WO2018015263A1 - Fahrzeugbordnetz zum laden eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs und verfahren - Google Patents

Fahrzeugbordnetz zum laden eines elektrisch angetriebenen fahrzeugs und verfahren Download PDF

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Franz Pfeilschifter
Philip Brockerhoff
Martin Brüll
Matthias Töns
Edmund Schirmer
Paul-Markus Schweizer-Berberich
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Definitions

  • Electric vehicles with an electric drive i. Electric vehicles and hybrid vehicles, include an electrical energy storage for supplying the electric drive. Electric vehicles and plug-in hybrids are equipped with a connection, with which DC and / or AC voltage energy from a stationary, electrical supply network (local or public) for charging the energy storage can be transferred to this.
  • DE102015218416 and DE202016209905 (the content of which is hereby part of the disclosure of this application / incorporated by reference) according to FIG. 4 and FIG. 5 relate to vehicle electrical systems for charging an energy accumulator of a motor vehicle.
  • Fig. 3 shows an at least internally known variant of
  • DC DC voltage
  • AC AC voltage
  • An advantage of embodiments of the invention may be to reduce the charging system costs (eg, saving of charging electronics, switches / contactors and wiring harness) in the vehicle and / or infrastructure.
  • An advantage of embodiments of The invention may also lie in further reducing the outlay (cost, volume, weight) by saving a second stage of the charging electronics (DC / DC converters) by increasing the voltage level of all HV on-board components (800V: energy storage / rechargeable battery). Inverter, electric motor EM) is chosen so that it is above the level of the rectified AC line voltage.
  • Fig. 1 is a vehicle electrical system for a motor vehicle or in a motor vehicle to load with two different voltages and / or successively first single phase with AC and then polyphase with AC or DC energy storage
  • Fig. 2 shows another vehicle electrical system for a motor vehicle or in a motor vehicle in order to charge an energy store with two different voltages and / or successively first single-phase with AC and then multiphase with AC or with DC, with an additional buck-boost converter for increasing a voltage
  • FIG. 3 shows at least internally known charging of an energy store via a vehicle electrical system with optionally direct current or alternating current
  • FIG. 4 according to DE102015218416 charging of an energy store via a vehicle electrical system with optionally direct current or alternating current
  • FIG. 6 shows a charging plug for a CAS (combined charging system)
  • Fig. 7 shows a motor vehicle with a vehicle electrical system.
  • FIG. 1 shows schematically and simply as an embodiment of the invention for charging an energy store ES (such as a high-voltage / HV battery of a plug-in hybrid / electric vehicle ⁇ Kfz) a vehicle electrical system FBN, from a charging station Lad via a plug Stk with either direct current DC, single-phase AC or three-phase AC (three-phase) AC loadable,
  • ES energy store
  • FBN vehicle electrical system
  • the vehicle electrical system FBN shown has a plug Stk (eg, according to FIG. 1 and / or 6) for charging the energy storage ES from a charging device Lad (to which the plug Stk is plugged) with DC DC or (single-phase) AC or AC (three-phase ) Three-phase AC.
  • Three-phase three-phase AC eg for voltages eg according to a Chinese or European or German or Japanese or American power grid standard (eg EU / China: three-phase 400V or EU / China single phase 230V or USA / Japan single phase 220V),
  • N an N-wire (or neutral or earth) N, and possibly control and / or communication (P / CP) connections.
  • P / CP control and / or communication
  • a plurality (here in a switch box SW box and / or a housing or module arranged) controlled by a controller Ctrl switching devices SW1-SW4 (and SP1, Sp2) connected.
  • three switching devices SW1-SW3 are for switching either (by Ctrl) one or two or three connections (eg AC1 or AC2 or AC3, or AC1 and AC2 and AC3, or DC + and DC-) each on one of the charging inputs U2 , V2, W2 an electric machine EM provided (where, for example, two other switching devices SP1, SP2 can be used for a star-triangle circuit and / or to switch from a traction mode to a loading operation).
  • a switching device SW4 may be provided for switching an N-conductor.
  • the switching device SW4 is closer to the plug Stk as one and Fig. 1 shown connected to serial inductance.
  • the switching device SW4 is further connected from the plug Stk as a switching device SW1 for a phase AC1.
  • the switching means SW2 and SW3 are arranged closer to the plug Stk than an inductance (in Fig. 1 above each switching means SW2, SW3) between them and the electric machine EM.
  • the switching devices SW2 and SW3 may alternatively but also be arranged more distant from the plug Stk as an inductance (in each case one shown in this case serial inductance) or between the electric machine EM and the inverter SW.
  • one of the windings (U2 or V2 or W2) of the electric machine EM is the energy store ES first with single-phase alternating current (from a terminal AC2 n
  • an N-conductor terminal N of the plug Stk is switchably provided by a switching device SW6, during charging with the first voltage Ul (with DC voltage or AC voltage) and / or during charging with the second voltage U2 (with DC voltage or AC voltage) of this N-conductor terminal N of the charging station Lad via the plug Stk and a switching device SW6 to the electric machine EM and / or the inverter WR and / or the energy storage ES be switched.
  • phase current terminals PS1, PS2, PS3 are connected on one side S2 of an inverter WR of the electric machine EM.
  • Output terminals EA1, EA2 on the farther side Sl of the inverter WR of the energy store ES is connected to charge a ⁇ transitions of the energy store ES and thus create these for precharging first a first voltage Ul, and (if bat- terietim U_Akku and / or charge state of the Energy storage ES have reached a predetermined value) thereafter for further charging of the energy storage ES a (compared to the first voltage) higher voltage U2.
  • a DC booster such as that designated in one embodiment of the invention in Fig. 2 by the reference numeral "Buck_Boost_Converter" according to embodiments of the invention as in Fig. 1 is not mandatory (but would still be possible, as in FIG.
  • the electric machine (eg electric motor) EM can work in particular as a mains choke for a single-phase or three-phase alternating current (AC) charge, a rectification of single-phase (AC2 over SW2) and also (eg afterwards) three-phase (AC1, AC2, AC3 over SWW, SW2, SW3) alternating current AC can take place via an inverter (eg a traction inverter) WR
  • inverter eg a traction inverter
  • FBN eg a high / higher value of eg 800V can be selected continuously (eg for the
  • Vehicle electrical system FBN eg a hybrid Plugln / Plugln electric vehicle
  • SOC State of Charge, or about status of loading
  • SOC State of Charge, or about status of loading
  • an energy storage device e.g., battery
  • the energy store ES is empty (i.e., for example, with an SOC and / or state of charge below a threshold of, for example, about 20%), e.g. first a single-phase (by switching through only AC2 via the switching device SW2) slow alternating current AC precharge (eg in China / EU: with at least 230V * 1, 42 * 1, 1 ⁇ 360V) to the battery voltage U_Akku at least one rectified mains AC voltage U_Netz_AVR (from eg.
  • a loading sequence according to an embodiment of the invention may e.g. be the following:
  • the controller Ctrl selects at the beginning of the charging of the energy storage ES by appropriate switching of the switching ⁇ directions SW1, SW2, SW3, SW4; SP1, SP2,; (of which SW1-SW4 are in this case AC network connection switches) for a slow energy storage (ES) precharge the configuration in which results in the least rectified AC line voltage as Ul at the energy storage ES (battery).
  • the energy storage ES was sufficiently pre-charged, which (eg with known characteristics) could be determined due to the charging voltage and / or charging current curve and / or the voltage U_Akku and / or the charging current into the energy storage ES, etc.) .
  • the energy storage ES has reached the voltage level of the small or in particular the large rectified AC line voltage (eg U2), then the fast charge (eg with U2, and / or: eg in EU / China: three-phase with 400V , or eg USA / Japan: one-phase with 220V) switched.
  • the switching takes place e.g. by the switching devices SW1-SW6 (ie, mains connection switch) between a mains (e.g., public line connected to the charging station, for example) and the phase terminals U2, V2, W2 of the electric machine EM (e.g., motor vehicle motor).
  • SW1-SW6 ie, mains connection switch
  • the energy storage ES can only relatively slowly with eg at least 170V (110V * 1, 42 * 1, 1 ⁇ 170V) to at least the level of the "large" (eg D2, which is compared to Ul large) rectified AC line voltage of about Pre-charged 340V (220V * 1, 42 * 1,1 ⁇ 340V) (eg with SW2 or SW3)
  • the voltage range of 800V batteries may be e.g. to a much greater extent than the level of the rectified AC line voltage (Ul and / or U2) are as it would be the case with a 400V battery and the US / Japan network.
  • a dedicated DC-DC converter reference numerals in Fig. 1 "DCDC_Wandler”
  • Vehicles are made available (eg, another electrical system with 12V (a vehicle electrical system and / or an electric motor EM to the HV battery and these, however, can be operated while driving, for example, with 48V).

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und ein Fahrzeugbordnetz (FBN) mit -einem Wechselrichter (WR), -einem elektrischen Energiespeicher (ES), -einer elektrischen Maschine (EM) und -einem Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC), wobei der Wechselrichter (WR) eine erste Seite (S1) und eine zweite Seite (S2) aufweist und eingerichtet ist, Leistung zwischen diesen Seiten (S1, S2) zu übertragen, wobei auf der ersten Seite (S1) des Wechselrichters (WR) zwei Ausgangsanschlüsse (EA1, EA2) des Wechselrichters (WR) mit dem Energiespeicher (ES) verbunden oder verbindbar sind, wobei auf der zweiten Seite (S2) des Wechselrichters (WR) mindestens zwei Phasenstromanschlüsse (PS1, PS2, PS3) des Wechselrichters (WR) mit der elektrischen Maschine (EM) verbunden oder verbindbar sind, wobei durch eine von einer Steuerung (Ctrl) gesteuerte Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3, SW4; SP1, SP2;; SW-Box) mindestens einer der Lade-Eingänge (N; AC1, AC2, AC3; DC+, DC-) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) jeweils auf eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) schaltbar ist, und wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) dazu ausgebildet ist (Ctrl; SW-Box), zunächst den elektrischen Energiespeicher (ES) mit einer ersten Spannung (U1) zu laden (AC; DC), und danach den elektrischen Energiespeicher (ES) mit einer zweiten Spannung (U2) zu laden (AC; DC), welche zweite Spannung (U2) größer als die erste Spannung (U1) ist.

Description

Beschreibung
FAHRZEUGBORDNETZ ZUM LADEN EINES ELEKTRISCH ANGETRIEBENEN FAHRZEUGS UND VERFAHREN Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb, d.h. Elektro- fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, umfassen einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Elektrofahrzeuge und Plug-In-Hybride sind mit einem Anschluss ausgestattet, mittels dem sich mit Gleichspannung und/oder Wechselspannung Energie von einem stationären, elektrischen Versorgungsnetz (lokal oder öffentlich) zum Aufladen des Energiespeichers an diesen übertragen lässt.
DE102015218416 und DEl 02016209905 (deren Inhalt hiermit Teil der Offenbarung dieser Anmeldung ist / incorporated by reference) gemäß Fig. 4 und Fig. 5 betreffen Fahrzeugbordnetze zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.
Fig. 3 zeigt eine zumindest intern bekannte Variante des
DC-Ladens (DC=Gleichspannung, AC=Wechselspannung) eines
Elektrofahrzeugs oder Plug-in-Fahrzeugs.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugbordnetz bzw. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers zu optimieren. Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus dieser Beschreibung und den Fig., wobei auch beliebige Kombinationen von Merkmalen eines oder mehrerer der Ausführungsbeispiele miteinander eigenständige Weiterbildungen oder Erfindungen definieren können.
Ein Vorteil von Ausgestaltungen der Erfindung kann darin liegen, die Ladesystemkosten (z.B. Einsparung von Lade-Elektronik, Schalter/Schütze und Leitungssatz) im Fahrzeug und/oder in der Infrastruktur zu reduzieren. Ein Vorteil von Ausgestaltungen der Erfindung kann auch darin liegen, durch die Einsparung einer zweiten Stufe der Ladeelektronik (DC/DC-Wandler) den Aufwand (Kosten, Volumen, Gewicht) weiter zu reduzieren, indem die Spannungslage aller HV-Bordnetzkomponenten (800V: Energie- speicher/Akku, Inverter, Elektro-Motor EM) so gewählt wird, dass diese über dem Niveau der gleichgerichteten Netzwechselspannung liegt. Somit kann gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ein AC/DC-Wandler zusammen mit on-Board-Filter- und
off-Board-Netz-Induktivitäten neben der Gleichrichtung auch die Spannungsanpassung mit erledigen.
In der Zeichnung zeigt zur Veranschaulichung von einigen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung, vereinfachend schematisch :
Fig. 1 ein Fahrzeugbordnetz für ein Kraftfahrzeug oder in einem Kraftfahrzeug, um mit zwei unterschiedlichen Spannungen und/oder nacheinander zunächst einphasig mit AC und dann mehrphasig mit AC oder mit DC einen Energiespeicher zu laden, Fig. 2 ein weiteres Fahrzeugbordnetz für ein Kraftfahrzeug oder in einem Kraftfahrzeug, um mit zwei unterschiedlichen Spannungen und/oder nacheinander zunächst einphasig mit AC und dann mehrphasig mit AC oder mit DC einen Energiespeicher zu laden, mit einem zusätzlichen Buck-Boost-Converter zum Erhöhen einer Spannung,
Fig. 3 ein zumindest intern bekanntes Laden eines Ener- giespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,
Fig. 4 gemäß DE102015218416 Laden eines Energiespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,
Fig. 5 gemäß DE102016209905 Laden eines Energiespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,
Fig. 6 einen Ladestecker für ein CAS (combined charging System) , Fig. 7 ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugbordnetz.
Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfachend als eine Ausgestaltung der Erfindung zum Laden eines Energiespeichers ES (wie z.B. einer Hochvolt-/HV-Batterie eines PlugInHybrid-/Elektro- Kraft¬ fahrzeugs Kfz) ein Fahrzeugbordnetz FBN, das von einer Ladestation Lad über einen Stecker Stk mit wahlweise Gleichstrom DC, einphasigem Wechselstrom AC oder dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) AC ladbar ist,
wobei z.B. über Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2 einer
Schalteinrichtung SW-Box zum Laden mit erst einer ersten Spannung Ul und dann mit einer größeren Spannung U2 die Batteriespannung U_Akku des zu ladenden Energiespeichers ES vor dem Laden mit der höheren Spannung U2 auf einen hinreichenden Wert (z.B. ein Spannungswert oder z.B. x / 80% SOC/stateofcharge/Ladezustand des Lade-Maximums) angehoben wird, insbesondere wenn sie zu¬ mindest auf unter einen Schwellwert (z.B. 20% oder 25% SOC / stateofCharge / Ladezustand des Lade-Maximums) entladen ist. Das dargestellte Fahrzeugbordnetz FBN weist einen Stecker Stk (z.B. gemäß Fig. 1 und/oder 6) auf zum Laden des Energiespeichers ES aus einer Ladeeinrichtung Lad (an die der Stecker Stk ansteckbar ist) mit Gleichstrom DC oder (einphasigem) Wechselstrom AC oder (dreiphasigem) Drehstrom AC .
Im Beispiel eines Steckers Stk in Fig. 1, 6 sind z.B. zwei Lade-Eingänge DC+, DC- eines Gleichstrom-Übertragungsan¬ schlusses DC des Fahrzeugbordnetzes FBN zum Laden des Ener¬ giespeichers En mit Gleichstrom dargestellt,
sowie Lade-Eingänge AC1, AC2, AC3, N (, LV-Gnd) (=in Fig. 6 bezeichnet als LI, L2, L3, L4, N) eines Wechsel- strom-Übertragungsanschlusses AC des Fahrzeugbordnetzes FBN für einphasigen Wechselstrom AC oder dreiphasigen Drehstrom AC, z.B. jeweils für Spannungen z.B. nach einem chinesischen oder europäischen oder deutschen oder japanischen oder amerikanischen Stromnetz-Standard (z.B. EU/China: dreiphasig 400V oder EU/China einphasig 230V oder USA/Japan einphasig 220V),
sowie z.B. ein N-Leiter (oder Nullleiter oder Masse) N, und ggf. Steuerungsanschlüsse und/oder Kommunikationsanschlüsse (P / CP) .
Mit dem Stecker Stk sind, z.B. über ein EMV-Filter EMV-F, mehrere (hier in einer Schaltbox SW-Box und/oder einem Gehäuse oder Modul angeordnete) von einer Steuerung Ctrl gesteuerte Schalteinrichtungen SW1-SW4 (sowie SP1, Sp2) verbunden.
Hier drei Schalteinrichtungen SW1-SW3 sind zum Schalten wahlweise (durch Ctrl) einer oder zweier oder dreier Anschlüsse (z.B. AC1 oder AC2 oder AC3, oder AC1 und AC2 und AC3, oder DC+ und DC-) jeweils auf je einen der Lade-Eingänge U2, V2, W2 einer elektrische Maschine EM vorgesehen (wobei z.B. zwei weitere Schalteinrichtungen SP1, SP2 für eine Sterndreiecksschaltung und/oder zum Umschalten von einem Traktionsbetrieb auf einen Ladebetrieb verwendbar sein können) .
Eine Schalteinrichtung SW4 kann zum Schalten eines N-Leiters vorgesehen sein. In Fig. 1 ist die Schalteinrichtung SW4 näher am Stecker Stk als eine und Fig. 1 dargestellte dazu serielle Induktivität geschaltet.
In Fig. 1 ist die Schalteinrichtung SW4 ferner vom Stecker Stk als eine Schalteinrichtung SW1 für eine Phase AC1 geschaltet. In Fig. 1 sind außerdem die Schalteinrichtungen SW2 und SW3 näher am Stecker Stk als eine Induktivität (in Fig. 1 oberhalb jeweils einer Schalteinrichtung SW2, SW3) zwischen diesen und der elektrischen Maschine EM angeordnet. Die Schalteinrichtungen SW2 und SW3 können alternativ aber auch entfernter vom Stecker Stk als eine Induktivität (in Fig. 1 unterhalb jeweils einer dargestellten dazu seriellen Induktivität) oder zwischen der elektrischen Maschine EM und dem Inverter SW angeordnet sein.
Z.B. wird wie unten näher ausgeführt über eine der Wicklungen (U2 oder V2 oder W2) der elektrischen Maschine EM der Energiespeicher ES zunächst mit einphasigem Wechselstrom (aus einem Anschluss AC2 n
5 für Wechselstrom oder Drehstrom) oder mit Gleichspannung DC (aus mindestens einem oder beiden der Anschlüsse DC+, DC- für Gleichstrom) mit einer ersten Spannung Ul geladen,
und danach (wenn der Energiespeicher ES hinreichend vorgeladen ist) wird er (ES) mit einer zweiten höheren Spannung U2 (entweder nun mit dreiphasigem Wechselstrom aus AC1 und AC2 und AC3 über U2 und V2 und W2, oder aus mindestens einem der Anschlüsse DC+, DC- für Gleichstrom, über Wicklungen U2, V2, W2 (des Stators und/oder Rotors und/oder mit Mittenabgriff) der elektrischen Maschine EM geladen.
Falls wie dargestellt ein N-Leiter-Anschluss N des Steckers Stk durch einen Schalteinrichtung SW6 schaltbar vorgesehen ist, kann während des Ladens mit der ersten Spannung Ul (mit Gleichspannung oder Wechselspannung) und/oder während des Ladens mit der zweiten Spannung U2 (mit Gleichspannung oder Wechselspannung) dieser N-Leiter-Anschluss N von der Ladestation Lad über den Stecker Stk und eine Schalteinrichtung SW6 an die elektrische Maschine EM und/oder den Inverter WR und/oder den Energiespeicher ES ge- schaltet sein.
Mit (Ausgängen der Wicklungen) auf einer Seite der elektrischen Maschine EM sind drei Phasenstromanschlüsse PS1, PS2, PS3 auf einer Seite S2 eines Wechselrichters WR der elektrischen Maschine EM verbunden.
Ausgangsanschlüsse EA1, EA2 auf der weiteren Seite Sl des Wechselrichters WR des Energiespeichers ES sind mit Lade-Ein¬ gängen des Energiespeichers ES verbunden und legen also an diesen zum Vorladen zunächst eine erste Spannung Ul und (wenn Bat- teriespannung U_Akku und/oder Ladezustand des Energiespeichers ES einen vorgegebenen Wert erreicht haben) danach zum weiteren Laden des Energiespeichers ES eine (im Vergleich zur ersten Spannung) höhere Spannung U2. Ein DC-Booster wie der in einer Ausgestaltung der Erfindung in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen „Buck_Boost_Converter" bezeichnete sind nach Ausgestaltungen der Erfindung wie in Fig. 1 nicht zwingend erforderlich (aber wären wie z.B. in Fig. 2 als Ausgestaltungen der Erfindung trotzdem möglich) . Die elektrische Maschine (z.B. Elektromotor) EM kann insbesondere als Netzdrossel bei einer einphasigen oder dreiphasigen Wechselstrom- (AC) -Ladung arbeiten, eine Gleichrichtung von einphasigem (AC2 über SW2) und auch (z.B. danach) dreiphasigem (AC1, AC2, AC3 überSWl, SW2, SW3) Wechselstrom AC kann über einen Inverter (z.B. einen Traktionsinverter) WR erfolgen. Für die Spannungslage des Fahrzeugbordnetzes FBN kann z.B. durchgehend ein hoher/höherer Wert von z.B. 800V gewählt werden (z.B. für die
HV-Bordnetz-Komponentenelektrische Maschine EM (Elektromotor) , den Inverter (WR) und den Energiespeicher ES (Akkumulator) ) . Es können (z.B. anstatt einer in Fig. 4, 5 beschriebenen DC-Booster Spannungsanpassung) beim Laden mit Wechselstrom (AC) und/oder beim Laden des Energiespeichers ES mit Gleichstrom DC z.B. nach Ausgestaltungen der Erfindung folgende zwei Maßnahmen implementiert werden:
Es kann ein Energiespeicher (z.B. HV-Akkumulator) ES im
Fahrzeugbordnetz FBN (z.B. eines Hybrid-Plugln /Plugln- Elektrofahrzeugs ) EV vorgesehen sein, dessen SOC-Spannungsband (SOC: State of Charge, oder etwa Status des Ladens) teilweise, insbesondere „größtenteils" (z.B. über die Hälfte) über dem Niveau der an ihn angelegten Spannung (gleichgerichteten Netzwechselspannung oder Gleichspannung) Ul und/oder U2 liegt.
Zweckmäßig sein kann, z.B. für eine Verwendung in China oder der EU oder Deutschland ein Energiespeicher (z.B. Akku) mit maximaler Batteriespannung und/oder Ladespannung 800V sein,
und mit einem zulässigen und/oder vorgesehenen und/oder SOC und/oder typischen Spannungsbereich von (z.B. vollständig oder auf 20% des Maximums) leer bis nach (z.B. vollständig oder auf 80% des Maximums) voll von: 500 bis 800V.
Zweckmäßig sein kann, z.B. für eine Verwendung in USA oder Japan ein Energiespeicher (z.B. Akku) mit maximaler Batteriespannung und/oder Ladespannung von 400V,
und mit einem zulässigen und/oder vorgesehenen und/oder SOC- und oder typischen Spannungsbereich von (z.B. vollständig oder auf 20% des Maximums) leer bis nach (z.B. vollständig oder auf 80% des Maximums) voll von: 230V bis 450V.
Wenn der Energiespeicher ES leer ist (also z.B. mit einem SOC und/oder Ladezustand unter einem Grenzwert von z.B. etwa 20%), erfolgt z.B. erst eine ein-phasige (durch Durchschalten von nur AC2 über die Schalteinrichtung SW2) langsame Wechsel- strom-AC-Vorladung (z.B. in China/EU: mit min. 230V*1, 42*1, 1 ~ 360V) bis die Batteriespannung U_Akku mindestens einer gleichgerichtete Netzwechselspannung U_Netz_AVR (von z.B.
400V*1, 42*1, 1 ~ 600V) erreicht, die als zweite Spannung U2 ab dann angelegt werden soll für dann z.B. dreiphasiges Laden (durch Durchschalten von ACl und AC2 und AC 3 über Schalteinrichtungen SW1 und SW2 und SW3) .
Eine Ladesequenz nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann z.B. folgende sein:
-Die Steuerung Ctrl wählt beim Beginn des Ladens des Energiespeichers ES durch entsprechendes Schalten der Schaltein¬ richtungen SW1, SW2, SW3, SW4; SP1, SP2 , ; (von denen SW1-SW4 hierbei AC-Netzverbindungsschalter sind) für eine langsame Energiespeicher (ES ) -Vorladung die Konfiguration aus, bei welcher sich die geringste gleichgerichtete Netzwechselspannung als Ul am Energiespeicher ES (Batterie) ergibt.
(Ginge man mit einem Inverter an das AC-Netz, bei welchem die Akku- bzw. DC-Link-Spannung niedriger ist als die gleichgerichtete Netzwechselspannung, könnte sich über die Rück- wärts-Dioden der Inverter-Halbleiterschalter ein sehr hoher unkontrollierbarer Ladestrom ergeben, welcher einem Kurzschlussstrom gleichen kann und automatisch eine Schmelzsicherung aktivieren oder Bauteile angreifen könnte)
-Wenn dann der Energiespeicher ES ausreichend vorgeladen wurde, was (z.B. auch mit bekannten Kennlinien) feststellbar sein könnte aufgrund des Ladespannungs- und/oder Ladestrom-Verlaufs und/oder der Spannung U_Akku und/oder des Ladestroms in den Energiespeicher ES hinein etc.),
z.B. weil der Energiespeicher ES das Spannungs-Niveau der kleinen oder insbesondere der großen gleichgerichteten Netzwechselspannung (also z.B. U2) erreicht hat, dann wird auf die schnelle Ladung (z.B. mit U2; und/oder: z.B. in EU/China: drei-phasig mit 400V, oder z.B. USA/Japan: ein-phasig mit 220V) umgeschaltet. Die Umschaltung findet z.B. durch die Schalteinrichtungen SW1-SW6 (also Netzverbindungs-Schalter) zwischen einem (z.B. an die Ladestation Lad angeschlossenen z.B. öffentlichen) Netz und den Phasenanschlüssen U2, V2, W2 der elektrischen Maschine EM (z.B. Elektromotor eines Kraftfahrzeugs) statt.
Nach Ausgestaltungen der Erfindung sind z.B. zwei Lade-Eingänge DC+, DC- des Gleichstrom-Übertragungsanschlusses DC nach extern und/oder zu einer Ladestation Lad für (zumindest auch)
Gleichspannung DC über Schalteinrichtungen SW2, SW3 jeweils auf je eine (innere) Motorphase (V2, W2 ) der elektrischen Maschine (EM) schaltbar. Wenn ein Masseanschluss LV-Gnd von der Ladestation Lad über den Stecker Stk und eine Schalteinrichtung SW6 an die elektrische Maschine EM und/oder den Inverter WR und/oder den Energiespeicher ES oder Masse schaltbar oder verbunden ist, könnte auch das Schalten (SW2 oder SW3) eines der Lade-Eingänge DC+, DC- des Gleichstrom-Übertragungsanschlusses DC zum Laden ausreichen, evtl. zusätzlich zum Schalten (SW6) des Masseanschlusses LV-Gnd (der Masseanschluss könnte also dabei ggf. auch als einer der zwei Lade-Eingänge des Gleich¬ strom-Übertragungsanschlusses DC verwendet werden) .
Z.B. nach Ausgestaltungen der Erfindung in Form eines Anschlusses einer Ladestation Lad an ein öffentliches Netz in den USA oder Japan kann der Energiespeicher ES erst relativ langsam mit z.B. mindestens 170V ( 110V*1 , 42*1 , 1 ~ 170V) auf mindestens das Niveau der „großen" (also z.B. D2, die verglichen mit Ul groß ist) gleichgerichteten Netzwechselspannung von ca. 340V vorgeladen (220V*1, 42*1,1 ~ 340V) werden (z.B. mit SW2 oder SW3) . Dann werden die Lade-Schalter SW1-SW3 zwischen der elektrischen Maschine (Elektromotor) und dem (an z.B. Anschlüsse AC1 und/oder AC2 und/oder AC3 angeschlossenen) Wechselspannungsnetz AC auf die leistungsfähigere Konfiguration (z.B. in den USA oder /Japan von Ul = 110V einphasig auf U2 = 220V einphasig) umgeschaltet.
Z.B. kann nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung in Form eines Anschlusses einer Ladestation Lad an ein öffentliches Netz in China oder der EU oder Deutschland von 230V ein-phasig (zum Laden mit zunächst nur der Spannung Ul) auf 400V drei-phasig (zum Laden mit dann der verglichen mit Ul höheren Spannung U2) umgestellt werden. Z.B. der Spannungsbereich von 800V-Akkus kann dabei z.B. zu einem deutlich größeren Teil über dem Niveau der gleichgerichteten Netzwechselspannung (Ul und/oder U2) liegen als es bei einem 400V Akku und dem US-/Japan-Netz der Fall wäre.
Gebrauchssicherheit kann gewährleistet sein trotz des Merkmals von Ausgestaltungen der Erfindung, dass eine Gleichspan- nungs- (DC) -Ladespannung auf ein eigentlich zum Wechselspan- nungs- (AC) -Betrieb vorgesehenes Betriebsmittel (wie z.B. die elektrische Maschine ES und/oder den Wechselrichter WR) gegeben wird. Die durch das Ladesystem und/oder CCS gewährleistete konstruktive Abdeckung des Wechselspannungs- (AC) -Ladeteils beim Gleichspannungs- (DC) -Laden bzw. des Gleichspan- nungs- (DC) -Ladeteils beim Wechselspannungs- (AC) -Laden kann z.B. eventuell mögliche elektrische Fehlerfälle insoweit vermeiden, dass evtl. gleichzeitig vorhandene Wechselspannungs- (AC) - und Gleichspannungs- (DC) -Infrastrukturanschlüsse so nicht
gleichzeitig Spannung in das Fahrzeugbordnetz eines Fahrzeugs Spannung schalten würden, sondern sinnvollerweise nur einer der beiden, jedoch wären auch zusätzliche Schutzeinrichtungen wie eigene Trennschalter für Wechselspannungs- (AC) - und Gleich- spannungs- (DC) -Infrastrukturanschlüsse im Fahrzeugbordnetz vorstellbar .
Über gemäß Ausgestaltungen der Erfindung zum Laden des Energiespeichers ES zeitlich nacheinander in zwei Stufen über Wicklungen der elektrischen Maschine EL zur Verfügung gestellte Spannungen können über einen dafür vorgesehenen DC-DC-Wandler (Bezugszeichen in Fig. 1 „DCDC_Wandler" ) auch einem weiteren Bordnetz eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden (z.B. einem weiteren Bordnetz mit 12V (ein Fahrzeugbordnetz und/oder ein Elektromotor EM an der HV-Batterie und diese können dagegen beim Fahren z.B. mit 48V betrieben werden) .

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugbordnetz (FBN) mit
-einem Wechselrichter (WR) ,
-einem elektrischen Energiespeicher (ES) ,
-einer elektrischen Maschine (EM) und
-einem Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC) ,
wobei der Wechselrichter (WR) eine erste Seite (Sl) und eine zweite Seite (S2) aufweist und eingerichtet ist, Leistung zwischen diesen Seiten (Sl, S2) zu übertragen,
wobei auf der ersten Seite (Sl) des Wechselrichters (WR) zwei Ausgangsanschlüsse (EA1, EA2) des Wechselrichters (WR) mit dem Energiespeicher (ES) verbunden oder verbindbar sind,
wobei auf der zweiten Seite (S2) des Wechselrichters (WR) mindestens zwei Phasenstromanschlüsse (PS1, PS2, PS3) des
Wechselrichters (WR) mit der elektrischen Maschine (EM) verbunden oder verbindbar sind,
wobei durch eine von einer Steuerung (Ctrl) gesteuerte
Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2; SW-Box) mindestens einer der Lade-Eingänge (N; AC1, AC2, AC3; DC+, DC-) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) jeweils auf eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) schaltbar ist, und wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) dazu ausgebildet ist (Ctrl; SW-Box) , zunächst den elektrischen Energiespeicher (ES) mit einer ersten Spannung (Ul) auf mindestens eine zum Laden mit einer zweiten Spannung (U2) ausreichende Spannung (U_Akku) zu laden (AC; DC),
und danach den elektrischen Energiespeicher (ES) mit der zweiten Spannung (U2) zu laden (AC; DC) , welche zweite Spannung (U2) gleich oder größer als die erste Spannung (Ul) ist.
2. Fahrzeugbordnetz (FBN) nach Anspruch 1, mit
-einem Gleichstrom-Übertragungsanschluss (DC) ,
wobei durch eine gesteuerte (Ctrl) Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2, SW-Box) mindestens einer der Lade-Eingänge (AC2; AC3; N) des Wechselstrom-Übertragungsanschlusses (AC) zum Laden mit der ersten Spannung (Ul) auf eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) schaltbar ist, und danach mindestens einer (DC+; DC-) der Gleichstrom-Lade- Eingänge (DC+, DC-) auf eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) zum Laden mit der zweiten Spannung (U2) schaltbar ist.
3. Fahrzeugbordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) dazu ausgebildet ist (CTRL) , bei einem Laden des Energiespeichers (ES) mit Gleichspannung (DC) über mindestens einen Eingang (DC+, DC-) des Gleich- strom-Übertragungsanschlusses (DC) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) jeden geschalteten (SW2, SW3) Eingang (DC+, DC-) nur über je eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) auf den Energiespeicher (ES) zu schalten.
4. Fahrzeugbordnetz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) dazu ausgebildet ist, zunächst den elektrischen Energiespeicher (ES) mit der ersten Spannung (Ul) zu laden, indem von einer gesteuerten (Ctrl) Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2 , ; ; SW-Box) nur ein Phasen-Anschluss (AC2, AC3) des Wechsel¬ strom-Übertragungsanschlusses (AC) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) über nur eine der Phasen (V2; W2) der elektrischen Maschine (EM) und über den Wechselrichter (WR) an den elektrischen Energiespeicher (ES) geschaltet ist,
und wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) dazu ausgebildet ist, danach um den elektrischen Energiespeicher (ES) mit der zweiten Spannung (U2) zu laden welche zweite Spannung (U2) höher als die erste Spannung (Ul) ist, Anschlüsse (AC1, AC2, AC3) des
Wechselstrom-Übertragungsanschlusses (AC) des Fahrzeugbord- netzes (FBN) über drei innere Motorphasen (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) und über den Wechselrichter (WR) an den elektrischen Energiespeicher (ES) zu schalten (SWl, SW2, SW3) .
5. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (SWl, SW2, SW3, SW4 ; SPl, SP2) Schalter (SWl, SW2, SW3) für mehrere Lade-Eingänge (ACl, A2, AC3) des Wechselstrom-Übertragungsanschlusses (AC) des Fahrzeug- bordnetzes (FBN), insbesondere Lade-Eingänge (ACl, A2, AC3) für eine Ladeeinrichtung (Lad) für das Fahrzeugbordnetz (FBN) , aufweist .
6. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (SWl, SW2, SW3, SW4 ; SPl, SP2) einen oder mehrere Schalter (SW2, SW3) für je einen der Lade-Eingänge (DC+, DC-) des Gleichstrom-Übertragungsanschlusses (DC) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) , insbesondere zum Anschluss an eine Ladeeinrichtung (Lad) für das Fahrzeugbordnetz (FBN) , aufweist, insbesondere zum Schalten dieser Lade-Eingänge (DC+, DC-) auf je eine innere Motorphase (U2, V2, W2) der elektrischen Maschine (EM) .
7. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (SWl, SW2, SW3, SW4 ; SPl, SP2) mit der elektrischen Maschine (EM) verbundene Schalter (SWl, SW2, SW3, SW4; SPl, SP2) aufweist, insbesondere Schalter (SPl, SP2) für eine Stern-Dreiecksschaltung und/oder ein Kurzschließen von Phasen der elektrischen Maschine (EM) zum Umschalten von einem Traktionsbetrieb auf einen Ladebetrieb.
8. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Schalter (SWl, SW2, SW3, SW4 ; SPl, SP2 , ; ) der Schalteinrichtung (SWl, SW2, SW3, SW4 ; SPl, SP2 , ; ), insbeson Schalter (SP1, SP2) für eine Stern-Dreiecksschaltung und/oder Schalter (Sl, S2, S3) für Lade-Eingänge (ACl, AC2, AC3; DC+, DC-) , in einem gemeinsamen Gehäuse (SW-Box) und/oder Modul angeordnet sind,
insbesondere entweder zwischen der elektrischen Maschine (EM) und einem EMV-Filter (EMV-F) im Fahrzeugbordnetz (FBN) und/oder einem Stecker (Stk) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) oder zwischen der elektrischen Maschine (EM) und dem Wechselrichter (WR) .
9. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schalteinrichtung (SW4) zum Schalten eines N-Leiters (N) näher am Stecker (Stk) oder ferner vom Stecker (Stk) als eine zu ihr (SW4) serielle Induktivität (ID1) angeordnet ist.
10. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schalteinrichtung (SWl) für eine Phase (ACl) zwischen einer Schalteinrichtung (SW4) zum Schalten eines N-Leiters (N) und dem Stecker (Stk) geschaltet ist.
11. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schalteinrichtungen (SW2) und (SW3) für je einen der Lade-Eingänge (AC2; AC3; N) des Wechsel¬ strom-Übertragungsanschlusses (AC) zwischen einer dazu (SW2, SW3) seriellen Induktivität (ID2, ID3) und dem Stecker (Stk) geschaltet sind.
12. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Stecker (Stk) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) die Lade-Eingänge (ACl, AC2, AC3) für einen Wechsel- strom-Übertragungsanschluss (AC) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) und die Lade-Eingänge (DC+, DC-) für einen Gleich- strom-Übertragungsanschluss (DC) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) angeordnet sind,
insbesondere in einem in eine Ladestation (Lad) einsteckbaren Stecker (Stk) . (Fig. 6)
13. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (Ctrl) dazu ausgebildet ist,
automatisch anhand des Energiespeicher-Ladezustands (U_Akku) zu entscheiden, ob einphasig oder dreiphasig zu laden ist.
14. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (Ctrl) dazu ausgebildet ist,
automatisch anhand des Energiespeicher-Ladezustands (U_Akku) zu entscheiden, von einphasig auf dreiphasig umzuschalten.
15. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrischen Energiespeicher (ES) ein (SOC-) Span- nungsband für die zulässige Ladespannung (U_Akku; Ul; U2) des elektrischen Energiespeichers (ES) aufweist,
das (U_Akku) teilweise oder größtenteils über dem Niveau der kleineren (Ul) und/oder der größeren (U2) zum Laden vorgesehenen gleichgerichteten Netzwechselspannung (Ul; U2) beim Laden über den Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC) und/oder Gleich¬ strom-Übertragungsanschlusses (DC) des Fahrzeugbordnetzes liegt,
insbesondere ein Spannungsbereich von bei entladenem oder auf maximal 20% teilentladenem Energiespeicher (ES) von 230V oder 500V bis zu bei vollem oder zumindest 80% vollem Energiespeicher (ES) von 450V oder 800V, also von 230V bis 450V oder von 500V bis 800V.
16. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenn der elektrische Energiespeicher (ES) entladen ist, insbesondere auf einen relativen Grenzwerte von weniger als etwa 20% oder 25% des Maximums entladen ist,
der elektrische Energiespeicher (ES) erst mit der ersten Spannung (Ul) und/oder ein-phasig über eine Phase (U2) der elektrischen Maschine (EM) und/oder langsam geladen wird,
insbesondere mit einer ersten Spannung (Ul) die eine Wech¬ selspannung (AC) von maximal einphasig 156V oder 360V
(230V*1, 42*1, 1) ist und/oder bis die Spannung (U_Akku) am Energiespeicher (ES) größer als die gleichgerichtete (EM, TP) erste (Ul) oder zweite (U2) Netzwechselspannung (U_Netz_AVR; Ul ; 400V*1, 2*1, 1 * 600V) ist.
17. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Spannung (Ul) am Energiespeicher (ES) 230V ist und die zweite Spannung (U2) am Energiespeicher (ES) 400V ist, oder
die erste Spannung (Ul) am Energiespeicher (ES) 170V ist und die zweite Spannung (U2) am Energiespeicher (ES) 340V ist.
18. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC) zum Laden ein einphasiger Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC) und/oder ein dreiphasiger Drehstrom-Übertragungsanschluss ist.
19. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2; SW-Box) j eweils entweder ein mechanischer Schalter, insbesondere Schütz, oder ein Halbleiterschalter, oder
ein Hybrider Schalter aus bestehend aus einem mechanischen Schalter und einem Halbleiterschalter.
20. Fahrzeugbordnetz einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über mindestens eine Schalteinrichtung (SW1, SW2, SW3) sowohl ein Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC1, AC2, AC, AC3) des Fahrzeugbordnetzes (FBN) als auch Gleich- strom-Übertragungsanschluss (DC+, DC-) schaltbar ist.
21. Fahrzeugbordnetz nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei durch den Stecker abgesichert ist, dass nur entweder über den Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC1, AC2, AC, AC3) oder über den Gleichstrom-Übertragungsanschluss (DC+, DC-) geladen wird.
22. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (ES) ,
insbesondere mit einem Fahrzeugbordnetz (FBN) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit
-einem Wechselrichter (WR) ,
-einem elektrischen Energiespeicher (ES) ,
-einer elektrischen Maschine (EM) und
-einem Wechselstrom-Übertragungsanschluss (AC) ,
wobei der Wechselrichter (WR) eine erste Seite (Sl) und eine zweite Seite (S2) aufweist und eingerichtet ist, Leistung zwischen diesen Seiten (Sl, S2) zu übertragen,
wobei auf der ersten Seite (Sl) des Wechselrichters (WR) zwei Ausgangsanschlüsse (EA1, EA2) des Wechselrichters (WR) mit dem Energiespeicher (ES) verbunden sind,
wobei auf der zweiten Seite (S2) des Wechselrichters (WR) mindestens zwei Phasenstromanschlüsse (PS1, PS2, PS3) des Wechselrichters (WR) mit der elektrischen Maschine (EM) verbunden sind, wobei das Fahrzeugbordnetz (FBN) zunächst den elektrischen Energiespeicher (ES) mit einer ersten Spannung (Ul) lädt, und danach den elektrischen Energiespeicher (ES) mit einer zweiten Spannung (U2) lädt, welche zweite Spannung (U2) höher als die erste Spannung (Ul) ist.
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