WO2009121575A2

WO2009121575A2 - Akkumulator-ladevorrichtung

Info

Publication number: WO2009121575A2
Application number: PCT/EP2009/002361
Authority: WO
Inventors: Franc Just
Original assignee: Franc Just
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009121576A3; DE102008016957A8; WO2009121575A3; WO2009121576A2; DE102008016957A1

Abstract

Es wird eine Ladevorrichtung für Akkumulatoren mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Sekundärzellen, insbesondere zum Einsatz in elektrischen Fahrzeugantrieben, beschrieben. Für jede der mindestens zwei Sekundärzellen (17) ist ein durch einen Trenntransformator (20) galvanisch getrennter Ladestromkreis vorgesehen.

Description

Akkumulator-Ladevorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorvorrichtung, insbesondere für Akkumulatoren, die in Kraftfahrzeuge, vorzugsweise Personen- und/oder Lastkraftfahrzeuge mit Elektromotorantrieb oder mit Hybridantrieb eingebaut sind.

Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen oder in Hybridfahrzeugen können zum einen an einer stationären Ladestation aufgeladen werden oder zum anderen durch einen von einem Verbrennungsmotor betriebenen, im Fahrzeug eingebauten Generator (Hybridfahrzeug). Darüber hinaus können sie durch den oder die Elektromotor(e) aufgeladen werden, wenn diese bei Bremsvorgängen als Generator arbeiten und dabei Bremsenergie in Elektroenergie umwandeln.

Zur Erzeugung der notwendigen Betriebsspannung, beispielsweise 24 oder 60 V ist ein Fahrzeugakkumulator aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Sekundärzellen gebildet. Im praktischen Einsatz weisen die Sekundärzellen Unterschiede auf, die dazu führen, dass sie einen unterschiedlichen Ladezustand aufweisen, wodurch u. a. die Leistungsfähigkeit des Akkumulators eingeschränkt wird. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere der Sekundärzellen ausfallen, so dass der Akkumulator nicht mehr verwendbar ist.

Trotz sachgerechter Ladung des Akkumulators mit elektronisch geregelten Ladevorrichtungen ist es nicht möglich, die einzelnen Sekundärzellen optimal zu laden und in den gleichen Ladezustand zu versetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Ladevorrichtung anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Es wird eine Ladevorrichtung für Akkumulatoren vorgeschlagen mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Sekundärzellen, insbesondere zum Einsatz in elektrischen Fahrzeugantrieben, wobei vorgesehen ist, dass für jede der mindestens zwei Sekundärzellen ein durch einen Trenntransformator galvanisch getrennter Ladestromkreis vorgesehen ist.

Dieser Gegenstand sieht also vor, dass die Ladevorrichtung für mindestens zwei Sekundärzellen ausgelegt sein muss, welche jeweils einen separat zugeordneten galvanisch getrennten Ladestromkreis aufweisen. Das heißt, die Ladevorrichtung kann aber auch zusätzliche Ladestromkreise für Sekundärzellen aufweisen, die für mehr als eine Sekundärzelle ausgebildet sind, also für mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Sekundärzellen.

Durch die vorgesehene galvanische Trennung der Ladestromkreise der Sekundärzellen kann jede Sekundärzelle unbeeinflusst von den übrigen Sekundärzellen des Akkumulators überwacht und geladen werden. Es wird also in einer Ladevorrichtung eine Vielzahl von Ladevorrichtungen bereitgestellt, die unabhängig voneinander arbeiten.

Insbesondere für Akkumulatoren mit einer Kapazität kleiner als 100 Ah kann ein gemeinsamer Trenntransformator vorgesehen sein, der pro Ladestromkreis eine galvanisch getrennte niederohmige Sekundärwicklung aufweist.

Insbesondere für Akkumulatoren mit einer Kapazität im Bereich von 100 Ah bis 600 Ah kann ein gemeinsamer Trenntransformator vorgesehen sein, dessen Primärwicklung und dessen Sekundärwicklungen eine Mittelanzapfung aufweisen. Mit dieser Ausbildung des Trenntransformators kann eine Vollweggleichrichtung bereitgestellt werden, wodurch die Strombelastung in den Wicklungen halbiert wird. Dadurch kann die erforderliche Drahtstärke reduziert werden, wobei im Allgemeinen die benötigte größere Drahtlänge für die Ausbildung der Wicklungen mit zwei Wicklungshälften eine geringeren Materialeinsatz erfordert als die Ausbildung mit einer Wicklung und dickerem Draht. Weitere Einsparungen entstehen durch die Möglichkeit, die elektronischen Bauelemente zur Ansteuerung des Trenntransformators und zur Gleichrichtung für einen geringeren Strom auslegen zu können.

Insbesondere für Akkumulatoren mit einer Kapazität größer als 600 Ah kann für jeden der mindestens zwei Ladestromkreise ein Trenntransformator mit einer galvanisch getrennten niederohmigen Sekundärwicklung vorgesehen sein. Durch die Aufteilung auf mehrere Transformatoren können insbesondere die Magnetisierungsverluste reduziert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Trenntransformator für den Betrieb mit Hochfrequenz ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des Trenntransformators als Hochfrequenztransformator und durch den Betrieb mit Hochfrequenz kann die Baugröße des Trenntransformators deutlich verringert werden. Die Versorgung des Trenntransformators mit Hochfrequenz erfordert zwar die Bereitstellung eines Frequenzwandlers, doch überwiegen die Vorteile, wie beispielsweise Einsparung von Wicklungsmaterial und die Möglichkeit, ein Verbundmaterial aus einem nichtleitenden Kern und einer leitfähigen Hülle vorzusehen, da infolge des sogenannten Skin-Effekts die Stromleitung auf den Oberflächenbereich beschränkt ist.

Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Trenntransformator für den Betrieb mit Hochfrequenz im Bereich von 40 bis 125 kHz ausgebildet ist.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Trenntransformator eine Rückmeldewicklung aufweist. Über die Rückmeldewicklung kann beispielsweise der Trenntransformator auf unzulässige Belastung, wie Kurzschluss in einer der Sekundärwicklungen, überwacht werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass der Ladestromkreis einen Gleichrichter mit geringer Durchlassspannung aufweist. Anstelle des Begriffs „Durchlassspannung" ist auch der Begriff „Flussspannung" gebräuchlich. Eine geringe Durchlassspannung reduziert den durch den Gleichrichter verursachten Verlust, der beispielsweise im Gleichrichter in Verlustwärme umgesetzt wird. Silizium-Dioden weisen typischerweise eine Durchlassspannung von 0,7 V auf. Daraus folgt bei einem Ladestrom I_L = 200 A eine im Gleichrichter freigesetzte Verlustleistung Nv von

Nv = 0,7 x 200 W = 140 W.

Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Gleichrichter durch eine

Leistungs-Schottky-Diode gebildet ist. Die Schottky-Diode weist typischerweise eine Durchlassspannung von 0,4 V auf. Daraus folgt eine gegenüber einer Silizium-Diode reduzierte Verlustleistung. Bei einem Ladestrom IL = 200 A wie in vorgenanntem Beispiel beträgt nun die im Gleichrichter freigesetzte Verlustleistung Nv' nur noch Nv' = 0,4 x 200 W = 80 W.

Weiter kann vorgesehen sein, dass der Gleichrichter und die Sekundärwicklung des Trenntransformators für den maximalen Betriebsstrom des Akkumulators ausgelegt sind, wenn Einweggleichrichtung vorgesehen ist oder dass der Gleichrichter und die Sekundärwicklung des Trenntransformators für den halben maximalen Betriebsstrom des Akkumulators ausgelegt sind, wenn Vollweggleichrichtung vorgesehen ist. Damit ist für den weiter unten beschriebenen Fall Vorsorge getroffen, dass Gleichrichter und Sekundärwicklung dafür ausgelegt sein müssen, den Betriebsstrom an einer defekten Sekundärzelle vorbeizuleiten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass der Ladestromkreis eine Messeinrichtung zur Überwachung des Ladezustands der Sekundärzelle aufweist.

Weiter kann vorgesehen sein, dass der Ausgang der Messeinrichtung mit einer

Abschalteinrichtung verbunden ist, die in Reihe mit der Sekundärzelle geschaltet ist. Wenn also die Messeinrichtung einen Wert ausgibt, der außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, der eine funktionsfähige Sekundärzelle charakterisiert, dann wird die Sekundärzelle als defekt erkannt und abgeschaltet. Es kann vorgesehen sein, dass die Sekundärzelle nun ständig abgeschaltet ist. Es ist jedoch auch möglich, die abgeschaltete Sekundärzelle nach Ablauf einer Probezeit wieder einzuschalten und erneut mit der Aufladung zu beginnen, wobei es sich um ein spezielles Laderegime zur Regenerierung der Sekundärzelle handeln kann.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Primärwicklung des Trenntransformators mit einer Schaltstufe verbunden ist, die von einer vorzugsweise mikrocontrollergesteuerten Spannungsversorgungseinrichtung gespeist ist. Eine mikrocontrollergesteuerte Spannungsversorgungseinrichtung kann insbesondere zur Ladung von Hochleistungs-Sekundärzellen vorgesehen sein oder zur besonders einfachen Anpassung des Laderegimes an Akkumulatoren mit unterschiedlichen Leistungsparametern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Bussysteme einsetzbar sind zur Übertragung von Messdaten und/oder Steuerbefehlen und dass die

Spannungsversorgungseinrichtung ihrerseits durch eine übergeordnete Steuerung steuerbar ist.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Spannungsversorgungseinrichtung durch eine vorzugsweise mikrocontrollergesteuerte Steuereinrichtung steuerbar ist, beispielsweise durch eine zentrale Fahrzeugsteuerung, die das Zusammenwirken von Akkumulator, elektrischen Antriebsmotoren, Sensoren und Vorgaben des Fahrzeugführers überwacht und koordiniert.

Die Steuereinrichtung kann zur Drehzahlsteuerung und/oder Traktionskontrolle und/oder zur Energierückgewinnung beim Bremsen vorgesehen sein. Solche Aufgaben können mit Hilfe von Mikroprozessoren besonders einfach gelöst werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Schaltstufe durch mindestens einen Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) gebildet ist. Leistungstransistoren des genannten Typs sind hinsichtlich ihres Schaltverhaltens besonders geeignet. Weiter kann vorgesehen sein, dass der bzw. die Trenntransformator(en) und die Spannungsversorgungseinrichtung eine vom Akkumulator lösbare Baugruppe bilden, und dass die Ladestromkreise lösbare Verbindungseinrichtungen aufweisen, über welche die Sekundärwicklungen des Trenntransformators bzw. der

Trenntransformatoren in die Ladestromkreise eingebunden sind. Die Sekundärzellen und Abschaltvorrichtungen verbleiben Teil des Akkumulators. Die lösbare Baugruppe als Baueinheit kann an der Tankstelle gelöst und aufgeladen werden. Vorzugsweise können als lösbare Verbindungseinrichtungen Steckkontakte vorgesehen sein. Unter Steckkontakten ist die Kombination aus Steckbuchsen und Steckern verstanden, wobei die Ladestromkreise die Stecker aufweisen können und die Sekundärwicklungen des Trenntransformators bzw. der Trenntransformatoren Kabelanschlüsse mit Steckbuchsen aufweisen können oder umgekehrt. Es können auch Mischbestückungen aus Steckern und Steckbuchsen vorgesehen sein. Die besagte Baugruppe aus Trenntransformatoren und

Spannungsversorgungseinrichtung kann als eine externe stationäre Baugruppe ausgebildet sein, wobei eine Messeinrichtung zur Überwachung des Ladezustandes der Sekundärzelle(n), zum Beispiel wie sie oben beschrieben ist, und eine Abschalteinrichtung für defekte Sekundärzellen, zum Beispiel wie sie oben beschrieben ist, als interne Baugruppe am Akkumulator angeordnet sein können oder integraler Bestandteil einer den Akkumulator aufweisenden Akkumulatoreinheit sein können. Alternativ kann die gesamte Akkumulatoreinheit auch als Austauschbaugruppe konzipiert sein, die beispielsweise im aufgeladenen Zustand an Tankstationen bereitgehalten wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die lösbaren Verbindungseinrichtungen des Ladestromkreises durch Kurzschlussbrücken überbrückbar sind. Die vorstehend genannte Baugruppe aus Trenntransformator(en) und Spannungsversorgungseinrichtung kann beispielsweise in eine Elektrozapfsäule einer Tankstelle integriert sein. Vorzugsweise können die lösbaren

Verbindungseinrichtungen als Steckkontakte ausgebildet sein. Die elektrische Tankleitung kann einen mehrpoligen Stecker aufweisen, der nach dem Tanken, d. h. nach dem Aufladen des Akkumulators, entfernt wird und durch einen mehrpoligen Stecker ersetzt wird, welche die Kurzschlussbrücken aufweist.

Die Aufteilung der Ladevorrichtung in Baueinheiten kann unter unterschiedlichen Aspekten vorgesehen sein.

Es kann vorgesehen sein, dass die mit dem Akkumulator verbundene Baueinheit die Messeinrichtungen zur Überwachung des Ladezustandes, die Gleichrichter, die Trenntransformatoren, die Schaltstufen und Spannungsversorgungseinrichtung aufweist. Diese Ausführungsvariante kann bevorzugt vorgesehen sein, wenn die Ladevorrichtung als eine komplett im Fahrzeug angeordnete Vorrichtung ausgebildet ist.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass die mit dem Akkumulator verbundene Baueinheit die Messeinrichtungen zur Überwachung des Ladezustandes und die Gleichrichter aufweist. Diese Ausführung kann bevorzugt sein, wenn der Trenntransformator bzw. die Trenntransformatoren, die Schaltstufen und die Spannungsversorgungseinrichtung als externe Baueinheit ausgebildet sind, wie weiter oben beschrieben. Für beide Varianten kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Abschalteinrichtungen unmittelbar an den Sekundärzellen angeordnet sind.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Sekundärzellen des Akkumulators mit einer Kühleinrichtung verbunden sind. Insbesondere die Sekundärzellen von Hochleistungsakkumulatoren können sich beim Aufladen so stark erwärmen, dass eine Zwangskühlung erforderlich ist. Die Kühleinrichtung kann vorteilhafterweise als eine Flüssigkeitskühlung ausgebildet sein. Sie kann weiter als Kühl-/Heizeinrichtung ausgebildet sein, beispielsweise um die Leistungsfähigkeit des Akkumulators bei niedriger Betriebstemperatur, insbesondere bei Frost zu erhöhen.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung; Fig. 5 ein Prinzipschaltbild der Ladevorrichtung in Fig. 4 mit entfernter

Spannungsversorgungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Ladevorrichtung 1 für einen aus Sekundärzellen 17 gebildeten Akkumulator 15, der als Energiequelle für ein mit Elektromotoren, insbesondere mit Radnabenmotoren, ausgebildetes Fahrzeug vorgesehen ist. Der Akkumulator 15 weist Anschlussklemmen 15k auf.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft ein Motor 11 dargestellt, der zum einen als Antriebsmotor arbeitet und zum anderen in den Bremsphasen des Fahrzeugs als Generator. Vorteilhafterweise kann der Motor 15 als ein Radnabenmotor ausgebildet sein, wobei vorteilhafterweise vier Motoren 15 vorgesehen sein können. Der Motor 11 ist mit einer Motorsteuerung 12 verbunden, welche nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) arbeitet. Der Stelleingang der Motorsteuerung 12 ist mit einer Fahrzeug-Steuereinrichtung 25 verbunden, die mit einem oder mehreren Mikrocontrollern ausgebildet ist und neben der Drehzahlvorgabe für die Motorsteuerung 12 für weitere Kontroll- und Steuerungsaufgaben vorgesehen ist, wie Traktionskontrolle und Überwachung des Ladevorgangs des Akkumulators.

Der Akkumulator 15 weist in den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen zur besseren Anschauung lediglich drei in Reihe geschaltete Sekundärzellen 17 auf, die jede für sich durch eine in Reihe mit der Sekundärzelle 17 geschaltete Abschalteinrichtung 16 bei Defekt abschaltbar ist, wie weiter unten näher beschrieben. Die Ladevorrichtung 1 ist für alle Akkumulatortypen geeignet, beispielsweise für Akkumulatoren vom Typ Pb, NiCd, NiMH, Li, Lilon. Bei einem Akkumulator vom Typ Pb mit einer Nennspannung von 60 V können also beispielsweise 30 Sekundärzellen in Reihe geschaltet sein.

Die Ladevorrichtung 1 weist im Wesentlichen eine Spannungsversorgungseinrichtung 24 und einen von der

Spannungsversorgungseinrichtung 24 gespeisten Trenntransformator 20 auf, der für jede der Sekundärzellen 17 des Akkumulators 15 eine galvanisch getrennte Ladespannung bereitstellt.

Der Trenntransformator 20 ist mit einer Primärwicklung 20p, drei

Sekundärwicklungen 20s und einer Rückmeldewicklung 22 ausgebildet. Bei dem Trenntransformator 20 handelt es sich um einen Transformator, bei dem vorzugsweise sämtliche Wicklungen, mindestens jedoch die Sekundärwicklungen, galvanisch voneinander getrennt ausgebildet sind. Es handelt sich also nicht um einen Transformator, bei dem die Sekundärwicklung ein Abschnitt der Primärwicklung ist.

Die Sekundärwicklung 20s ist eine niederohmige Wicklung, deren einer Anschluss mit einem Gleichrichter 19 verbunden ist und deren anderer Anschluss mit einer Messeinrichtung 18 zur Überwachung des Ladezustandes der Sekundärzelle 17 verbunden ist. Die Messeinrichtung 18, die Sekundärwicklung 20s und der Gleichrichter 19 sind also in einer Reihenschaltung miteinander verbunden und von dem Ladestrom des Akkumulators 15 durchflössen.

Die Messeinrichtung 18 ist weiter mit der Abschalteinrichtung 16 verbunden. Die

Messeinrichtung 18 und die Abschalteinrichtung 16 können auch zu einer Baugruppe zusammengefasst sein. Die Messeinrichtung 18 erfasst beispielsweise den Ladestrom und wertet ihn aus. Wenn der Ladestrom außerhalb eines eingestellten Sollbereichs ist, wird die Abschalteinrichtung 16 betätigt und die Sekundärzelle 17 abgeschaltet. Der Akkumulatorstrom fließt nun statt über die defekte Sekundärzelle über die Messeinrichtung 18, die Sekundärwicklung 20s und den Gleichrichter 19. Sofern der Akkumulator 15 aus einer Vielzahl von Sekundärzellen 17 gebildet ist, beispielsweise aus 30 Sekundärzellen, wie weiter oben beschrieben, führt das Abschalten von einer oder mehreren Sekundärzellen 17 nicht zu einem Ausfall des Akkumulators 15. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass sowohl der Gleichrichter 19 als auch die Sekundärwicklung 20s für den maximalen Betriebsstrom des Akkumulators 15 ausgelegt ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messeinrichtungen 18 über ein Bussystem 23 mit der Spannungsversorgungseinrichtung 24 verbunden, so dass die Signale der Messeinrichtungen 18 weiter zur Steuerung der Spannungsversorgungseinrichtung 24 beitragen können.

Die weiter oben genannte Rückmeldewicklung 22 ist ebenfalls mit der Spannungsversorgungseinrichtung 24 verbunden, so dass weiter der Betriebszustand des Trenntransformators 20 überwacht und in die Steuerung der Spannungsversorgungseinrichtung 24 einbezogen werden kann.

Bei dem Gleichrichter 19 ist ein Gleichrichter mit einer geringen Durchlassspannung bevorzugt, zum Beispiel eine Leistungs-Schottky-Diode. Eine Schottky-Diode wird im Gegensatz zu einer normalen Diode nicht durch einen Halbleiter-Halbleiter- Übergang, sondern durch einen Halbleiter-Metall-Übergang gebildet. Ein weiterer Vorteil der Schottky-Diode ist neben der geringen Durchlassspannung die hohe Schaltfrequenz.

Die Spannungsversorgungseinrichtung 24 stellt für den Trenntransformator 20 eine Impulsspannung bereit. Die Impulsladung bietet gegenüber der Konstantstrom- oder Konstantspannungsladung erhebliche Vorteile. Die

Spannungsversorgungseinrichtung ist vorteilhafterweise mikrocontroller-gesteuert ausgebildet, so dass der Ladevorgang mit geringem Aufwand überwachbar und steuerbar ist. Der Trenntransformator übernimmt hier im Wesentlichen die Aufgabe eines Übertragers mit galvanischer Trennung und kann durch Wahl einer hohen Impulsfolgefrequenz klein und kompakt aufgebaut sein.

Die Spannungsversorgungseinrichtung 24 weist Eingangsklemmen 26 auf, die mit einer externen Stromquelle verbindbar sind. Bei der externen Stromquelle kann es sich beispielsweise um das öffentliche Stromnetz handeln, um einen durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Generator oder um eine Solaranlage. Die Spannungsversorgungseinrichtung 24 kann weiter die Mittel aufweisen, die zur Umformung der durch die externe Stromquelle bereitgestellten Elektroenergie erforderlich sind, beispielsweise einen Transformator und/oder einen Gleichrichter. Diese Mittel können jedoch auch extern bereitgestellt sein, zum Beispiel in eine externe Ladestation integriert sein. Zur Einspeisung der in der Spannungsversorgungseinrichtung 24 aufbereiteten Ladespannung zur Primärwicklung 20p des Trenntransformators 20 ist eine Schaltstufe 21 vorgesehen, die als eine Leistungs-Schaltstufe mit geringem Innenwiderstand ausgebildet ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltstufe 21 als ein Leistungs-Transistor ausgebildet, bei dem es sich vorteilhafterweise um einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) handeln kann.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft dargestellt, dass die erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 Aufgaben zu erfüllen vermag, die über die eigentliche Aufladung des Akkumulators hinausgehen. Dazu zählt die exakte Überwachung des Ladezustandes jeder Sekundärzelle und die Abschaltung leistungsschwacher oder defekter Sekundärzellen. Die in Fig. 1 beschriebene

Ladevorrichtung ist bevorzugt für Akkumulatoren mit einer Kapazität kleiner 100 Ah vorgesehen.

Fig. 2 zeigt nun eine Ladevorrichtung 2, die bevorzugt für Akkumulatoren mit einer Kapazität im Bereich von 100 bis 600 Ah geeignet ist. Die Ladevorrichtung 2 unterscheidet sich im Wesentlichen von der in Fig. 1 beschriebenen Ladevorrichtung 1 dadurch, dass die Primärwicklung 20p sowie die Sekundärwicklungen 20s des Trenntransformators 20 mit einer Mittelanzapfung ausgebildet sind. Die Primärwicklung 20p wird nun im Gegentaktverfahren betrieben, d. h. jede der beiden Teilwicklungen der Primärwicklung 20p sind mit einer Schaltstufe 21 verbunden, die wie in dem in Fig. 1 weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen IGBT gebildet sein können. Die Spannungsversorgungseinrichtung 24 ist dementsprechend modifiziert und weist eine Gegentaktschaltung zur Ansteuerung der beiden Schaltstufen 21 auf.

Entsprechend der beschriebenen Ausbildung der Sekundärwicklung 20s mit Mittelanzapfung sind nun zwei Gleichrichter 19 vorgesehen, die wie in dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel als Leistungs-Schottky-Diode ausgebildet sind. Es wird nun eine Zweiweg-Gleichrichtung realisiert, so dass die Strombelastung der Sekundärwicklung 20s gegenüber einer Sekundärwicklung ohne Mittelanzapfung halbiert ist.

Um die bei der höheren Leistungsdichte des Akkumulators 15 zu erwartende höhere Erwärmung der Sekundärzellen 17 zu begrenzen, ist eine Kühleinrichtung 27 vorgesehen, die beispielsweise als eine Flüssigkeitskühlung ausgebildet sein kann. Die an den Sekundärelementen erzeugte Verlustwärme kann durch Kühllamellen abgeführt werden, die mit den Sekundärelementen 17 in thermischem Kontakt sind.

Es kann weiter ein zusätzlicher Energiespeicher vorgesehen sein, der beispielsweise beim Bremsen erzeugte Spitzenenergie kurzzeitig speichert, so dass der Akkumulator 17 nicht mit einem unzulässig hohen Ladestrom beaufschlagt wird. Als Energiespeicher kann eine Kondensator-Batterie 14 vorgesehen sein, die über eine Zuschalteinrichtung 13 zuschaltbar ist. Die Zuschalteinrichtung 13 kann durch die Motorsteuerung 12 angesteuert werden, und zwar immer dann, wenn der Motor 11 in den Generatorbetrieb geschaltet ist. Die Kondensator-Batterie besteht aus elektrochemischen Doppelschicht-Kondensatoren, die mit sehr hoher Kapazität im Bereich von einigen F ausbildbar sind.

Fig. 3 zeigt nun eine Ladevorrichtung 3, die bevorzugt für Akkumulatoren mit einer Kapazität größer 600 Ah vorgesehen ist. Die Ladevorrichtung 3 ist wie die in Fig. 2 vorstehend beschriebene Ladevorrichtung 2 ausgebildet, mit dem Unterschied, dass für jede der Sekundärzellen 17 ein Trenntransformator 20 vorgesehen ist. Der Trenntransformator 20 weist folglich nur eine Sekundärwicklung 20s auf. Die Primärwicklung 20p sowie die Sekundärwicklung 20s sind mit einer Mittelanzapfung ausgebildet, um wie in Fig. 2 beschrieben, das Gegentaktprinzip anwenden zu können. Vorteilhafterweise können die Trenntransformatoren 20 als Hochfrequenztransformatoren ausgebildet sein. Sie können beispielsweise für eine Hochfrequenz im Bereich von 40 kHz bis 125 kHz ausgebildet sein. Durch die Ausbildung des Trenntransformators 20 als

Hochfrequenztransformator kann die Baugröße des Trenntransformators deutlich verringert werden. Die Versorgung des Trenntransformators 20 mit Hochfrequenz erfordert zwar die Bereitstellung eines Frequenzwandlers in der Spannungsversorgungseinrichtung 24, doch überwiegen die Vorteile, wie beispielsweise Einsparung von Wicklungsmaterial und die Möglichkeit, als

Wicklungsmaterial ein Verbundmaterial aus einem nichtleitenden Kern und einer leitfähigen Hülle vorzusehen, da infolge des sogenannten Skin-Effekts die Stromleitung auf den Oberflächenbereich beschränkt ist.

In den in Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Ladevorrichtung 1 bis 3 jeweils in das Fahrzeug integriert. Es ist jedoch auch möglich, die Ladevorrichtung bis auf wenige im Fahrzeug verbleibende Bauteile als eine externe Ladevorrichtung auszubilden, die beispielsweise in Tankstellen oder in der heimischen Garage stationiert sein kann.

Fig. 4 zeigt eine Ladevorrichtung 4, die wie die in Fig. 1 beschriebene Ladevorrichtung 1 ausgebildet ist, mit dem Unterschied, dass sie über Trennstellen verfügt, die einen als externen Abschnitt nutzbaren Abschnitt 4e von einem internen Abschnitt 4i trennen. Die Trennstellen können beispielsweise als Steckverbindungen ausgebildet sein. Die Steckkontakte bzw. Steckbuchsen können vorteilhafterweise in einem Ladestecker zusammengefasst sein. Der externe, d. h. außerhalb des Fahrzeugs anordenbare Abschnitt 4e umfasst den Trenntransformator 20 sowie die Spannungsversorgungseinrichtung 24. Der interne Abschnitt 4i umfasst die Gleichrichter 19 sowie die Messeinrichtungen 18. Es kann vorgesehen sein, diese Komponenten der Ladevorrichtung in den Akkumulator 15 zu integrieren.

Fig. 5 zeigt den Schaltungsaufbau der in dem Fahrzeug verbleibenden

Komponenten. Der externe Abschnitt 4e der in Fig. 4 dargestellten Ladevorrichtung 4 ist entfernt. An Stelle der Sekundärwicklungen 20s sind im internen Abschnitt 4i der Ladevorrichtung 4, der im Fahrzeug verblieben ist, Kurzschlussbrücken 20k vorgesehen, um nach Beendigung des Ladevorgangs und Trennung des externen Abschnitts 4e vom internen Abschnitt 4i der Ladevorrichtung 4 den durch die

Sekundärwicklungen 20s gebildeten elektrischen Leitungsabschnitt zu ersetzen und so die im internen Abschnitt 4i implementierte Überwachungsfunktion der Sekundärzellen zu sichern und damit die Abschaltung defekter Sekundärzellen weiter zu ermöglichen. Die Kurzschlussbrücken 20k können in einem speziellen Stecker zusammengefasst sein, der anstelle des vorstehend beschriebenen

Ladesteckers in die entsprechenden Steckkontakte bzw. Steckbuchsen des internen Abschnitts 4i der Ladevorrichtung 4 eingesteckt ist.

Bei dem in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schaltungsaufbau in Fig. 1 zugrunde gelegt. Es ist aber auch möglich, den Schaltungsaufbau nach Fig. 2 und 3 vorzusehen, vorteilhafterweise den Schaltungsaufbau nach Fig. 3. Der Vorteil des in Fig. 3 gezeigten Schaltungsaufbaus ist darin zu sehen, dass die Strombelastung durch die jeweils mit Mittelanzapfungen ausgebildete Primär- und Sekundärwicklung (20p, 19p) des Trenntransformators 20 in den Wicklungen geringer ist, sodass auch die Strombelastung der Steckkontakte und der mit den Wicklungen (20p, 19p) verbundenen elektronischen Bauelemente (Gleichrichter 19 und mit Transistoren ausgebildete Schaltstufe 21) auf die Hälfte gegenüber Einweggleichrichtung reduziert ist. Ein weiterer Vorteil entsteht, wenn der Trenntransformator 20, wie weiter oben beschrieben, als Hochfrequenztransformator ausgebildet ist. Es wären Ausführungen denkbar, bei denen das Konzept der einzelnen Figuren miteinander in Art eines gemischten Konzepts kombiniert wird.

Bezugszeichenliste

1 bis 4 Ladevorrichtung

11 Motor bzw. Motor im Generatorbetrieb

12 Motorsteuerung

13 Zuschalteinrichtung für Supercap-Batterie

14 Kondensator-Batterie

15 Akkumulator

15k Akkumulator-Anschlussklemmen

16 Abschalteinrichtung

17 Sekundärzelle

18 Messeinrichtung zur Überwachung des Ladezustandes

19 Gleichrichter

20 Trenntransformator

20k Kurzschlussbrücke

20p Primärwicklung

20s Sekundärwicklung

21 Schaltstufe

22 Rückmeldewicklung

23 Bus-Verbindung

24 Spannungsversorgungseinrichtung

25 Fahrzeug-Steuereinrichtung

26 Eingangsklemmen

27 Kühleinrichtung

Claims

T/49211W01ΛΛ/K/PRAnsprüche

1. Ladevorrichtung für Akkumulatoren mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Sekundärzellen, insbesondere zum Einsatz in elektrischen Fahrzeugantrieben, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der mindestens zwei Sekundärzellen (17) ein durch einen

Trenntransformator (20) galvanisch getrennter Ladestromkreis vorgesehen ist.

2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Trenntransformator (20) vorgesehen ist, der pro

Ladestromkreis eine galvanisch getrennte niederohmige Sekundärwicklung (20s) aufweist.

3. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Trenntransformator (20) vorgesehen ist, dessen Primärwicklung (20p) und dessen Sekundärwicklungen (20s) eine Mittelanzapfung aufweisen.

4. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der mindestens zwei Ladestromkreise ein Trenntransformator (20) mit einer galvanisch getrennten niederohmigen Sekundärwicklung (20s) vorgesehen ist.

5. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenntransformator (20) für den Betrieb mit Hochfrequenz ausgebildet ist.

6. Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenntransformator für den Betrieb mit Hochfrequenz im Bereich von 40 bis 125 kHz ausgebildet ist.

7. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenntransformator (20) eine Rückmeldewicklung (22) aufweist.

8. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestromkreis einen Gleichrichter (19) mit geringer Durchlassspannung aufweist.

9. Ladevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (19) durch eine Leistungs-Schottky-Diode gebildet ist.

10. Ladevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (19) und die Sekundärwicklung (20s) des Trenntransformators (20) für den maximalen Betriebsstrom des Akkumulators (15) ausgelegt sind, wenn Einweggleichrichtung vorgesehen ist oder dass der Gleichrichter (19) und die Sekundärwicklung (20s) des Trenntransformators (20) für den halben maximalen Betriebsstrom des Akkumulators (15) ausgelegt sind, wenn Vollweggleichrichtung vorgesehen ist.

11. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestromkreis eine Messeinrichtung (18) zur Überwachung des Ladezustands der Sekundärzelle (17) aufweist.

12. Ladevorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Messeinrichtung (18) mit einer Abschalteinrichtung (16) verbunden ist, die in Reihe mit der Sekundärzelle (17) geschaltet ist.

13. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (20p) des Trenntransformators (20) mit einer Schaltstufe (21) verbunden ist, die von einer vorzugsweise mikrocontrollergesteuerten

Spannungsversorgungseinrichtung (24) gespeist ist.

14. Ladevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstufe (21) durch mindestens einen Insulated-Gate Bipolar

Transistor (IGBT) gebildet ist.

15. Ladevorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinrichtung (24) durch eine vorzugsweise mikrocontrollergesteuerte Steuereinrichtung (25) steuerbar ist.

16. Ladevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (25) zur Drehzahlsteuerung und/oder

Traktionskontrolle vorgesehen ist.

17. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung als eine mit dem Akkumulator (15) fest oder lösbar verbundene Einrichtung ausgebildet ist.

18. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Trenntransformator(en) (20) und die Spannungsversorgungseinrichtung (24) eine mit dem Akkumulator (15) lösbar verbundene Baugruppe bilden, wobei die Sekundärwicklungen (20s) der Trenntransformatoren (20) und die Trenntransformatoren (20) einen Teil dieser Baugruppe darstellen, und dass die Ladestromkreise lösbare Verbindungseinrichtungen aufweisen, über welche die Sekundärwicklungen (20s) des Trenntransformators (20) bzw. der Trenntransformatoren (20) in die

Ladestromkreise einbindbar sind.

19. Ladevorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbaren Verbindungseinrichtungen des Ladestromkreises durch

Kurzschlussbrücken (20k) überbrückbar sind.

20. Ladevorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbaren Verbindungseinrichtungen als Steckkontakte ausgebildet sind.

21. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Akkumulator (15) verbundene Baueinheit die

Messeinrichtungen (18) zur Überwachung des Ladezustandes, die Gleichrichter (19), die Trenntransformatoren (20), die Schaltstufen (22) und Spannungsversorgungseinrichtung (24) aufweist.

22. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Akkumulator (15) verbundene Baueinheit die Messeinrichtungen (18) zur Überwachung des Ladezustandes und die Gleichrichter (19) aufweist.

23. Ladevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärzellen (17) des Akkumulators (15) mit einer Kühleinrichtung (27) verbunden sind.