WO2014009254A1 - Ansteuervorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

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WO2014009254A1
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voltage
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rectified
rectifier circuit
charging
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PCT/EP2013/064160
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Heinz Waeldele
Ingo Dwertmann
Bertram SCHILLINGER
Holger Borst
Heiner Jacobs
Karlheinz Lunghard
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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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
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    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/14—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation with three or more levels of voltage

Definitions

  • the invention relates to a drive device and a method for charging an electrical energy store.
  • the publication DE 3 612 906 A1 describes a power supply for the transformerless conversion of a mains AC voltage in at least one DC voltage with at least one rectifier circuit, wherein at least one of the rectified AC mains voltage supplied energy storage device, which includes the series connection of the winding of a choke and a capacitor, via a rectifier or a Zener diode is connected to an output of the rectifier circuit.
  • the document DE 195 235 76 A1 describes an AC voltage
  • the AC voltage DC power supply described therein has a semiconductor switch which is mounted on the low voltage side of the flyback converter with a lower breakdown voltage.
  • the lower breakdown voltage can be achieved by means of a shunt regulator, which regulates a clamping voltage on the low-voltage switch side.
  • FIG. 10 shows an exemplary representation of an electrical drive with battery, intermediate circuit, converter and motor.
  • An inverter UMR1 generates from the battery voltage of a battery BR1 a rotating field for a motor M.
  • the battery BR1 comprises statically or variably interconnected cells Z1 -Z2.
  • the inverter UMR1 is passive in the state of charge.
  • FIG. 11 shows an exemplary illustration of a charging device.
  • the charger includes a line filter B1, a diode rectifier B2, a power factor correction filter B3, a first voltage intermediate circuit B4, a transformer bridge circuit B5, a second voltage intermediate circuit B6 and an output B7.
  • the present invention provides a drive device for charging an electrical energy storage device comprising: a network filter device which is designed to limit electrical interference of an input AC voltage; a mains rectifier circuit means coupled to the mains filter means and adapted to convert the AC input voltage into a rectified input voltage; a full bridge device coupled to the power rectifier circuit means and configured to convert the rectified input voltage into a high frequency AC voltage; a transformer device coupled to the full bridge device and configured to convert the high frequency AC voltage into a transformed AC voltage; a rectifier circuit means coupled to the transformer means and adapted to convert the transformed AC voltage to a rectified output voltage; and an output choke coupled to the rectifier circuit means and configured to filter the rectified output voltage to thereby charge the electrical energy storage.
  • the present invention provides a method for charging an electrical energy storage, comprising the following method steps: converting an input AC voltage into a rectified input voltage and converting the rectified input voltage into a high-frequency AC voltage; Transforming the high frequency AC voltage into a transformed AC voltage and converting the transformed AC voltage to a rectified output voltage; and filtering the rectified output voltage.
  • said invention offers the advantage that neither the rectified mains voltage, nor the rectified output voltage must be smoothed.
  • the charging current is controlled so that the charging current follows the input voltage.
  • the present invention offers cost and space advantages over a normal charger.
  • the elimination of these large capacitors also results in an advantage in the life of the drive device.
  • the transformer device is used for galvanic isolation and sets by its transmission ratio, the voltage according to the requirements.
  • the output voltage of the transformer device is subsequently rectified.
  • the output choke is used for decoupling to direct converter, English "direct converter” short DICO or the decoupling to the direct inverter, English “direct inverter”, short DINV.
  • An idea of the present invention is that the charging current of the energy storage is adjusted by the counter voltage of the direct inverter or the direct converter accordingly.
  • the network filter device is designed as a low-pass filter. This advantageously allows to limit both electrical disturbances of electronic devices into the power supply network and electrical disturbances from the power supply network to the electronic devices.
  • the power rectifier circuit device is designed as an uncontrolled rectifier with a plurality of semiconductor diodes.
  • the full bridge device is formed as a bridge circuit.
  • the transformer device as a toroidal transformer or is designed as a planar transformer or as another transformer. This allows a space-saving integration of the transformer device.
  • the rectifier circuit device is designed as an uncontrolled rectifier with a plurality of semiconductor diodes. This advantageously allows to accomplish the rectification of the output voltage cost-effective and to achieve a reduction of the filter effort.
  • the output throttle device is designed as an air coil or as another coil. This advantageously allows to achieve filtering of the output voltage.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a drive device for charging an electrical energy store according to an embodiment of the invention
  • 2 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of an input voltage according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage profile of a rectified input voltage according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a high-frequency AC voltage according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a rectified output voltage according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a diagram of a temporal current profile of a charging current according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a diagram of a time profile of a countervoltage according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an integrated inverter with a direct converter according to a further embodiment of the invention
  • 9 is a schematic representation of a flowchart of a method for charging an electrical energy store according to an embodiment of the invention
  • FIG. 10 shows an exemplary illustration of an electrical output with battery, intermediate circuit, converter and motor
  • Fig. 1 1 is an exemplary illustration of a charger.
  • a drive device 100 for charging an electrical energy store T5 comprises a network filter device T1, a mains rectifier circuit device T2, a full bridge device T3, a transformer device TRF1, a rectifier circuit device T4 and an output choke device DL1.
  • the network filter device T1 in the present embodiment comprises a network filter N1.
  • the network filter device T1 is designed, for example, to limit electrical interference of an input AC voltage U1.
  • the network filter device T1 can limit both electrical interference from electronic devices in the power supply network and electrical interference from the power supply network in the electronic devices.
  • the power rectifier circuit device T2 is in the present case designed as an uncontrolled rectifier with a plurality of semiconductor diodes HL1-HL4. Furthermore, the network rectifier circuit device T2 is designed, for example, to convert the input AC voltage U1 into a rectified input voltage U2.
  • the full-bridge device T3 is designed, for example, as a bridge circuit and comprises a plurality of field-effect transistors FET1-FET4. In this case, other transistors of any type can be used instead of the field effect transistors FET1 - FET4.
  • the transformer device TRF1 is designed, for example, to convert the high-frequency AC voltage U3 into a transformed AC voltage U4.
  • the transformer device TRF1 is designed, for example, as a toroidal transformer or as a planar transformer.
  • the rectifier circuit device T4 is designed to convert the transformed AC voltage U4 into a rectified output voltage U5.
  • the rectifier circuit device T4 in the present embodiment includes a plurality of semiconductor diodes HL5-HL8.
  • the output throttle DL1 is designed, for example, the
  • the electrical energy store T5 comprises at least one cell module Z1 -Zn.
  • the direct converter of the electrical energy store T5 actively switches a specific number of cell modules Z1 -Zn as a function of a charging voltage U6 applied to the electrical energy store T5 in order to generate a countervoltage U7 advantageous for charging the electrical energy store in accordance with the charging voltage U6.
  • a charging voltage U6 63.3 V
  • three cell modules Z1-Z3 are connected in series internally, each cell module having a cell voltage of 20 V.
  • an applied charging voltage U6 of 43.3 V two cell modules Z1 -Z3 are connected internally in series.
  • the direct converter can switch the cell modules Z1-Zn on and off in a predetermined sequence in order to ensure uniform charging of the electrical energy store T5.
  • the switching operations of the direct converter can take place within time periods in the milli or microsecond range.
  • the electrical energy storage T5 is, for example, as a cell module composite with a plurality of lithium-ion accumulators, capacitors, lithium polymer accumulators, lithium titanate accumulators, lithium manganese accumulators or lithium iron phosphate accumulators or with formed a plurality of other accumulators or electrical energy storage.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of an input voltage according to another embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the time diagram shown in Figure 2 represents the amplitude of the input AC voltage U1 in the unit volts, on the abscissa axis, the time t is plotted.
  • a voltage characteristic curve SK1 is shown in the diagram shown in FIG. 2 and represents the time profile of the input AC voltage U1.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a rectified input voltage according to another embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the time diagram shown in FIG. 3 represents the amplitude of the rectified input voltage in the unit volt, and the time t is plotted on the abscissa axis.
  • a voltage characteristic curve SK2 is shown in the diagram shown in FIG. 3 and represents the time profile of the rectified input voltage U2.
  • 4 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a high-frequency AC voltage according to another embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the timing diagram shown in FIG. 4 represents the amplitude of a high-frequency alternating voltage U3 in the unit volt, the time t is plotted on the abscissa axis.
  • a voltage characteristic curve SK3 is shown in the diagram shown in FIG. 4 and represents the time profile of the high-frequency AC voltage U3.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a rectified output voltage according to a further embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the timing diagram shown in FIG. 5 represents the amplitude of a rectified output voltage U5 in the unit volt, the time t is plotted on the abscissa axis.
  • a voltage characteristic curve SK4 is shown in the diagram shown in FIG. 5 and represents the time course rectified output voltage U5.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a diagram of a temporal current profile of a charging current according to another embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the time diagram shown in FIG. 6 represents the amplitude of a charging current in the unit A, the time t is plotted on the abscissa axis.
  • a current characteristic IK1 is shown in the diagram shown in FIG. 5 and represents the time profile of a charging current 11 corresponding to the rectified output voltage U5.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a diagram of a temporal voltage curve of a reverse voltage according to a further embodiment of the invention.
  • the ordinate axis of the time diagram shown in FIG. 7 represents the amplitude of a countervoltage U7 in the unit volt, the time t is plotted on the abscissa axis.
  • a voltage characteristic curve SK5 is shown in the diagram shown in FIG. 7 and represents the time profile of the countervoltage U7.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an integrated inverter with a direct converter according to a further embodiment of the invention.
  • the integrated inverter DICO allows a direct converter to directly generate the rotating field with a predetermined amplitude and a predetermined frequency for the motor.
  • the concept of the integrated DICO inverter generates a variable DC link voltage.
  • These concepts also require a charging circuit, such as the driving device 100 for charging the electrical energy storage T5.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a flow diagram of a method for charging an electrical energy store according to an embodiment of the invention.
  • the method for charging the electrical energy store T5 with a direct converter is carried out, for example, by the drive device 100.
  • a conversion S1 of an input AC voltage U1 into a rectified input voltage U2 and a conversion of the rectified input voltage U2 into a high-frequency AC voltage U3 takes place.
  • a transformation S2 of the high-frequency AC voltage U3 into a transformed AC voltage U4 and a conversion of the transformed AC voltage U4 to a rectified output voltage U5 takes place.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (T5), mit: einer Netzfiltereinrichtung (T1), welcher dazu ausgelegt ist, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung (U1) zu begrenzen; einer Netzgleichrichterschaltungseinrichtung (T2), welche mit der Netzfiltereinrichtung (T1) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die Eingangswechselspannung (U1) in eine gleichgerichtete Eingangsspannung (U2) zu wandeln; einer Vollbrückeneinrichtung (T3), welche mit der Netzgleichrichterschaltungseinrichtung (T2) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Eingangsspannung (U2) in eine hochfrequente Wechselspannung (U3) zu wandeln; einer Transformatoreinrichtung (TRF1), welche mit der Vollbrückeneinrichtung (T3) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die hochfrequente Wechselspannung (U3) in eine transformierte Wechselspannung (U4) zu wandeln; einer Gleichrichterschaltungeinrichtung (T4), welche mit der Transformatoreinrichtung (TRF1) gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die transformierte Wechselspannung (U4) in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung (U5) zu wandeln; und einer Ausgangsdrosseleinrichtung (DL1), welche mit der Gleichrichterschaltungseinrichtung (T4) gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Ausgangsspannung (U5) zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher (T5) aufzuladen.

Description

Beschreibung Titel
Ansteuervorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers
Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 3 612 906 A1 beschreibt ein Netzteil für die transformatorlose Umwandlung einer Netzwechselspannung in zumindest eine Gleichspannung mit wenigstens einer Gleichrichterschaltung, wobei mindestens eine von der gleichgerichteten Netzwechselspannung gespeiste Energiespeicheranordnung, die die Reihenschaltung der Wicklung einer Drossel und eines Kondensators enthält, über einen Gleichrichter oder eine Zener- Diode mit einem Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden ist. Die Druckschrift DE 195 235 76 A1 beschreibt ein Wechselspannungs-
Gleichspannungsnetzteil und ein Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in Hochspannungssystemen. Das dort beschriebene Wechselspan- nungs-Gleichspannungsnetzteil weist einen Halbleiterschalter auf, welcher auf der Nied- rigspannungsseite des Rücklaufwandlers mit einer niedrigeren Durchbruchspannung montiert ist. Die niedrigere Durchbruchspannung ist mittels eines Nebenschlußreglers erzielbar, welcher eine Klemmspannung auf der Niedrigspannungsschalterseite reguliert.
Die Figur 10 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines elektrischen Antriebs mit Batterie, Zwischenkreis, Umrichter und Motor.
Ein Umrichter UMR1 erzeugt aus der Batteriespannung einer Batterie BR1 ein Drehfeld für einen Motor M. Die Batterie BR1 umfasst statisch oder variabel zusammengeschaltete Zellen Z1 -Z2. Das Laden der Batterie BR1 erfolgt über eine - nicht dargestellte - separate Schaltung, die an den Zwischenkreis ZK1 angeschlossen wird. Der Umrichter UMR1 ist im Ladezustand passiv.
Die Figur 1 1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Ladegerätes. Das Ladegerät umfasst einen Netzfilter B1 , einen Diodengleichrichter B2, einen Leistungsfaktorkorrekturfilter B3, einen ersten Spannungszwischenkreis B4, eine Transformatorbrückenschaltung B5, eine zweite Spannungszwischenkreis B6 und einen Ausgang B7.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mit: einer Netzfiltereinrichtung, welcher dazu ausgelegt ist, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung zu begrenzen; einer Netzgleichrichterschal- tungseinrichtung, welche mit der Netzfiltereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die Eingangswechselspannung in eine gleichgerichtete Eingangsspannung zu wandeln; einer Vollbrückeneinrichtung, welche mit der Netzgleichrichterschaltungseinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Eingangsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung zu wandeln; einer Transformatoreinrichtung, welche mit der Vollbrückeneinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die hochfrequente Wechselspannung in eine transformierte Wechselspannung zu wandeln; einer Gleichrichterschaltungseinrichtung, welche mit der Transformatoreinrichtung gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die transformierte Wechsel-Spannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung zu wandeln; und einer Ausgangsdrosseleinrichtung, welche mit der Gleichrichterschaltungseinrichtung gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Ausgangsspannung zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher aufzuladen.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, mit folgenden Verfahrensschritten: Wandeln einer Eingangswechselspannung in eine gleichgerichtete Eingangsspannung und Wandeln der gleichgerichteten Eingangsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung; Transformieren der hochfrequenten Wechselspannung in eine transformierte Wechselspannung und Wandeln der transformierten Wechselspannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung; und Filtern der gleichgerichteten Ausgangsspannung.
Vorteile der Erfindung
Gegenüber einem normalen Ladegerät bietet die genannte Erfindung den Vorteil, dass weder die gleichgerichtete Netzspannung, noch die gleichgerichtete Ausgangsspannung geglättet werden müssen.
Dadurch sind große, teure Kondensatoren nicht mehr notwendig. Durch den Verzicht auf große, teure Kondensatoren wird auch die Lebensdauer des Ladegeräts erhöht. Durch das Entfallen dieser Kondensatoren wird somit auch keine Einschaltstrombegren- zungsschaltung und auch keine Entladeschaltung zur Gewährleistung der Hochvolt- Sicherheit des Ladegerätes mehr benötigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass kein zusätzlicher
Leistungsfaktorkorrekturfilter, englisch Power Factor Correction, kurz PFC, benötigt wird. Der Ladestrom wird so geregelt, dass der Ladestrom der Eingangsspannung folgt.
Dadurch bietet die vorliegende Erfindung Kosten- und Bauraumsvorteile gegenüber einem normalen Ladegerät. Durch den Wegfall dieser großen Kondensatoren ergibt sich auch ein Vorteil in der Lebensdauer der Ansteuervorrichtung.
Die Transformatoreinrichtung dient der galvanischen Trennung und setzt durch sein Übersetzungsverhältnis die Spannung entsprechend den Anforderungen um. Die Aus- gangsspannung der Transformatoreinrichtung wird im Anschluss gleichgerichtet. Die Ausgangsdrossel dient der Entkopplung zum direkten Wandler, englisch„direct Converter" kurz DICO oder der Entkopplung zum direkten Wechselrichter, englisch„direkt inverter", kurz DINV. Eine Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Ladestrom des Energiespeichers durch die Gegenspannung des direkten Wechselrichters oder des direkten Wandlers entsprechend eingestellt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Netz- filtereinrichtung als ein Tiefpass ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, sowohl elektrische Störungen von elektronischen Geräten in das Stromversorgungsnetz als auch elektrische Störungen von dem Stromversorgungsnetz in die elektronischen Geräte zu begrenzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Netzgleichrichterschaltungseinrichtung als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vollbrückeneinrichtung als eine Brückenschaltung ausge- bildet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Transformatoreinrichtung als ein Ringkerntransformator oder als ein Planartransformator oder als ein sonstiger Transformator ausgebildet ist. Dies erlaubt eine platzsparende Integration der Transformatoreinrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichrichterschaltungseinrichtung als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, die Gleichrichtung der Ausgangsspannung kostengünstig zu bewerkstelligen und eine Verringerung des Filteraufwands zu erreichen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangsdrosseleinrichtung als Luftspule oder als eine sonstige Spule ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, eine Filterung der Ausgangsspannung zu erreichen. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer hochfrequenten Wechselspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Span- nungsverlaufs einer gleichgerichtete Ausgangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Stromverlaufs eines Ladestromes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin- dung;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Gegenspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines integrierten Wechselrichters mit einem direkten Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine beispielhafte Darstellung eines elektrischen Abtriebs mit Batterie, Zwi- schenkreis, Umrichter und Motor; und
Fig. 1 1 eine beispielhafte Darstellung eines Ladegerätes.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Ansteuervomchtung 100 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers T5 umfasst eine Netzfiltereinrichtung T1 , eine Netzgleichrichterschaltungseinrichtung T2, eine Vollbrückeneinrichtung T3, eine Transformatoreinrichtung TRF1 , eine Gleichrichterschal- tungseinrichtung T4 und eine Ausgangsdrosseleinrichtung DL1 .
Die Netzfiltereinrichtung T1 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen Netzfilter N1 . Die Netzfiltereinrichtung T1 ist beispielsweise dazu ausgelegt, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung U1 zu begrenzen. Dabei kann die Netzfiltereinrichtung T1 sowohl elektrische Störungen von elektronischen Geräten in das Stromversorgungsnetz als auch elektrische Störungen von dem Stromversorgungsnetz in die elektronischen Geräte begrenzen.
Die Netzgleichrichterschaltungseinrichtung T2 ist vorliegend als ein ungesteuerter Gleich- richter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden HL1 -HL4 ausgebildet. Ferner ist die Netz- gleichrichterschaltungseinrichtung T2 beispielsweise dazu ausgelegt, die Eingangswechselspannung U1 in eine gleichgerichtete Eingangsspannung U2 zu wandeln.
Die Vollbrückeneinrichtung T3 ist beispielsweise als eine Brückenschaltung ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren FET1 - FET4. Dabei können anstelle der Feldeffekttransistoren FET1 - FET4 auch sonstige Transistoren beliebiger Bauart verwendet werden.
Die Transformatoreinrichtung TRF1 ist beispielsweise dazu ausgebildet, die hochfrequen- te Wechselspannung U3 in eine transformierte Wechselspannung U4 zu wandeln. Die Transformatoreinrichtung TRF1 ist beispielsweise als ein Ringkerntransformator oder als ein Planartransformator ausgebildet.
Die Gleichrichterschaltungseinrichtung T4 ist vorliegend dazu ausgelegt ist, die transfor- mierte Wechselspannung U4 in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U5 zu wandeln. Die Gleichrichterschaltungseinrichtung T4 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform eine Mehrzahl von Halbleiterdioden HL5-HL8.
Die Ausgangsdrosseleinrichtung DL1 ist beispielsweise dazu ausgelegt, die
hochfreuqenten Anteile der gleichgerichteten Ausgangsspannung U5 zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher T5 aufzuladen. Der elektrische Energiespeichers T5 umfasst mindestens ein Zellmodul Z1 -Zn. Dabei schaltet der direkte Wandler des elektrischen Energiespeichers T5 in Abhängigkeit einer an dem elektrischen Energiespeicher T5 anliegenden Ladespannung U6 eine bestimmte Anzahl an Zellmodulen Z1 -Zn aktiv zusammen, um entsprechend der Ladespannung U6 eine für das Laden des elektrischen Energiespeichers vorteilhafte Gegenspannung U7 zu erzeugen. Beispielsweise werden bei einer anliegenden Ladespannung U6 von 63,3 V drei Zellmodule Z1 -Z3 intern in Reihe geschaltet, wobei jedes Zellmodul eine Zellspannung von 20 V aufweist. Bei einer anliegenden Ladespannung U6 von 43,3 V werden zwei Zellmodule Z1 -Z3 intern in Reihe geschaltet. Ferner kann der direkte Wandler die Zellmodule Z1 -Zn in einer vorgegebenen Reihenfolge zu- und abschalten, um ein gleichmäßiges Laden des elektrischen Energiespeichers T5 zu gewährleisten. Dabei können die Schaltvorgänge des direkten Wandlers innerhalb von Zeitspannen im Milli oder Mikro- sekundenbereich erfolgen. Der elektrische Energiespeicher T5 ist beispielsweise als Zellmodul-Verbund mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Akkumulatoren, von Kondensatoren, von Lithium-Polymer- Akkumulatoren, von Lithiumtitanat-Akkumulatoren, von Lithium-Mangan-Akkumulatoren oder von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren oder mit einer Mehrzahl von sonstige Akkumulatoren oder elektrischen Energiespeichern ausgebildet.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 2 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude der Eingangswechselspannung U1 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.
Eine Spannungskennlinie SK1 ist in dem in der Figur 2 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der Eingangswechselspannung U1 wieder.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Ordinatenachse des in Figur 3 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude der gleichgerichteten Eingangsspannung in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen. Eine Spannungskennlinie SK2 ist in dem in der Figur 3 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Eingangsspannung U2 wieder. Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer hochfrequenten Wechselspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Ordinatenachse des in Figur 4 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer hochfrequenten Wechselspannung U3 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.
Eine Spannungskennlinie SK3 ist in dem in der Figur 4 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der hochfrequenten Wechselspannung U3 wieder.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Ausgangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 5 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer gleichgerichteten Ausgangsspannung U5 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.
Eine Spannungskennlinie SK4 ist in dem in der Figur 5 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf gleichgerichtete Ausgangsspannung U5 wieder.
Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Stromverlaufs eines Ladestroms gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 6 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude eines Ladestroms in der Einheit A dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.
Eine Stromkennlinie IK1 ist in dem in der Figur 5 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf eines Ladestroms 11 entsprechend der gleichgerichteten Aus- gangsspannung U5 wieder. Die Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Gegenspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 7 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer Gegenspannung U7 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.
Eine Spannungskennlinie SK5 ist in dem in der Figur 7 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der Gegenspannung U7 wieder.
Die Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung eines integrierten Wechselrichters mit einem direkten Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Durch ein gesteuertes Zusammenschalten von einzelnen Zellmodulen Z1 -Z6 ermöglicht der integrierte Wechselrichter DICO mit einem direkten Wandler direkt das Drehfeld mit einer vorbestimmten Amplitude, und einer vorbestimmten Frequenz für den Motor zu erzeugen. Beim Konzept des integrierten Wechselrichters DICO wird eine variable Zwi- schenkreisspannung erzeugt. Diese Konzepte erfordert auch eine Ladeschaltung, wie etwa die Ansteuervorrichtung 100 zum Laden des elektrischen Energiespeichers T5.
Die Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Verfahren zum Laden des elektrischen Energiespeichers T5 mit einem direkten Wandler wird beispielsweise durch die Ansteuervorrichtung 100 ausgeführt.
In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Wandeln S1 einer Eingangswechselspan- nung U1 in eine gleichgerichtete Eingangsspannung U2 und ein Wandeln der gleichgerichteten Eingangsspannung U2 in eine hochfrequente Wechselspannung U3.
In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein Transformieren S2 der hochfrequenten Wechselspannung U3 in eine transformierte Wechselspannung U4 und ein Wandeln der transformierten Wechselspannung U4 in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U5.
In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt ein Filtern S3 der gleichgerichteten Ausgangsspannung U5. Ausführungsformen der Erfindung
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1 . Ansteuervorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (T5) mit:
- einer Netzfiltereinrichtung (T1 ), welcher dazu ausgelegt ist, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung (U1 ) zu begrenzen;
- einer Netzgleichrichterschaltungseinrichtung (T2), welche mit der Netzfiltereinrichtung (T1 ) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die Eingangswechselspannung (U1 ) in eine gleichgerichtete Eingangsspannung (U2) zu wandeln;
- einer Vollbrückeneinrichtung (T3), welche mit der Netzgleichrichterschaltungsein- richtung (T2) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Eingangsspannung (U2) in eine hochfrequente Wechselspannung (U3) zu wandeln;
- einer Transformatoreinrichtung (TRF1 ), welche mit der Vollbrückeneinrichtung (T3) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die hochfrequente Wechselspannung (U3) in eine transformierte Wechselspannung (U4) zu wandeln;
- einer Gleichrichterschaltungseinrichtung (T4), welche mit der Transformatoreinrichtung (TRF1 ) gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die transformierte Wechselspannung (U4) in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung (U5) zu wandeln; und
- einer Ausgangsdrosseleinrichtung (DL1 ), welche mit der Gleichrichterschaltungseinrichtung (T4) gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Ausgangsspannung (U5) zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher (T5) aufzuladen.
2. Ansteuervorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Netzfiltereinrichtung (T1 ) als ein Tiefpass ausgebildet ist.
3. Ansteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Netzgleich- richterschaltungseinrichtung (T2) als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden (HL1 -HL4) ausgebildet ist.
4. Ansteuervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vollbrückeneinrichtung (T3) als eine Brückenschaltung ausgebildet ist.
5. Ansteuervornchtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Transformatoreinrichtung (TRF1 ) als ein Ringkerntransformator oder als ein Planartransformator ausgebildet ist.
6. Ansteuervornchtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleichrichterschaltungseinrichtung (T4) als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden (HL5-HL8) ausgebildet ist.
7. Ansteuervornchtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausgangsdrosseleinrichtung (DL1 ) als Spule mit mindestens einem magnetisierbaren Kern ausgebildet ist.
8. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (T5), mit den Schritten:
- Wandeln (S1 ) einer Eingangswechselspannung (U1 ) in eine gleichgerichtete Eingangsspannung (U2) und Wandeln der gleichgerichteten Eingangsspannung (U2) in eine hochfrequente Wechselspannung (U3);
- Transformieren (S2) der hochfrequenten Wechselspannung (U3) in eine transformierte Wechselspannung (U4) und Wandeln der transformierten Wechselspannung (U4) in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung (U5);
und
- Filtern (S3) der gleichgerichteten Ausgangsspannung (U5).
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