase network, i.e. two-phase or three-phase alternating voltage. In these cases, a compensating current flows via the neutral conductor back into the alternating voltage network connected on the input side.
  • a suitable circuit topology is provided for connecting a neutral conductor.
  • a third switching element is provided and 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 charging current preferably if there is a three-phase one Charging current can be interrupted or switched on via the third connection line.
  • a precharging resistor preferably a thermistor or PTC 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 terminal via the P FC stage into the first and/or the second capacitor. To avoid losses in the precharging resistor, it is preferably bridged by closing the third switching element when the first and/or second capacitor is essentially charged.
  • the invention further relates to a drive train of a vehicle with a charger as described above, wherein the drive train comprises in particular a traction battery, an inverter and/or an electric machine.
  • the drive train comprises in particular a traction battery, an inverter and/or an electric machine.
  • the invention 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 second switching element, and preferably the first switching element, and the high-side and low-side switches of the half bridges for providing electrical energy at the two-pole intermediate connection.
  • the AC voltage present at the input connection is first used to charge the intermediate capacitor and then permanently converted into a DC voltage to supply the connected DC-DC converter of the charger to generate the charging voltage for the battery to be charged.
  • a method is advantageously provided with which a direct voltage can be provided on the intermediate voltage circuit.
  • 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 relates to a computer-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the described method.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an embodiment of a circuit topology for a charger known from the prior art
  • Figure 2 is a schematic representation of an embodiment of a circuit topology for a charger
  • Figure 3 shows a schematic representation of a vehicle with a drive train with a charger
  • Figure 4 a schematically illustrated flowchart for a method for operating a charger
  • FIG. 1 shows a charger 500, preferably for a vehicle.
  • the charger 500 comprises on the input side an input connection unit 100 for connecting a three-phase alternating voltage shown as an example, 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.
  • 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 202, 204, 206 to a first, second and third input connection LI, L2, L3 of the input connection unit 100 via a first, second and third connection line 110, 120, 130.
  • the center tap of the first half-bridge 210 can thus be connected to the first input connection LI via the first choke 202 via the first connection line 110.
  • the center tap of the second half-bridge 220 can thus be connected to the second input connection L2 via the second choke 204 via the second connection line 120.
  • the center tap of the third half-bridge 230 can thus be connected to the third input connection L3 via the third choke 206 via the third connection 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 to a negative intermediate connection 320.
  • a DC-DC converter 450 is preferably connected to the intermediate connection 300.
  • the direct current voltage at the intermediate connection 300, which is present on the input side of the direct current converter 450, is preferably converted into a charging voltage for charging a battery 470, preferably a traction battery or high-voltage battery, which can be connected on the output side of the direct current converter 450.
  • a further direct current converter 460 is connected in parallel to the battery 470 in order to convert the charging voltage into a low-voltage voltage for charging a low-voltage battery 462 and for supplying an on-board network of a vehicle. to supply the control units of a vehicle.
  • the low-voltage battery 462, as well as preferably other low-voltage consumers 480, are connected to the vehicle's electrical system.
  • the additional DC-DC converter 460 is preferably a bidirectional DC-DC converter.
  • the additional DC-DC converter 460 can preferably be used to precharge the high-voltage intermediate circuit before the battery 470 is connected to the charger 500.
  • the high-voltage intermediate circuit is connected to the output side of the DC-DC converter 450.
  • the charger 500 according to the invention according to Figure 2 comprises an n-phase input connection unit 100 for connecting a multi-phase alternating voltage with n phases, where n is greater than 1.
  • a three-phase input connection unit for connecting a three-phase alternating voltage is shown as an example.
  • the second connection line 120 is divided into a first part of the second connection line 120_l and a second part of the second connection line 120_2.
  • a second switching element S2 is provided, which is arranged between the first part of the second connection line 120_l and the second part of the second connection line 120_2.
  • the second switching element S2 is designed to conduct a charging current from the second input connection L2 via the first part and the second part of the second connection line 120_l, 120_2 to the second choke 204 or to conduct a charging current from the first connection line 110 via the second part of the second connection line 120_2 to the second choke 204.
  • the second switching element S2 is preferably designed as a changeover contact.
  • a first switching element S1 is preferably provided and designed 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 designed 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, PTC resistors or PTC resistors
  • pre-charging resistors are connected in parallel to the first S1 and the third S3 switching elements so that an inrush current is limited when an alternating voltage is connected to the input connection unit 100 before the first and the third switching elements Sl, S3 are closed.
  • the half bridges 210, 220, 230, an intermediate capacitor CZ is connected in parallel.
  • the intermediate capacitor CZ is preferably replaced by a series connection of a first CI and a second C2 capacitor (not shown).
  • a current sensor (not shown) is preferably arranged in series with the first, second and third chokes 202, 204, 206 in order to determine the current through the respective choke 202, 204, 206.
  • a voltage sensor (V) is preferably arranged between the positive and the negative intermediate connection 310, 320 in order to determine or measure the voltage at the intermediate capacitor.
  • the negative intermediate connection 320 is preferably connected to ground GND. GND is preferably an internal voltage potential.
  • the voltage at the intermediate capacitor between the positive intermediate connection 310 and the negative intermediate connection 320 is measured or determined.
  • the voltage at the second input connection against a neutral conductor connection is measured and determined.
  • the switching elements are provided as semiconductor switch components (IGBT or MOSFETS, based on Si, SiC or GaN) or as contactors or relays.
  • FIG. 3 shows a schematically illustrated vehicle 700 with a drive train 600 with a charger 500.
  • vehicle 700 is shown here only as an example with four wheels, whereby the invention can be used equally in any vehicle with any number of wheels on land, on water and in the air.
  • the drive train 600 shown as an example comprises at least one charger 500.
  • the drive train also preferably comprises a battery 470, an inverter 472 and/or an electric machine 474.
  • FIG. 4 shows a schematically illustrated flow chart for a method 800 for operating a charger 500.
  • the method 800 starts with step 805.
  • the second switching element S2 preferably the first switching element Sl, as well as the high-side and low-side switches of the half-bridges 210, 220, 230 are controlled to provide electrical energy to the intermediate capacitor CZ.
  • the method ends with step 815.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Ladegerät für ein Fahrzeug, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer mehrphasigen Wechselspannung und eine PFC-Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss (300) umfasst, wobei eine zweite Anschlussleitung (120) in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_1) und in einen zweiten Teil der zweiten An- schlussleitung (120_2) aufgeteilt ist, wobei ein zweites Schaltelement (S2) vorgesehen ist, welches zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_1) 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_1, 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.

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 computerlesbares 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 Zwischenkondensator angeordnet, der die Leistungspulsation in der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Energiequelle puffert. Typischerweise wird dieser Zwischenkreis durch mindestens einen Elektrolytkondensator 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. Zu Beginn des Ladevorgangs wird das Ladegerät über die eine PFC-Stufe an die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz, oder das AC-Niederspan- nungsnetz, angeschlossen. Die PFC Stufe ist ausgangsseitig mit dem Zwischenkondensator verbunden oder verschaltet, der Teil eines Spannungszwischenkreises ist. Der Spannungszwischenkreis ist bei Anschluss an das AC-Niederspan- nungsnetz entladen. Durch seine geringe Impedanz entsteht beim Zuschalten des AC-Niederspannungsnetzes ein hoher Einschaltstrom, der den Spannungszwischenkreis auflädt. Zur Vermeidung netzseitiger Störungen oder zur Zerstörung von Komponenten der Leistungselektronik, beispielsweise Sicherungsauslösung wegen Überstrom, muss dieser Einschaltstrom begrenzt werden. Eine verbreitete Umsetzung zur Einschaltstrombegrenzung ist die Begrenzung über Vorladewiderstände in den Anschlussleitungen zwischen dem Wechselspannungsnetz und der PFC-Stufe, die während des normalen Betriebes über Relais überbrückt werden. Ein entsprechender Einschaltstrom muss in jeder Anschlussleitung der PFC-Stufe begrenzt werden. Dies erfordert eine Vielzahl an Vorladewiderständen und Relais. Daher besteht Bedarf an einer einfachen und kompakten Lösung, die ein Aufladen des Zwischenkondensators mit weniger Bauteilen ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Ladegerät für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Ladegerät eingangsseitig eine mehrphasige, n-phasige, wobei n ganz- zahlig größer 1 ist, bevorzugt dreiphasige, Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer n-phasigen Wechselspannung und eine PFC-Stufe zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss umfasst. Der Zwischenanschluss umfasst einen positiven Zwischenanschluss und einen negativen Zwischenanschluss. Die PFC-Stufe umfasst je Phase der n-Phasen eine n-te Halbbrücke. Eine Halbbrücke umfasst 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 Drossel mit jeweils einem der n- Eingangsanschlüsse der n- phasigen Eingangsanschlusseinheit über jeweils eine n-te Anschlussleitung verbindbar. Somit ist beispielsweise der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke über die erste Drossel über die erste Anschlussleitung mit dem ersten Eingangsanschluss verbindbar. Somit ist beispielsweise der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke über die zweite Drossel über die zweite Anschlussleitung mit dem zweiten Eingangsanschluss verbindbar, und so weiter. Die n-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. Zwischen den positiven Zwischenanschluss und den negativen Zwischenanschluss ist ein Zwischenkondensator geschaltet. Dieser Zwischenkondensator ist Teil des Spannungszwischenkreis. Die zweite Anschlussleitung ist in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung aufgeteilt. 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 Schaltung für ein Ladegerät mit einem mehrphasigen Wechselspannungseingang bereitgestellt, bei der die Möglichkeit besteht, dass ein Einschaltstrom zum Aufladen des Zwischenkondensators nicht über alle Phasen des Wechselspannungseingangs fließt. Vorteilhaft kann mittels des zweiten Schaltelementes der erste Teil der zweiten Anschlussleitung von der PFC-Stufe und damit von dem Zwischenkondensator entkoppelt werden. Bevorzugt wird somit erst nach Aufladen Zwischenkondensators 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. Vorteilhaft entfällt ein Vorladewiderstand, bevorzugt mit einem Überbrückungsschaltelement, zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung. 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 des zweiten Wechslers kann dieser Fehlerfall bei der Ansteuerung zuverlässig ausgeschlossen werden. Bevorzugt werden auch noch in weitere Phasen, neben der ersten und der zweiten Phase einer PFC-Stufe, ein dem zweiten Schaltelement und dessen Anordnung entsprechendes Schaltelement eingebaut, um auch in den weiteren Phasen auf einen Vorladewiderstand zu verzichten.
Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein mehrphasiges, bevorzugt 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 bevorzugt mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz über die n-phasige Eingangsanschlusseinheit verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Bevorzugt umfasst die n-pha- sige Eingangsanschlusseinheit einen Neutralleiteranschluss zum Anschließen eines Neutralleiters des anzuschließenden Wechselspannungsnetzes. Eine zu ladende Batterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Eine Gleichrichtungsschaltung 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 Ausgestaltung wird zum Aufladen des Zwischenkondensators vor Beginn eines Ladevorgangs das zweite Schaltelement derart angesteuert, dass ein Ladestrom von der ersten Anschlussleitung über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung zu der zweiten Drossel geleitet wird. Bevorzugt wird folglich ein Stromfluss zwischen dem ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und dem zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung verhindert.
Vorteilhaft wird eine Ansteuerung des zweiten Schaltelementes bereitgestellt, die einen Stromfluss über einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung zu dem zweiten Teil der Anschlussleitung verhindert beim Aufladen des Zwischenkondensators. Dadurch entsteht kein hoher Einschaltstrom durch die zweite Phase der Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen der mehrphasigen Wechselspannung.
In einer Ausgestaltung wird der Zwischenkondensator so lange aufgeladen, bis die Spannung am Zwischenkondensator einem vorgebbaren Spannungswert entspricht oder diesen überschreitet.
Die Ansteuerung des zweiten Schaltelementes für den Aufladevorgang des Zwischenkondensators wird so lange durchgeführt, bis die Spannung am Zwischenkondensator einem vorgebbaren Spannungswert entspricht oder diesen überschreitet. Hierzu wird die Spannung am Zwischenkondensator mittels einer Ermittlungseinheit oder Messeinrichtung ermittelt und mit dem vorgebbaren Spannungswert verglichen. Dieser vorgebbare Spannungswert wird in Abhängigkeit der am zweiten Eingangsanschluss anliegenden Spannung vorgegeben oder entspricht dieser. Zur Bestimmung des vorgebbaren Wertes wird bevorzugt die Spannung am zweiten Eingangsanschluss mittels einer geeigneten Ermittlungseinheit oder Messeinrichtung ermittelt und bevorzugt in Abhängigkeit des Betrags der maximalen Amplitude als Spannungswert vorgegeben. Alternativ wird bevorzugt der Spannungswert in Abhängigkeit der angeschlossenen Wechselspannung oder der Region, in der das Ladegerät betrieben wird, vorgegeben, oder bevorzugt aus einem Kennfeld ausgelesen und vorgegeben.
Alternativ wird in einer anderen Ausgestaltung der Zwischenkondensator so lange aufgeladen, bis der Wechselstrom durch die erste und/ oder zweite Anschlussleitung oder durch die erste Anschlussleitung und/ oder mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung einen vorgebbaren Wechselstromwert unterschreitet. Bevorzugt beträgt der vorgebbare Wechselstromwert ungefähr 100mA. Bevorzugt wird der vorgebbare Wechselstromwert so gering vorgegeben, dass bei einem anschließenden Ansteuern des zweiten Schaltelementes derart, dass ein Ladestrom von dem zweiten Eingangsanschluss über die zweite Anschlussleitung, über den ersten Teil der zweiten Anschlussleitung und über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung, zu der zweiten Drossel geleitet wird, kein Überstrom auftritt. Bevorzugt wird hierzu der Wechselstrom während des Aufladens des Zwischenkondensators mittels einer Wechselstrommesseinheit ermittelt. Die Wechselstrommesseinheit ist hierzu bevorzugt zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem Zwischenanschluss und/ oder zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem Zwischenanschluss angeordnet.
Vorteilhaft wird eine Ansteuerung für das Ladegerät bereitgestellt, die einen hohen Einschaltstrom durch die zweite Phase der Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen der mehrphasigen Wechselspannung verhindert.
In einer anderen Ausgestaltung wird zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss für einen Ladevorgang eine an der Eingangsanschlusseinheit bereitgestellte Wechselspannung über die PFC-Stufe zumindest teilweise als Gleichspannung am positiven Zwischenanschluss und am negativen Zwischenanschluss bereitgestellt, wobei das zweite Schaltelement derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung und die zweite Anschlussleitung, oder über mindestens die erste Anschlussleitung und mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung, und über die PFC- Stufe zum Zwischenanschluss geleitet wird.
Bei einem Ladevorgang wandelt das Ladegerät an der Eingangsanschlusseinheit bereitgestellte elektrische Energie, die bereitgestellte Wechselspannung oder den bereitgestellten Wechselstrom, in eine Ladespannung zum Laden einer Batterie um, bevorzugt zum Laden einer Fahrzeugbatterie. Hierzu ist das Ladegerät zweistufig aufgebaut. Mittels der ersten Stufe, der PFC-Stufe, wird die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung am Spannungszwischenkreis gewandelt. Mittels der zweiten Stufe, einem nachgeschalteten Gleichspannungswandler, der bevorzugt eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt, werden die Spannungsebenen angepasst und ausgangsseitig mittels einer Schaltung und einer Regelung die Ladespannung und der Ladestrom zum Laden der Batterie bereitgestellt. Bevorzugt wird bei einer einphasig bereitgestellten Wechselspannung das zweite Schaltelement derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung und mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung und über die PFC-Stufe zum Zwischenanschluss geleitet wird. Bevorzugt wird dabei der Ladestrom innerhalb der PFC-Stufe auf zwei Phasen verteilt und somit die Belastung der elektronischen Komponenten reduziert. Vorteilhaft kann das Ladegerät in einem einphasigen Betrieb mit einem höheren Ladestrom als in einem mehrphasigen Betrieb betrieben werden. Bevorzugt wird bei einer zwei- oder mehrphasig bereitgestellten Wechselspannung das zweite Schaltelement derart angesteuert, dass ein Ladestrom sowohl über mindestens die erste Anschlussleitung und auch die zweite Anschlussleitung und über die PFC-Stufe zum Zwischenanschluss geleitet wird. Bevorzugt wird dabei der Ladestrom aus dem Wechselspannungsnetz je Phase direkt über die PFC-Stufe zum Zwischenanschluss geleitet.
Vorteilhaft wird eine Topologie bereitgestellt, die für einen Ladevorgang ein Bereitstellen einer Gleichspannung am Zwischenanschluss ermöglicht, wobei die Energie dafür von einer externen Energiequelle, die eine mehrphasige Wechselspannung an der Eingangsanschlusseinheit bereitstellt, bereitgestellt wird.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein erstes Schaltelement vorgesehen und dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss und der ersten Anschlussleitung durch das erste Schaltelement zu ermöglichen oder zu unterbrechen.
Ein erstes Schaltelement ist zwischen der ersten Anschlussleitung und dem ersten Eingangsanschluss angeordnet. Ein erstes Schaltelement ist vorgesehen und dazu eingerichtet, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss und der ersten Anschlussleitung oder der ersten Drossel der PFC-Stufe zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Je nach Schaltstellung wird somit ein Stromfluss oder ein Ladestrom von dem ersten Eingangsanschluss durch das erste Schaltelement in Richtung der ersten Drossel der PFC-Stufe ermöglicht oder verhindert.
Vorteilhaft wird mittels des ersten Schaltelementes eine Möglichkeit geschaffen, einen Ladestrom über die erste Anschlussleitung durch das erste Schaltelement zu unterbrechen oder einzuschalten. Bevorzugt ist dem ersten Schaltelement ein Vorladewiderstand, bevorzugt ein Kaltleiter oder PTC-Widerstand, parallel geschaltet, der zur Begrenzung eines Einschaltstroms genutzt wird. Bevorzugt fließt der Einschaltstrom beim Aufladen des Zwischenkondensators vom ersten Eingangsanschluss über den Vorladewiderstand über die PFC-Stufe in den Zwischenkondensator. Der Vorladewiderstand verringert den Einschaltstrom und verhindert damit einen Überstrom. Bevorzugt zur Vermeidung der Verluste des Vorwiderstands wird dieser mittels Schließen des ersten Schaltelementes bei im Wesentlichen aufgeladenen Zwischenkondensator überbrückt.
In einer anderen Ausgestaltung ist der Zwischenkondensator als Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator ausgestaltet.
Der Zwischenkondensator ist bevorzugt als Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators ausgestaltet. Bevorzugt ist die Kapazität des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators gleich groß. Bevorzugt wird an einem Mitten abgriff zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator ein Neutralleiter, bevorzugt schaltbar, zum Anschluss an einen entsprechenden Kontakt der Eingangsanschlusseinheit angeschlossen. Bevorzugt wird ein Neutralleiter für den Betrieb des Ladegerätes mit asymmetrischer Belastung vorgesehen. Bevorzugt liegt eine asymmetrische Belastung 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 den Neutralleiter ein Ausgleichsstrom zurück ins eingangsseitig angeschlossene Wechselspannungsnetz.
Vorteilhaft wird eine geeignete Schaltungstopologie zum Anschluss eines Neutralleiters bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein drittes Schaltelement vorgesehen und dazu eingerichtet, 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 Vorladewiderstand, bevorzugt ein Kaltleiter oder PTC-Widerstand parallel geschaltet, der zur Begrenzung eines Einschaltstroms genutzt wird. Bevorzugt fließt der Einschaltstrom vom dritten Eingangsanschluss über die P FC-Stufe in den ersten und/oder den zweiten Kondensator. Bevorzugt zur Vermeidung der Verluste des Vorladewiderstands wird dieser mittels Schließen des dritten Schaltelementes bei im Wesentlichen aufgeladenen ersten und/ oder zweiten Kondensator überbrückt.
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 zweiten Schaltelementes, und bevorzugt des ersten Schaltelementes, und der High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken zum Bereitstellen von elektrischer Energie am zweipoligen Zwischenanschluss.
Mittels der Ansteuerung des zweiten Schaltelementes, und bevorzugt des ersten Schaltelementes, und der Schalter der Halbbrücken wird die am Eingangsanschluss anliegende Wechselspannung zunächst zum Aufladen des Zwischenkondensators verwendet und anschließend dauerhaft in eine Gleichspannung gewandelt zur Versorgung des angeschlossenen Gleichspannungswandlers des Ladegerätes zur Erzeugung der Ladespannung für die zu ladende Batterie. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine Bereitstellung einer Gleichspannung am Spannungszwischenkreis 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 Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät,
Figur 3 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,
Figur 4 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 beispielhaft dargestellten dreiphasigen Wechselspannung, eine P FC-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 Mittenabgriff 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 Niederspannungsverbraucher 480, 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.
Ausgehend von dem Ladegerät 500 nach Figur 1 umfasst das erfindungsgemäße Ladegerät 500 nach Figur 2 eine n-phasige Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer 1 ist. Beispielhaft ist eine dreiphasige Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer dreiphasigen Wechselspannung dargestellt. Die zweite Anschlussleitung 120 ist 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, 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. Zur Umsetzung dieser Funktion ist das zweite Schaltelement S2 bevorzugt als ein Wechsler ausgestaltet. 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, Kaltleiter oder PTC-Wider- stände, parallel geschaltet, damit ein Einschaltstrom beim Anschließen einer Wechselspannung an die Eingangsanschlusseinheit 100 begrenzt wird, bevor das erste und das dritte Schaltelement Sl, S3 geschlossen wird. Den Halbbrücken 210, 220, 230 ist ein Zwischenkondensator CZ parallel geschaltet. Bevorzugt wird der Zwischenkondensator CZ mittels einer Reihenschaltung aus einem ersten CI und einem zweiten C2 Kondensator ersetzt (nicht dargestellt). Bevorzugt ist jeweils in Reihe zu der ersten, zweiten und dritten Drossel 202, 204, 206 ein Stromsensor angeordnet (nicht dargestellt) zur Ermittlung des Stroms durch die jeweilige Drossel 202, 204, 206. In Abhängigkeit der ermittelten Ströme werden bevorzugt die High-Side-Schal- ter und die Low-Side-Schalter sowie die Schaltelemente angesteuert zur Umsetzung der gewünschten Betriebsmodi. Bevorzugt ist ein Spannungssensor (V) zwischen dem positiven und dem negativen Zwischenanschluss 310, 320 angeordnet zur Ermittlung oder Messung der Spannung am Zwischenkondensator. In Abhängigkeit der ermittelten Spannung 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 verbunden. Bevorzugt ist GND ein internes Spannungspotential. Bevorzugt wird die Spannung am Zwischenkondensator zwischen dem positiven Zwischenanschluss 310 und dem negativen Zwischenanschluss 320 gemessen oder ermittelt. Bevorzugt wird die Spannung am zweiten Eingangsanschluss gegen einen Neutralleiteranschluss (nicht dargestellt) gemessen und ermittelt. Bevorzugt sind die Schaltelemente als Halbleiterschalterbauelemente (IGBT oder MOSFETS, basierend auf Si, SiC oder GaN) oder als Schütze oder Relais vorgesehen.
Die Figur 3 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 4 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 zweite Schaltelement S2, bevorzugt das erste Schaltelement Sl, sowie die High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken 210, 220, 230 zum Bereitstellen von elektrischer Energie am Zwischenkondensator CZ angesteuert. Mit Schritt 815 endet das Verfahren.

Claims

Ladegerät für ein Fahrzeug, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer 1 ist, und eine P FC-Stufe (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem Zwischenanschluss (300) umfasst, wobei die PFC-Stufe (200) je Phase der n-Phasen eine Halbbrücke (210, 220, 230) umfasst, wobei eine Halbbrücke (210, 220, 230) jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter (211, 213, 215) und einem Low-Side-Schalter (212, 214, 216) umfasst, wobei jeweils ein Mitten abgriff zwischen dem High-Side- Schalter und dem Low-Side-Schalter der Halbbrücke über jeweils eine Drossel (202, 204, 206) mit jeweils einem der n-Eingangsanschlüsse (LI, L2, L3) der Eingangsanschlusseinheit (100) über jeweils eine n- te Anschlussleitung (110, 120, 130) verbindbar ist, wobei die n-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 zwischen den positiven Zwischenanschluss (310) und den negativen Zwischenanschluss (320) ein Zwischenkondensator (CZ) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Anschlussleitung (120) in einen ersten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_l) und in einen zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2) aufgeteilt ist, 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. Ladegerät nach Anspruch 1, wobei zum Aufladen des Zwischenkondensators (CZ) vor Beginn eines Ladevorgangs das zweite Schaltelement (S2) derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom von der ersten Anschlussleitung (110) über den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2) zu der zweiten Drossel (204) geleitet wird. Ladegerät nach Anspruch 2, wobei der Zwischenkondensator (CZ) aufgeladen wird, bis die Spannung am Zwischenkondensator (CZ) einen vorgebbaren Spannungswert überschreitet. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bereitstellung von elektrischer Energie am Zwischenanschluss (300) für einen Ladevorgang 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 das zweite Schaltelement (S2) derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom über mindestens die erste Anschlussleitung (110) und die zweite Anschlussleitung (120), oder über mindestens die erste Anschlussleitung (110) und mindestens den zweiten Teil der zweiten Anschlussleitung (120_2), und über die PFC-Stufe (200) zum Zwischenanschluss (300) geleitet wird. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Schaltelement (Sl) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, einen Stromfluss zwischen dem ersten Eingangsanschluss (LI) und der ersten Anschlussleitung (110) durch das erste Schaltelement (Sl) zu ermöglichen oder zu unterbrechen. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenkondensator (CZ) als Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (CI) und einem zweiten Kondensator (C2) ausgestaltet ist. 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 7. Verfahren (800) zum Betrieb eines Ladegerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit dem Schritt:
Ansteuern (810) des zweiten Schaltelementes (S2) sowie der High-Side und Low-Side Schalter der Halbbrücken (210, 220, 230) zum Bereitstellen von elektrischer Energie am Zwischenkondensator (CZ). Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 9 auszuführen. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 9 auszuführen.
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