WO2016091426A1 - Vorrichtung zum laden einer batterieeinheit und betreiben einer lasteinheit über einen wechselrichter - Google Patents

Vorrichtung zum laden einer batterieeinheit und betreiben einer lasteinheit über einen wechselrichter Download PDF

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Philipp Kohlrausch
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Definitions

  • the present invention relates to a device for loading a
  • Chargers are used to charge such a battery. These chargers consist of an AC to DC converter and a DC to DC converter. The battery is either connected directly to the charger after removal from the bike or, when charging on a bicycle, loaded within the battery holder via another interface.
  • DC source allows. It should be dispensed with both additional cost and for reasons of weight on additional converter.
  • the inventive device for charging a battery unit and
  • Operating a load unit via an inverter comprises a load unit having a plurality of terminals, the load unit having at least one inductive element between at least two of the terminals
  • Inverter which includes several switching elements and its output with coupled to the terminals of the load unit, a selection unit and a control unit.
  • the control unit is configured to control the selection unit in an operating phase in such a way that a first pole of a battery unit is coupled to a first input of the inverter in order to supply it with a battery voltage and to switch the switching elements of the inverter in the operating phase such that the load unit is supplied with a required AC voltage.
  • the control unit is further configured to the selection unit in a charging phase, in which a voltage tap of an external supply unit is coupled to the first input of the inverter, to this with an external DC voltage or an external DC
  • Battery unit is coupled to one of the inductive elements of the load unit, and to switch the switching elements of the inverter such that the
  • Battery unit coupled inductive element is supplied with a required charging current or a required charging voltage.
  • the inventive method for charging a battery unit and operating a load unit via an inverter comprises determining whether an operating phase or a charging phase is present. In case of a present
  • Operating phase is carried out coupling a first pole of a battery unit with a first input of an inverter to this with a
  • the first pole of the battery unit is coupled to an inductive element of the load unit and a voltage tap of an external supply unit is coupled to the first input of the inverter in order to supply it with an external DC voltage or an external DC current. Furthermore, in the case of an existing charging phase, switching of the switching elements of the inverter takes place in such a way that the battery unit is supplied by the external supply unit via one of the inductive elements with a required charging current or a required charging voltage.
  • the inventive device and the method according to the invention prove to be advantageous because by this a charging a battery of the Battery unit is made possible by means of a provided DC voltage or a supplied DC.
  • the components of the device which are necessary for operating the load unit, also used to provide the required charging current or the required charging voltage for the battery of the battery unit. Only a minimal number of additional components is thus needed, whereby both a cost advantage and a weight advantage can be achieved.
  • the load unit comprises a motor, wherein the inductive element is in particular a coil of the motor.
  • the inductive element is in particular a coil of the motor.
  • the device comprises a sensor for measuring the voltage and / or the current with which the battery is charged, and the switching elements are switched in the charging phase such that a control of the voltage and / or current based the values measured by the sensor.
  • a precise detection of a current charging voltage or a current charging current is made possible, which in turn allows an exact setting of the required charging voltage or the required charging current.
  • Supply unit is supplied via the plurality of coupled to the battery unit inductive elements with the required charging current.
  • the inductive elements are selected and interconnected such that a
  • the inverter comprises at least one capacitive element which forms an input-side buffer.
  • the device comprises a battery unit, wherein the battery unit comprises a protection circuit against overcharging of a battery.
  • the battery unit comprises a protection circuit against overcharging of a battery.
  • the inverter coupled in a first time interval of the charging phase, the external supply unit via a first switching element of the switching elements and an inductive element with a first pole of the battery unit and coupled in a second time interval of the charging phase, a second pole of the battery unit via a second switching elements of
  • the second switching element comprises a diode, in particular an inverse diode or parasitic diode, wherein the coupling of the second pole of the battery unit with the first pole of the battery unit via an inductive element of the load unit in the second time interval via the diode.
  • a switching of the second switching element in the second time interval is not required. This simplifies the control of the switching elements.
  • the inductive element is preceded by a resistor.
  • the switching elements are power transistors, in particular IGBTs (insulated gate bipolar transistor), or MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). These allow fast switching of high currents and thus allow precise control of the charging current or the charging voltage.
  • the load unit has a triangular circuit or a star connection. A star connection makes it possible to regulate the charging current or the charging voltage via all of the switching elements that are coupled to the first input of the inverter.
  • Figure 1 is a circuit diagram of an exemplary inventive
  • Figure 2 is the circuit diagram of the exemplary inventive
  • FIG. 3 shows the circuit diagram of the exemplary invention
  • FIG. 4 shows the circuit diagram of the exemplary invention
  • FIG. 1 shows an exemplary device according to the invention for charging a battery unit 10 and operating a load unit 20 via an inverter 30.
  • a control electronics of an electric drive in particular a B6 bridge of the inverter 30, used to switch from a constant DC voltage to an optional current or voltage controlled
  • Charging method for a battery 12 of the battery unit 10 to provide.
  • an existing drive electronics is merely extended by two switches to realize the charging function.
  • the device is arranged in this first embodiment in an electrically assisted bicycle.
  • the load unit 20 comprises a motor, which is arranged for a propulsion of the bicycle.
  • the battery unit 10 comprises the battery 12, which in this first embodiment has a lithium-ion battery.
  • Battery is and is an energy store of electrically assisted bicycle.
  • the bicycle further comprises a selection unit 40 and a control unit 60.
  • Figure 1 shows an external supply unit 50, which is not part of the bicycle.
  • the load unit 20 comprises a first inductive element 22a, a second inductive element 22b and a third inductive element 22c.
  • Each of the first to third inductive elements 22a to 22c in each case forms a coil of an electric motor.
  • the load unit further comprises a first resistor 23a, a second resistor 23b and a third resistor 23c.
  • the first to third resistance 23a to 23c of the circuit shown in Figure 1 in this first embodiment of the invention are not separate components, but merely represent a resistance of the coils of the motor.
  • the first to third Wderstand 23a to 23c are also designed as actual components.
  • the load unit 20 further has a first terminal 21 a, a second terminal 21 b and a third terminal 21 c. Furthermore, the load unit has a return connection 24.
  • the first terminal 21 a is connected via a series circuit of the second resistor 23 b, the second inductive element 22 b, the third resistor 23 c and the third inductive element 22 c with the return port 24.
  • the second terminal 21 b is connected via a series circuit of the first inductive element 22 a and the first Wderstandes 23 a with the
  • the third port 21 c is directly connected to the return port 24.
  • the load unit 20 thus has a plurality of terminals 21 a to 21 c, wherein the load unit 20 between the first terminal 21 a and the third terminal 21 c, the first inductive Element 22a and between the first terminal 21 a and the third terminal 21 c, the second inductive element 22b and the third inductive element 22c. Furthermore, the load unit 20 between the first terminal 21 a and the second terminal 21 b, the first to third inductive elements 22a to 22c.
  • the battery unit 10 includes the battery 12, a first battery switch 13a, a second battery switch 13b, a Schottky diode 13c, and a sensor 14.
  • the sensor 14 is a sensor suitable for measuring a voltage and a current. For measuring a current, the sensor 14 can do so
  • Both the first battery switch 13a and the second battery switch 13b are implemented by a MOSFET.
  • Battery unit 10 has a first pole 11 a and a second pole 1 1 b.
  • the first pole 11 a and the second pole 1 1 b are the points of the battery unit 10, where a voltage is tapped.
  • the first pole 1 1a is over a
  • first battery switch 13 a Series connection of the first battery switch 13 a, the second battery switch 13 b and the sensor 14 connected to a positive pole of the battery 12.
  • the second pole 11 b of the battery unit 10 is connected to a negative pole of the battery 12.
  • the first pole 11a is connected to a cathode of the Schottky diode 13c.
  • the anode of the Schottky diode 13c is connected to the second pole 11b.
  • Battery switch 13b makes it possible to disconnect the battery 12 from the first pole 1a. Thus, a flow of current through the battery 12 can be prevented if overcharging or over-discharge of the battery 12 threatens.
  • the Schottky diode 13 c By the Schottky diode 13 c, a direct conductive connection between the first pole 1 1 a and the second pole 11 b is produced, if an overvoltage is applied to the poles of the battery unit 10.
  • the first battery switch 13a, the second battery switch 13b and the Schottky diode 13c thus together form a protection circuit against overcharging of the battery 12 and thus the
  • the inverter 30 includes a capacitor 38, a first switching element 31, a second switching element 32, a third switching element 33, a fourth switching element 34, a fifth switching element 35 and a sixth switching element 36.
  • Each of the first to sixth switching elements 31 to 36 is a MOSFET ,
  • a first input 37a of the inverter 30 is connected to a first side of the first to third switching elements 31 to 33, respectively.
  • a second page of the second switching element 32 is connected to the first terminal 21 a of
  • a second side of the first switching element 31 is connected to the second terminal 21 b of the load unit 20.
  • a second side of the third switching element 33 is connected to the third terminal 21 c of the load unit 20.
  • the second side of the second switching element 32 is connected to a first side of the fourth switching element 34.
  • the second side of the first switching element 31 is further connected to a first side of the fifth switching element 35.
  • the second side of the third switching element 33 is further connected to a first side of the sixth switching element 36.
  • a respective second side of the fourth to sixth switching elements 34 to 36 is in each case connected to the second input 37b of the inverter 30.
  • the first input 37a of the inverter 30 is also connected via the capacitor 38 to the second input 37b of the inverter.
  • the selection unit 40 includes a first selection switch 41 and a second selection switch 42.
  • the first selection switch is a three-pole switch.
  • the first selection switch 41 is connected in each case with one of its poles to the first pole of the battery unit 10, to the return connection 24 of the load unit 20 and to the first input of the inverter 30.
  • the first selection switch 41 can be switched such that either the first pole
  • 1 1a of the battery unit 10 is connected to the first input 37a of the inverter 30 or the first pole 1 1a of the battery unit 10 with the
  • Selection switch 42 is separable on a first side with a
  • Voltage tap 51 of the external supply unit 50 is connected and connected to a second side with the first input 37 a of the inverter 30.
  • the second selection switch 42 thus enables a switchable connection between the voltage tap 51 and the first input 37a.
  • Voltage tap 51 of the external supply unit 50 can via a
  • Charging cable can be made if a user of the bicycle intends to charge the battery 12 by means of the external supply unit 50.
  • the second selector switch ensures, inter alia, a voltage free of the charging cable during the operating phase.
  • the first and second selector switches 41, 42 are designed as relays in this embodiment. In other embodiments, these may also be as a circuit arrangement of transistors, in particular MOSFETs or other power semiconductors are executed.
  • the second pole 11 b of the battery unit 10 is connected to the second input 37 b of the inverter 30.
  • the external supply unit 50 has a DC voltage source 52 which outputs a DC voltage of 60 volts.
  • the DC voltage is higher than a nominal voltage of the battery 12, which is selected in this embodiment to 36 volts.
  • a negative pole of the voltage source 52 is connected to a
  • Circuit ground 53 of the external supply unit 50 is connected and a positive pole of the voltage source 52 is connected to the external voltage tap 51 of the external supply unit 50.
  • Supply unit 50 may also be connected to the device according to the invention an alternative external supply unit having a DC power source.
  • the negative pole of the battery 12 also forms a circuit ground.
  • Circuit ground of the external power supply unit 50 and the circuit ground of the battery unit 10 is produced.
  • the control unit 60 is connected to both the inverter 30 and the selection unit 40. This connection is designed such that by the control unit 60, both the first selection switch, the second
  • Selection switch and also the first to sixth switching element can be switched. Furthermore, the control unit 60 is connected to the battery unit 10, so that a voltage measured by the sensor 14 or a current measured by the sensor 14 can be transmitted to the control unit 60. For switching the first to sixth switching elements 31 to 36, a pulse-width-modulated signal is in each case transmitted from the control unit 60 to the corresponding switching element 31 to 36.
  • the device according to the invention is connected to the external supply unit 50, then it is in a charging phase.
  • this charging phase the battery 12 of the battery unit 10 by means of the external supply unit 50th charged. Is the device of the invention of the external
  • the control unit 60 is enabled to drive the inverter 30 in such a manner that the motor of the load unit 20, powered by the battery unit 10, causes the bicycle to propel.
  • the second selection switch 42 is opened and the first selection switch 41 establishes a conductive connection between the first pole 11 a of the battery unit 10 and the first input 37 a of the inverter 30.
  • Figure 2 shows an exemplary current flow in the
  • FIG. 2 shows the state in which the second terminal 21b of the load unit 20 is raised to the positive potential of the battery 12, and the first terminal 21a and the third terminal 21c point to the voltage potential of the battery
  • Circuit ground 15 are pulled.
  • Rotary field generated by which the inductive elements 22a to 22c of the motor alternately applied with a voltage This leads to a rotational movement of the engine.
  • This rotational movement of the motor can be controlled by the control unit 60 based on any parameters.
  • FIGS. 3 and 4 show a current flow in the device according to the invention in a charging phase.
  • FIG. 3 shows a first time interval of the charging phase and
  • FIG. 4 shows a second time interval of FIG
  • the charging phase is in this embodiment by
  • the second selection switch 42 of the selection unit 40 is closed, which preferably happens when the inventive
  • the Device is connected to the external supply unit 50.
  • the first selection switch 41 of the selection unit 40 is switched such that the first pole 11 a of the battery unit 10 is connected to the return terminal 24 of the load unit 20.
  • the charging phase by a corresponding switching of the switching elements
  • the battery 12 is first charged with a constant charging current and, as soon as a predetermined
  • Charging state is reached, charged with a constant charging voltage.
  • the charging phase consists of a first time interval and a second time interval
  • Time interval which alternately occur during the charging phase.
  • a current flow in the first time interval is shown in FIG.
  • the first switching element 31 is turned on, that is conductive.
  • the remaining switching elements 32 to 36 are not turned on, that is not conductive.
  • a current flows from the external supply unit 50 through the first switching element 31, the first inductive element 22a, the first resistor
  • Switching element 31 slowly on. Wrd the switching element 31 is opened, this increase is interrupted.
  • the first switching element 31 is not conductive and the fifth switching element 35 is conductive.
  • the remaining switching elements 32, 33, 34, 36 are not turned on, that is not conductive.
  • FIG. A current now flows from the negative pole of the battery 12 via the fifth switching element 35, the first inductive element 22a, the first resistance 23a, the second battery switch 13b, the first battery switch 13a and the sensor 14 to the positive pole of the battery 12th Electricity is now in a freewheeling mode and decreases in relation to the value which the charging current has assumed in the first time interval.
  • the first switching element 31 is switched through and the fifth switching element 35 is opened. It recurs the state of the first time interval.
  • the charging current can also be the charging voltage through a
  • the control of the current or the voltage is preferably carried out via a 2-point controller (with hysteresis) or, as in this first embodiment, by a pulse width modulation.
  • Switching element 31 is switched in the first time interval, but any number of switching elements 31 to 36, which are connected to the first input 37a of the inverter 30, are turned on. Also, not only is the fifth switching element 31 switched in the second time interval, but any number of the switching elements 31 to 36 connected to the second input 37b of the inverter 30 are turned on. In the second time interval, the switching elements of the inverter 30 are preferably switched through, the first side of which is connected to the second side of a switched through in the first time interval switching element.
  • the load unit 20 comprises a star connection, wherein between the return terminal 24 and each of the terminals of the load unit 20 is in each case an inductive element.
  • none of the switching elements 31 to 36 is switched to a conducting state in the second time interval of the charging phase.
  • the switching elements 31 to 36 are designed as MOSFETs and the current flows in the second time interval via an inverse diode 35a of at least one of the switching elements 31 to 36, which are arranged in the inverter 30 on the side of the second pole (low-side).
  • a diode may also be arranged as an additional component, which also allows the same principle in combination with a switching element without an inverse diode (for example as an IGBT).
  • a down converter is thus provided by the components of an inverter in combination with the components of a load unit, which allows the charging of a battery 12 of a battery unit 10 by means of a DC voltage or a DC current.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit (10) und Betreiben einer Lasteinheit (20) über einen Wechselrichter (30). Dabei wird ein erster Pol (11a) der Batterieeinheit (10) mit einem induktiven Element (22a, 22b, 22c) der Lasteinheit (20) gekoppelt und ein Spannungsabgriffs (51) einer externen Versorgungseinheit (50) mit einem ersten Eingang (37a) des Wechselrichters (30) gekoppelt, um diesen mit einer externen Gleichspannung oder einem externen Gleichstrom zu versorgen. Ferner erfolgt ein Schalten der Schaltelemente (31 - 36) des Wechselrichters (30) in einer Weise, dass die Batterieeinheit (10) von der externen Versorgungseinheit (50) über eines der induktiven Elemente (22a, 22b, 22c) mit einem benötigten Ladestrom oder einer benötigten Ladespannung versorgt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit und Betreiben einer Lasteinheit über einen Wechselrichter
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden einer
Batterieeinheit und Betreiben einer Lasteinheit über einen Wechselrichter.
Aktuell nutzen elektrisch unterstützte Fahrräder typischerweise eine
Sekundärbatterie als Energiespeicher. Zum Laden einer solchen Batterie werden Ladegeräte verwendet. Diese Ladegeräte bestehen aus einem Wechselstrom- Gleichstrom-Wandler (AC/DC) und einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC/DC). Die Batterie wird entweder nach Entnahme aus dem Fahrrad direkt mit dem Ladegerät verbunden oder, bei einem Laden am Fahrrad, innerhalb der Batteriehalterung über eine weitere Schnittstelle geladen.
Bei einem Aufladen der Batterie des Fahrrads in einem öffentlichen Raum stellt sich das Problem, dass hohe Wechselspannungen mit Steckverbindungen beherrscht werden müssen. Es ist somit erstrebenswert eine Vorrichtung zu schaffen, die ein direktes Laden der Batterie des Fahrrades von einer
Gleichstromquelle ermöglicht. Dabei soll sowohl aus Kosten- als auch aus Gewichtsgründen auf zusätzliche Wandler verzichtet werden.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit und
Betreiben einer Lasteinheit über einen Wechselrichter umfasst eine Lasteinheit mit mehreren Anschlüssen, wobei die Lasteinheit zwischen zumindest zweien der Anschlüsse zumindest ein induktives Element aufweist, einen
Wechselrichter, der mehrere Schaltelemente umfasst und dessen Ausgang mit den Anschlüssen der Lasteinheit gekoppelt ist, eine Auswahleinheit und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, die Auswahleinheit in einer Betriebsphase derart anzusteuern, dass ein erster Pol einer Batterieeinheit mit einem ersten Eingang des Wechselrichters gekoppelt ist, um diesen mit einer Batteriespannung zu versorgen, und die Schaltelemente des Wechselrichters in der Betriebsphase derart zu schalten, dass die Lasteinheit mit einer benötigten Wechselspannung versorgt wird. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, die Auswahleinheit in einer Ladephase, in welcher ein Spannungsabgriff einer externen Versorgungseinheit mit dem ersten Eingang des Wechselrichters koppelt ist, um diesen mit einer externen Gleichspannung oder einem externen
Gleichstrom zu versorgen, derart anzusteuern, das der erste Pol der
Batterieeinheit mit einem der induktiven Elemente der Lasteinheit gekoppelt ist, und die Schaltelemente des Wechselrichters derart zu schalten, dass die
Batterieeinheit von der externen Versorgungseinheit über das an die
Batterieeinheit gekoppelte induktive Element mit einem benötigten Ladestrom oder einer benötigten Ladespannung versorgt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit und Betreiben einer Lasteinheit über einen Wechselrichter umfasst ein Feststellen, ob eine Betriebsphase oder eine Ladephase vorliegt. Im Falle einer vorliegenden
Betriebsphase erfolgt ein Koppeln eines ersten Pols einer Batterieeinheit mit einem ersten Eingang eines Wechselrichters, um diesen mit einer
Batteriespannung zu versorgen. Ferner erfolgt im Falle einer vorliegenden Betriebsphase ein Schalten von Schaltelementen des Wechselrichters in einer Weise, dass die Lasteinheit mit einer benötigten Wechselspannung versorgt wird.
Im Falle einer vorliegenden Ladephase erfolgt ein Koppeln des ersten Pols der Batterieeinheit mit einem induktiven Element der Lasteinheit und ein Koppeln eines Spannungsabgriffs einer externen Versorgungseinheit mit dem ersten Eingang des Wechselrichters, um diesen mit einer externen Gleichspannung oder einem externen Gleichstrom zu versorgen. Ferner erfolgt im Falle einer vorliegenden Ladephase ein Schalten der Schaltelemente des Wechselrichters in einer Weise, dass die Batterieeinheit von der externen Versorgungseinheit über eines der induktiven Elemente mit einem benötigten Ladestrom oder einer benötigten Ladespannung versorgt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich als vorteilhaft, da durch diese ein Laden einer Batterie der Batterieeinheit mittels einer bereitgestellten Gleichspannung oder eines bereitgestellten Gleichstroms ermöglicht wird. Dabei werden die Komponenten der Vorrichtung, die zum Betreiben der Lasteinheit notwendig sind, ebenfalls dazu genutzt, um den benötigten Ladestrom oder die benötigte Ladespannung für die Batterie der Batterieeinheit bereitzustellen. Lediglich eine minimale Anzahl zusätzlicher Komponenten wird somit benötigt, wodurch sowohl ein Kostenvorteil als auch ein Gewichtsvorteil erzielt werden kann.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das
erfindungsgemäße Verfahren in einem elektrischen Fahrrad genutzt. Dadurch wird ein Aufladen der Batterie des Fahrrades durch eine Gleichstromquelle ermöglicht. Dies hat vor allem im öffentlichen Raum den Vorteil, dass keine hohen Wechselspannungen mit Steckverbindungen beherrscht werden müssen. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es ist vorteilhaft, wenn die Lasteinheit einen Motor umfasst, wobei das induktive Element insbesondere eine Spule des Motors ist. Durch eine solche Spule eines Motors ist eine ausreichend hohe Induktivität gegeben, die ein sauberes Regeln des benötigten Ladestroms oder der benötigten Ladespannung ermöglicht.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung einen Sensor zum Messen der Spannung und/oder des Stroms umfasst, mit welchem die Batterie geladen wird, und die Schaltelemente in der Ladephase derart geschalten werden, dass eine Regelung der Spannung und/oder des Stroms auf Basis der durch den Sensor gemessenen Werte erfolgt. Somit wird ein präzises Erfassen einer aktuellen Ladespannung oder eines aktuellen Ladestroms ermöglicht, wodurch wiederum ein exaktes Einstellen der benötigten Ladespannung oder des benötigten Ladestroms ermöglicht wird.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Batterieeinheit in der Ladephase mit mehreren der induktiven Elemente gekoppelt wird und von der externen
Versorgungseinheit über die mehreren an die Batterieeinheit gekoppelten induktiven Elemente mit dem benötigten Ladestrom versorgt wird. Insbesondere sind die induktiven Elemente dabei derart gewählt und verschaltet, dass ein
Stromfluss durch diese induktiven Elemente in der Ladephase gegenläufige Aktionen der Lasteinheit bewirkt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein ungewolltes Drehen eines Motors während der Ladephase vermieden werden.
Insbesondere umfasst der Wechselrichter zumindest ein kapazitives Element, welches einen eingangsseitigen Puffer bildet. Durch ein solches werden
Spannungsspitzen in der Betriebsphase unterbunden und eine saubere
Spannungsregelung in der Ladephase, insbesondere durch eine
Pulsweitenmodulation, ermöglicht.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Batterieeinheit, wobei die Batterieeinheit eine Schutzschaltung gegen Überladung einer Batterie umfasst. Somit wird eine Beschädigung der Batterieeinheit insbesondere in der Ladephase verhindert.
Insbesondere koppelt der Wechselrichter in einem ersten Zeitintervall der Ladephase die externe Versorgungseinheit über ein erstes Schaltelement der Schaltelemente und über ein induktives Element mit einem ersten Pol der Batterieeinheit und koppelt in einem zweiten Zeitintervall der Ladephase einen zweiten Pol der Batterieeinheit über ein zweites Schaltelemente der
Schaltelemente und über ein induktives Element der Lasteinheit mit dem ersten Pol der Batterieeinheit. Es wird somit eine Leerlaufphase geschaffen, in der eine Entladung des induktiven Elementes erfolgen kann.
Weiter bevorzugt umfasst das zweite Schaltelement eine Diode, insbesondere eine Inversdiode oder auch parasitäre Diode, wobei das Koppeln des zweiten Pols der Batterieeinheit mit dem ersten Pol der Batterieeinheit über ein induktives Element der Lasteinheit in dem zweiten Zeitintervall über die Diode erfolgt. Es wird somit ein Schalten des zweiten Schaltelementes in dem zweiten Zeitintervall nicht benötigt. Dies vereinfacht die Steuerung der Schaltelemente.
Es ist vorteilhaft, wenn dem induktiven Element ein Widerstand vorgeschaltet ist. Somit können hohe Ströme oder Spannungen an den Schaltelementen verhindert werden. Es ist des Weiteren vorteilhaft, wenn die Schaltelemente Leistungstransistoren, insbesondere IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode), oder MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) sind. Diese ermöglichen ein schnelles Schalten von hohen Strömen und ermöglichen somit eine präzise Steuerung des Ladestroms oder der Ladespannung. Es ist ebenso vorteilhaft, wenn die Lasteinheit eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung aufweist. Eine Sternschaltung ermöglicht dabei ein Regeln des Ladestroms oder der Ladespannung über alle der Schaltelemente, die mit dem ersten Eingang des Wechselrichters gekoppelt sind. Durch eine
Dreiecksschaltung wird eine möglichst einfache Beschaltung in der Lasteinheit gewährleistet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Für gleiche Komponenten und Parameter werden jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung ist:
Figur 1 ein Schaltbild einer beispielhaften erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit und Betreiben einer Lasteinheit über einen Wechselrichter,
Figur 2 das Schaltbild der beispielhaften erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei ein Stromfluss über den Wechselrichter und die Lasteinheit in einer Betriebsphase gezeigt ist,
Figur 3 das Schaltbild der beispielhaften erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei ein Stromfluss über den Wechselrichter und die Lasteinheit in einem ersten Zeitintervall einer Ladephase gezeigt ist, und
Figur 4 das Schaltbild der beispielhaften erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei ein Stromfluss über den Wechselrichter und die Lasteinheit in einem zweiten Zeitintervall der Ladephase gezeigt ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit 10 und Betreiben einer Lasteinheit 20 über einen Wechselrichter 30. Dabei wird eine Ansteuerelektronik eines elektrischen Antriebs, insbesondere eine B6-Brücke des Wechselrichters 30, genutzt, um aus einer konstanten Gleichspannung ein wahlweise Strom oder spannungsgesteuertes
Ladeverfahren für eine Batterie 12 der Batterieeinheit 10 zur Verfügung zu stellen. Dabei wird eine bestehende Antriebselektronik lediglich um zwei Schalter erweitert, um die Ladefunktion zu realisieren.
Die Vorrichtung ist in dieser ersten Ausführungsform in einem elektrisch unterstützten Fahrrad angeordnet. Dabei umfasst die Lasteinheit 20 einen Motor, der für einen Vortrieb des Fahrrades angeordnet ist. Die Batterieeinheit 10 umfasst die Batterie 12, die in dieser ersten Ausführungsform eine Lithium-Ionen-
Batterie ist und ein Energiespeicher des elektrisch unterstützten Fahrrades ist. Das Fahrrad umfasst ferner eine Auswahleinheit 40 und eine Steuereinheit 60. Zudem zeigt Figur 1 eine externe Versorgungseinheit 50, die nicht Teil des Fahrrades ist.
Die Lasteinheit 20 umfasst ein erstes induktives Element 22a, ein zweites induktives Element 22b und ein drittes induktives Element 22c. Jedes des ersten bis dritten induktiven Elementes 22a bis 22c bildet dabei jeweils eine Spule eines Elektromotors. Die Lasteinheit weist ferner einen ersten Widerstand 23a, einen zweiten Widerstand 23b und einen dritten Wderstand 23c auf. Obwohl als solche in dem Schaltbild der ersten Figur gezeigt, sind der erste bis dritte Wderstand 23a bis 23c der in Figur 1 gezeigten Schaltung in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung keine eigenständigen Bauteile, sondern stellen lediglich einen Widerstand der Spulen des Motors dar. In weiteren Ausführungsformen ist der erste bis dritte Wderstand 23a bis 23c jedoch auch als tatsächliche Bauelemente ausgeführt. Die Lasteinheit 20 weist ferner einen ersten Anschluss 21 a, einen zweiten Anschluss 21 b und einen dritten Anschluss 21 c auf. Ferner weist die Lasteinheit einen Rückführungsanschluss 24 auf. Der erste Anschluss 21 a ist über eine Reihenschaltung des zweiten Widerstandes 23b, des zweiten induktiven Elementes 22b, des dritten Widerstandes 23c und des dritten induktiven Elementes 22c mit dem Rückführungsanschluss 24 verbunden. Der zweite Anschluss 21 b ist über eine Reihenschaltung des ersten induktiven Elementes 22a und des ersten Wderstandes 23a mit dem
Rückführungsanschluss 24 verbunden. Der dritte Anschluss 21 c ist mit dem Rückführungsanschluss 24 direkt verbunden. Die Lasteinheit 20 weist somit mehrere Anschlüsse 21 a bis 21c auf, wobei die Lasteinheit 20 zwischen dem ersten Anschluss 21 a und dem dritten Anschluss 21c das erste induktive Element 22a aufweist und zwischen dem ersten Anschluss 21 a und dem dritten Anschluss 21 c das zweite induktive Element 22b sowie das dritte induktive Element 22c aufweist. Ferner weist die Lasteinheit 20 zwischen dem ersten Anschluss 21 a und dem zweiten Anschluss 21 b das erste bis dritte induktive Elemente 22a bis 22c auf.
Die Batterieeinheit 10 umfasst die Batterie 12, einen ersten Batterieschalter 13a, einen zweiten Batterieschalter 13b, eine Schottky-Diode 13c sowie einen Sensor 14. Der Sensor 14 ist ein Sensor, der zum Messen einer Spannung und eines Stroms geeignet ist. Zum Messen eines Stromes kann der Sensor 14 dazu einen
Messwiderstand umfassen. Sowohl der erste Batterieschalter 13a als auch der zweite Batterieschalter 13b sind durch einen MOSFET ausgeführt. Die
Batterieeinheit 10 weist einen ersten Pol 11 a und einen zweiten Pol 1 1 b auf. Der erste Pol 11 a und der zweite Pol 1 1 b sind dabei die Punkte der Batterieeinheit 10, an denen eine Spannung abgegriffen wird. Der erste Pol 1 1a ist über eine
Reihenschaltung des ersten Batterieschalters 13a, des zweiten Batterieschalters 13b und des Sensors 14 mit einem positiven Pol der Batterie 12 verbunden. Der zweite Pol 11 b der Batterieeinheit 10 ist mit einem negativen Pol der Batterie 12 verbunden. Ferner ist der erste Pol 11 a mit einer Katode der Schottky-Diode 13c verbunden. Die Anode der Schottky-Diode 13c ist mit dem zweiten Pol 1 1 b verbunden. Durch den ersten Batterieschalter 13a und den zweiten
Batterieschalter 13b wird es ermöglicht, die Batterie 12 von dem ersten Pol 1 1a zu trennen. Somit kann ein Stromfluss durch die Batterie 12 unterbunden werden, falls eine Überladung oder Tiefentladung der Batterie 12 droht. Durch die Schottky-Diode 13c wird eine direkte leitende Verbindung zwischen dem ersten Pol 1 1a und dem zweiten Pol 11 b hergestellt, falls eine Überspannung an den Polen der Batterieeinheit 10 anliegt. Der erste Batterieschalter 13a, der zweite Batterieschalter 13b und die Schottky-Diode 13c bilden somit zusammen eine Schutzschaltung gegen Überladung der Batterie 12 und somit der
Batterieeinheit 10.
Der Wechselrichter 30 umfasst einen Kondensator 38, ein erstes Schaltelement 31 , ein zweites Schaltelement 32, ein drittes Schaltelement 33, ein viertes Schaltelement 34, ein fünftes Schaltelement 35 und ein sechstes Schaltelement 36. Jedes des ersten bis sechsten Schaltelementes 31 bis 36 ist ein MOSFET.
Ein erster Eingang 37a des Wechselrichters 30 ist mit jeweils einer ersten Seite des ersten bis dritten Schaltelementes 31 bis 33 verbunden. Eine zweite Seite des zweiten Schaltelementes 32 ist mit dem ersten Anschluss 21 a der
Lasteinheit 20 verbunden. Eine zweite Seite des ersten Schaltelementes 31 ist mit dem zweiten Anschluss 21 b der Lasteinheit 20 verbunden. Eine zweite Seite des dritten Schaltelementes 33 ist mit dem dritten Anschluss 21c der Lasteinheit 20 verbunden. Ferner ist die zweite Seite des zweiten Schaltelementes 32 mit einer ersten Seite des vierten Schaltelementes 34 verbunden. Die zweite Seite des ersten Schaltelementes 31 ist ferner mit einer ersten Seite des fünften Schaltelementes 35 verbunden. Die zweite Seite des dritten Schaltelementes 33 ist ferner mit einer ersten Seite des sechsten Schaltelementes 36 verbunden. Eine jeweils zweite Seite des vierten bis sechsten Schaltelementes 34 bis 36 ist jeweils mit dem zweiten Eingang 37b des Wechselrichters 30 verbunden. Der erste Eingang 37a des Wechselrichters 30 ist zudem über den Kondensator 38 mit dem zweiten Eingang 37b des Wechselrichters verbunden. Die Auswahleinheit 40 umfasst einen ersten Auswahlschalter 41 und einen zweiten Auswahlschalter 42. Der erste Auswahlschalter ist ein dreipoliger Schalter. Der erste Auswahlschalter 41 ist mit jeweils einem seiner Pole mit dem ersten Pol der Batterieeinheit 10, dem Rückführungsanschluss 24 der Lasteinheit 20 und dem ersten Eingang des Wechselrichters 30 verbunden. Der erste Auswahlschalter 41 kann derart geschaltet werden, dass entweder der erste Pol
1 1a der Batterieeinheit 10 mit dem ersten Eingang 37a des Wechselrichters 30 verbunden ist oder der erste Pol 1 1a der Batterieeinheit 10 mit dem
Rückführungsanschluss 24 der Lasteinheit 10 verbunden ist. Der zweite
Auswahlschalter 42 ist auf einer ersten Seite trennbar mit einem
Spannungsabgriff 51 der externen Versorgungseinheit 50 verbunden und mit einer zweiten Seite mit dem ersten Eingang 37a des Wechselrichters 30 verbunden. Der zweite Auswahlschalter 42 ermöglicht somit eine schaltbare Verbindung zwischen dem Spannungsabgriff 51 und dem ersten Eingang 37a. Die Verbindung zwischen dem zweiten Auswahlschalter 42 und dem
Spannungsabgriff 51 der externen Versorgungseinheit 50 kann über ein
Ladekabel hergestellt werden, falls ein Benutzer des Fahrrades beabsichtigt, die Batterie 12 mittels der externen Versorgungseinheit 50 zu laden. Der zweite Auswahlschalter gewährleistet dabei unter anderem eine Spannungsfreiheit des Ladekabels während der Betriebsphase.
Der erste und der zweite Auswahlschalter 41 , 42 sind in dieser Ausführungsform als Relais ausgeführt. In weiteren Ausführungsformen können diese aber auch als eine Schaltungsanordnung von Transistoren, insbesondere MOSFETs oder anderer Leistungshalbleiter, ausgeführt werden.
Der zweite Pol 11 b der Batterieeinheit 10 ist mit dem zweiten Eingang 37b des Wechselrichters 30 verbunden.
Die externe Versorgungseinheit 50 weist eine Gleichspannungsquelle 52 auf, die eine Gleichspannung von 60 Volt abgibt. Die Gleichspannung ist dabei höher als eine Nennspannung der Batterie 12, welche in dieser Ausführungsform zu 36 Volt gewählt ist. Ein negativer Pol der Spannungsquelle 52 ist mit einer
Schaltungsmasse 53 der externe Versorgungseinheit 50 verbunden und ein positiver Pol der Spannungsquelle 52 ist mit dem externen Spannungsabgriff 51 der externen Versorgungseinheit 50 verbunden. Anstelle der externe
Versorgungseinheit 50 kann ebenso eine alternative externe Versorgungseinheit, die eine Gleichstromquelle aufweist, an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossen werden.
Der negative Pol der Batterie 12 bildet ebenfalls eine Schaltungsmasse. Bei einem Verbinden der externen Versorgungseinheit mit der erfindungsgemäßen Schaltung ist es daher vorteilhaft, wenn ein Kontakt zwischen der
Schaltungsmasse der externen Versorgungseinheit 50 und der Schaltungsmasse der Batterieeinheit 10 hergestellt wird.
Die Steuereinheit 60 ist sowohl mit dem Wechselrichter 30 als auch mit der Auswahleinheit 40 verbunden. Diese Verbindung ist derart ausgelegt, dass durch die Steuereinheit 60 sowohl der erste Auswahlschalter, der zweite
Auswahlschalter und auch das erste bis sechste Schaltelement geschaltet werden können. Ferner ist die Steuereinheit 60 mit der Batterieeinheit 10 verbunden, sodass eine von dem Sensor 14 gemessene Spannung oder ein von dem Sensor 14 gemessener Strom an die Steuereinheit 60 übermittelt werden kann. Zum Schalten des ersten bis sechsten Schaltelementes 31 bis 36 wird jeweils ein pulsweitenmoduliertes Signal von der Steuereinheit 60 an das entsprechende Schaltelement 31 bis 36 übertragen.
Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der externen Versorgungseinheit 50 verbunden, so befindet sich diese in einer Ladephase. In dieser Ladephase wird die Batterie 12 der Batterieeinheit 10 mittels der externen Versorgungseinheit 50 aufgeladen. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung von der externen
Versorgungseinheit 50 getrennt, so befindet sich diese in einer Betriebsphase. In der Betriebsphase ist es der Steuereinheit 60 ermöglicht, den Wechselrichter 30 in der Art ansteuern, dass der Motor der Lasteinheit 20, versorgt durch die Batterieeinheit 10, einen Vortrieb des Fahrrades verursacht. In der Betriebsphase ist der zweite Auswahlschalter 42 geöffnet und der erste Auswahlschalter 41 stellt eine leitende Verbindung zwischen dem ersten Pol 11 a der Batterieeinheit 10 und dem ersten Eingang 37a des Wechselrichters 30 her. Es wird auf Figur 2 verwiesen, die einen beispielhaften Stromfluss in der
Betriebsphase zeigt. Die Schaltelemente 31 bis 36 des Wechselrichters 30 werden durch die Steuereinheit 60 derart geschaltet, dass jeweils einer der Anschlüsse 21a bis 21 c der Lasteinheit 20 auf ein positives Spannungspotenzial der Batterie 12 angehoben wird und zugleich die beiden anderen Anschlüsse auf ein Spannungspotenzial der Schaltungsmasse 15 gezogen werden. Figur 2 zeigt dabei den Zustand, in dem der zweite Anschluss 21 b der Lasteinheit 20 auf das positive Potenzial der Batterie 12 angehoben wird und der erste Anschluss 21a sowie der dritte Anschluss 21 c auf das Spannungspotenzial der
Schaltungsmasse 15 gezogen werden. Durch entsprechendes wechselndes Schalten der ersten bis sechsten Schaltelemente 31 bis 36 wird somit ein
Drehfeld erzeugt, durch welches die induktiven Elemente 22a bis 22c des Motors wechselweise mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dies führt zu einer Drehbewegung des Motors. Diese Drehbewegung des Motors kann basierend auf beliebigen Parametern durch die Steuereinheit 60 angesteuert werden.
Der erste Batterieschalter 13a sowie der zweite Batterieschalter 13b sind in dieser Betriebsphase geschlossen, um einen Stromfluss von der Batterie 12 zu der Lasteinheit 20 zu ermöglichen. Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Stromfluss in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ladephase. Dabei zeigt Figur 3 ein erstes Zeitintervall der Ladephase und Figur 4 ein zweites Zeitintervall der
Ladephase. Die Ladephase ist in dieser Ausführungsform dadurch
gekennzeichnet, dass in dieser Wechselweise das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall durchlaufen werden.
In der Ladephase ist der zweite Auswahlschalter 42 der Auswahleinheit 40 geschlossen, was bevorzugt dann passiert, wenn die erfindungsgemäße
Vorrichtung an die externe Versorgungseinheit 50 angeschlossen wird. Zudem ist der erste Auswahlschalter 41 der Auswahleinheit 40 derart geschaltet, dass der erste Pol 11 a der Batterieeinheit 10 mit dem Rückführungsanschluss 24 der Lasteinheit 20 verbunden ist. In der Ladephase kann durch ein entsprechendes Schalten der Schaltelemente
31 bis 36 des Wechselrichters 30 entweder eine Ladespannung oder ein Ladestrom geregelt werden, mit dem die Batterie 12 der Batterieeinheit 10 geladen wird. In dieser ersten Ausführungsform wird die Batterie 12 zunächst mit einem konstanten Ladestrom geladen und, sobald ein vorgegebener
Ladezustand erreicht ist, mit einer konstanten Ladespannung geladen.
Unabhängig davon, ob ein Ladestrom oder eine Ladespannung geregelt wird, besteht die Ladephase aus einem ersten Zeitintervall und einem zweiten
Zeitintervall, welche im Verlauf der Ladephase wechselweise auftreten.
Ein Stromfluss in dem ersten Zeitintervall ist in Figur 3 gezeigt. In dem ersten Zeitintervall ist das erste Schaltelement 31 durchgeschaltet, also leitend. Die übrigen Schaltelemente 32 bis 36 sind nicht durchgeschaltet, also nicht leitend. Es fließt somit ein Strom von der externen Versorgungseinheit 50 durch das erste Schaltelement 31 , das erste induktive Element 22a, den ersten Widerstand
23a, den zweiten Batterieschalter 13b, den ersten Batterieschalter 13a und den Sensor 14 zu der Batterie 12. Der Stromkreis schließt sich über die
Schaltungsmasse 53 der externen Versorgungseinheit und die Schaltungsmasse der Batterieeinheit 10. Da sich in diesem Strompfad das erste induktive Element 22a befindet, steigt der Strom nach dem Durchschalten des ersten
Schaltelementes 31 langsam an. Wrd das Schaltelement 31 geöffnet, so wird dieser Anstieg unterbrochen.
In dem zweiten Zeitintervall ist das erste Schaltelement 31 nicht leitend und das fünfte Schaltelement 35 ist leitend. Die übrigen Schaltelemente 32, 33, 34, 36 sind nicht durchgeschaltet, also nicht leitend. Dieser Zustand ist in Figur 4 gezeigt. Ein Strom fließt nun von dem negativen Pol der Batterie 12 über das fünfte Schaltelement 35, das erste induktive Element 22a, den ersten Wderstand 23a, den zweiten Batterieschalter 13b, den ersten Batterieschalter 13a und den Sensor 14 zu dem positiven Pol der Batterie 12. Der Strom befindet sich nun in einem Freilauf und sinkt gegenüber dem Wert, den der Ladestrom in dem ersten Zeitintervall angenommen hat. Im Folgenden wird das erste Schaltelement 31 durchgeschaltet und das fünfte Schaltelement 35 geöffnet. Es tritt erneut der Zustand des ersten Zeitintervalls ein. Durch ein wechselweises Schalten zwischen den Zuständen des ersten Zeitintervalls und des zweiten Zeitintervalls, also in diesem Fall durch ein wechselweises Schalten des ersten Schaltelementes 31 und des fünften
Schaltelementes 35, kann, abhängig von der Länge des ersten beziehungsweise des zweiten Zeitintervalls, der Ladestrom geregelt werden.
Ebenso wie der Ladestrom kann auch die Ladespannung durch ein
entsprechendes Schalten der Schaltelemente 31 bis 36 geregelt werden. Die Spannungsregelung erfolgt entsprechend der Stromregelung. Bei einem
Durchschalten des ersten Schaltelementes 31 in dem ersten Zeitintervall tritt ein hoher Spannungsabfall an dem ersten induktiven Element 22a unmittelbar nach dem Schalten des ersten Schaltelementes 31 auf. Dieser Spannungsabfall über das erste induktive Element 22a wird in einem Verlauf des ersten Zeitintervalls geringer, wodurch eine Spannung über die Batterie 12 ansteigt. In dem zweiten Intervall kann die Ladespannung bei nicht leitendem ersten Schaltelement 31 und leitendem fünften Schaltelement 35 wieder abfallen. Entsprechend der zuvor beschriebenen Stromregelung kann somit ebenso eine Spannungsregelung erfolgen.
Die Regelung des Stroms oder der Spannung erfolgt bevorzugt über einen 2 Punkt Regler (mit Hysterese) oder, wie in dieser ersten Ausführungsform, durch eine Pulsweitenmodulation.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird nicht nur das erste
Schaltelement 31 in dem ersten Zeitintervall geschaltet, sondern eine beliebige Anzahl der Schaltelemente 31 bis 36, die mit dem ersten Eingang 37a des Wechselrichters 30 verbunden sind, werden durchgeschaltet. Auch wird nicht nur das fünfte Schaltelement 31 in dem zweiten Zeitintervall geschaltet, sondern eine beliebige Anzahl der Schaltelemente 31 bis 36, die mit dem zweiten Eingang 37b des Wechselrichters 30 verbunden sind, werden durchgeschaltet. In dem zweiten Zeitintervall werden bevorzugt jeweils die Schaltelemente des Wechselrichters 30 durchgeschaltet, deren erste Seite mit der zweiten Seite eines in dem ersten Zeitintervall durchgeschalteten Schaltelementes verbunden ist. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Lasteinheit 20 eine Sternschaltung, wobei zwischen dem Rückführungsanschluss 24 und jedem der Anschlüsse der Lasteinheit 20 jeweils ein induktives Element liegt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird in dem zweiten Zeitintervall der Ladephase keines der Schaltelemente 31 bis 36 in einen leitenden Zustand geschaltet. Dabei sind die Schaltelemente 31 bis 36 als MOSFETs ausgeführt und der Strom fließt in dem zweiten Zeitintervall über eine Inversdiode 35a von zumindest einem der Schaltelemente 31 bis 36, die in dem Wechselrichter 30 auf Seiten des zweiten Pols angeordnet sind (low-side).
Anstelle der Inversdiode 35a kann dabei ebenso eine Diode als zusätzliches Bauelement angeordnet sein, was selbiges Prinzip auch im Verbund mit einem Schaltelement ohne Inversdiode (z.B. als IGBT) ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird somit durch die Komponenten eines Wechselrichters in Kombination mit dem Komponenten einer Lasteinheit ein Abwärtswandler geschaffen, der das Laden einer Batterie 12 einer Batterieeinheit 10 mittels einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes ermöglicht.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Laden einer Batterieeinheit (10) und Betreiben einer
Lasteinheit (20) über einen Wechselrichter (30), umfassend:
eine Lasteinheit (20) mit mehreren Anschlüssen (21), wobei die Lasteinheit (20) zwischen zumindest zweien der Anschlüsse (21) zumindest ein induktives
Element (22a, 22b, 22c) aufweist;
einen Wechselrichter (30), der mehrere Schaltelemente (31 - 36) umfasst und dessen Ausgang mit den Anschlüssen (21) der Lasteinheit (20) gekoppelt ist,
eine Auswahleinheit (40), und
eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist,
in einer Betriebsphase die Auswahleinheit (40) derart anzusteuern, dass ein erster Pol (11 a) einer Batterieeinheit (10) mit einem ersten Eingang (37a) des Wechselrichters (30) gekoppelt ist, um diesen mit einer
Batteriespannung zu versorgen, und die Schaltelemente (31 - 36) des Wechselrichters (30) derart zu schalten, dass die Lasteinheit (20) mit einer benötigten Wechselspannung versorgt wird, und
in einer Ladephase, in welcher ein Spannungsabgriff (51) einer externen Versorgungseinheit (50) mit dem ersten Eingang (37a) des Wechselrichters (30) koppelt ist, um diesen mit einer externen Gleichspannung oder einem externen Gleichstrom zu versorgen, die Auswahleinheit derart anzusteuern, das der erste Pol (1 1a) der Batterieeinheit (10) mit einem der induktiven Elemente (22a, 22b, 22c) der Lasteinheit (20) gekoppelt ist, und die Schaltelemente (31 - 36) des Wechselrichters (30) derart zu schalten, dass die Batterieeinheit (10) von der externen Versorgungseinheit (50) über das an die Batterieeinheit (10) gekoppelte induktive Element (22a, 22b, 22c) mit einem benötigten Ladestrom oder einer benötigten Ladespannung versorgt wird.
2. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lasteinheit (20) einen Motor umfasst, wobei das induktive Element (22a, 22b, 22c) insbesondere eine Spule des Motors ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor zum Messen der Spannung und/oder des Stroms, mit welchem eine Batterie (12) der Batterieeinheit (10) geladen wird, umfasst, und die Schaltelemente (31 - 36) in der Ladephase derart geschaltet werden, dass eine Regelung der Spannung und/oder des Stroms auf Basis der durch den Sensor gemessenen Werte erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (10) in der Ladephase mit mehreren der induktiven Elemente gekoppelt wird und von der externen Versorgungseinheit (50) über die mehreren an die Batterieeinheit (10) gekoppelten induktiven Elemente (22a, 22b, 22c) mit dem benötigten Ladestrom versorgt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (30) zumindest ein kapazitives Element (38) umfasst, welches einen eingangsseitigen Puffer bildet.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Batterieeinheit (10), wobei die Batterieeinheit (10) eine Schutzschaltung (13a, 13b, 13c) gegen Überladung einer Batterie (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (30)
in einem ersten Zeitintervall der Ladephase die externe Versorgungseinheit (50) über ein erstes Schaltelement (31 ) der Schaltelemente (31 - 36) und über ein induktives Element (22a) mit einem ersten Pol (11a) der Batterieeinheit (10) koppelt und
in einem zweiten Zeitintervall der Ladephase einen zweiten Pol (11 b) der Batterieeinheit (10) über ein zweites Schaltelement (35) der Schaltelemente (31 - 36) und über ein induktives Element (22a) der Lasteinheit mit dem ersten Pol der Batterieeinheit (10) koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltelement (35) eine Diode (35a), insbesondere eine Inversdiode (35a) oder auch parasitäre Diode umfasst, wobei das Koppeln des zweiten Pols (1 1 b) der Batterieeinheit (10) mit dem ersten Pol (1 1a) der Batterieeinheit (10) über das induktive Element (22a) der Lasteinheit in dem zweiten Zeitintervall über die Diode (35a) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dem induktiven Element (22a, 22b, 22c) ein
Widerstand (23a, 23b, 23c) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltelementen (31 - 36) Leistungstransistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lasteinheit (20) eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung aufweist.
Verfahren zum Laden einer Batterieeinheit (10) und Betreiben einer Lasteinheit (20) über einen Wechselrichter (30), umfassend:
Feststellen, ob eine Betriebsphase oder eine Ladephase vorliegt, im Falle einer vorliegenden Betriebsphase:
o Koppeln eines ersten Pols (1 1a) einer Batterieeinheit mit einem ersten Eingang (37a) eines Wechselrichters (30), um diesen mit einer Batteriespannung zu versorgen,
o Schalten von Schaltelementen (31 - 36) des Wechselrichters (30) in einer Weise, dass die Lasteinheit (20) mit einer benötigten Wechselspannung versorgt wird, und
im Falle einer vorliegenden Ladephase:
o Koppeln des ersten Pols (11a) der Batterieeinheit (10) mit einem induktiven Element (22a, 22b, 22c) der Lasteinheit (20), o Koppeln eines Spannungsabgriffs (51) einer externen
Versorgungseinheit (50) mit dem ersten Eingang (37a) des Wechselrichters (30), um diesen mit einer externen
Gleichspannung oder einem externen Gleichstrom zu versorgen, und
o Schalten der Schaltelemente (31 - 36) des Wechselrichters (30) in einer Weise, dass die Batterieeinheit (10) von der externen Versorgungseinheit (50) über eines der induktiven Elemente (22a, 22b, 22c) mit einem benötigten Ladestrom oder einer benötigten Ladespannung versorgt wird.
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