WO2020001873A1

WO2020001873A1 - Fahrzeugseitige ladeschaltung

Info

Publication number: WO2020001873A1
Application number: PCT/EP2019/063383
Authority: WO
Inventors: Franz Pfeilschifter; Martin GÖTZENBERGER; Manuel Brunner
Original assignee: Cpt Group Gmbh
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-01-02
Also published as: KR20210021586A; US11677257B2; CN112292797A; DE102018210579A1; US20210265855A1; KR102567754B1

Abstract

Eine fahrzeugseitige Ladeschaltung weist einer Wechselspannungsschnittstelle (IF), einen daran angeschlossenen Gleichrichter (GR) und mindestens einem ersten und einem zweiten Gleichspannungswandler (GW1, GW2) auf. Die Gleichspannungswandler (GW1, GW2) sind galvanisch trennend und weisen jeweils mindestens einen Zwischenkreiskondensator (C1, C2) und mindestens eine Schaltereinheit (SE1, SE2) auf. Die Ladeschaltung umfasst ferner einen Bordnetzanschluss (AN). Der Gleichrichter (GR) ist über die Gleichspannungswandler (W1, W2) mit dem Bordnetzanschluss (AN)verbunden.Die Ladeschaltung umfasst eine Schaltervorrichtung (SV), die die Gleichspannungswandler (W1, W2) untereinander schaltbar verbindet. Die Schaltervorrichtung (SV) verbindet in einem ersten Schaltzustand (1) die Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2) und die Schaltereinheiten (SE1, SE2) der Gleichspannungswandler (W1, W2) parallel miteinander und verbindet in einem zweiten Schaltzustand (2) die Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2) und die Schaltereinheiten (SE1, SE2) seriell miteinander.

Description

Beschreibung

Fahrzeugseitige Ladeschaltung

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Akkumulator auf, um den Antrieb zu speisen. Bei zahlreichen Fahrzeugen ist eine Ladebuchse vorgesehen, um Energie von außen in den Akkumulator zur übertragen, etwa im Rahmen eines Ladevorgangs.

Beim Anschluss eines Fahrzeugs an ein Wechselspannungnetz können mehrere elektrische Parameter variieren, die Einfluss auf Betriebsgrößen wie Spannung oder Leistung der Ladeschaltung haben. Diese variablen Parameter sind beispielsweise die Phasenanzahl, die von der Ausgestaltung des Wechselspannung anschlusses abhängt, sowie die Spannung bzw. Konfiguration des Wechselspannungnetzes, die regional variieren kann.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der möglichst kostengünstig unterschiedlich ausgeprägte

Wechselspannunganschlüsse zum Laden eines Fahrzeugs verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung vorgeschlagen, bei der mehrere (galvanisch trennende) Gleichspannungswandler mittels einer einstellbaren Schaltervorrichtung parallel oder seriell miteinander verbunden werden können, um so die La deschaltung an die Ausprägung (etwa: ein- oder mehrphasig) des Anschlusses an ein Wechselspannungsnetz anpassen zu können. Ein Gleichrichter der Ladeschaltung ist einer Wechselspannungs schnittstelle der Ladeschaltung nachgeschaltet und richtet die an der Wechselspannungsschnittstelle anliegende Spannung gleich. Die gleichgerichtete Spannung (bzw. deren Spitzenwert) richtet sich nach der Phasenanzahl der Wechselspannungs schnittstelle. Bei einem 230 V - Netz und einer dreiphasigen Anschlusskonfiguration kann sich so eine gleichgerichtete Spannung ergeben, die über einer Grenz-Nennspannung liegt, die sich mit einer bestimmten Halbleitertechnologie erreichen lässt . Um für die Halbleiter der Gleichspannungswandler eine

Grenz-Nennspannung vorzusehen, die nicht die verwendbaren Technologien beschränkt, kann in diesem Fall die Schalter vorrichtung die mehreren Gleichspannungswandler in Serie zu einander schalten. Dadurch teilt sich die Betriebsspannung für jeden Gleichspannungswandler durch deren Anzahl. Bei zwei Gleichspannungswandlern halbieren sich die Betriebsspannungen, mit denen die Halbleiter der Gleichspannungswandler jeweils arbeiten. Bei einem einphasigen Betrieb können die Gleich spannungswandler parallel geschaltet werden, um so eine Ver vielfachung der Stromtragfähigkeit zu erreichen.

Die fahrzeugseitige Ladeschaltung ist mit einer Wechselspan nungsschnittstelle und einem daran angeschlossenen Gleich richter ausgestattet. Die Wechselspannungsschnittstelle ist insbesondere ein Steckverbindungselement mit mehreren Kon takten. Der Gleichrichter weist die Funktion des Gleichrichtens auf, kann jedoch in einigen Ausführungsformen neben dieser Funktion auch weitere Funktionen wie Leistungsfaktorkorrektur oder Oberwellenfiltern aufweisen; insbesondere ist der

Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter. Der Gleichrichter weist eine Wechselspannungsseite auf. Mit dieser ist der Gleichrichter an der Wechselspannungsschnittstelle angeschlossen.

Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise für jeden Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle mindestens eine Halbbrücke (die steuerbar sein kann oder eine Diodenhalbbrücke sein kann) . Die Wechselspannungsschnittstelle kann einen Neutralleiter kontakt aufweisen. Dieser ist vorzugsweise mit einer (eigenen) Halbbrücke des Gleichrichters verbunden. Diese Halbbrücke unterscheidet sich von einer Halbbrücke, die mit einer Phase der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist und kann insbe sondere eine Diodenhalbbrücke sein.

Der Gleichrichter umfasst auch eine Gleichspannungsseite. An diese sind die Halbbrücken des Gleichrichters angeschlossen. Die Gleichspannungsseite umfasst insbesondere zwei Gleichspan nungspotentiale oder -schienen. An diese sind die Halbbrücken angeschlossen (wobei hierbei insbesondere die beiden Enden der Halbbrücken an dieser Potentiale oder Schienen angeschlossen sind) .

An den Gleichrichter (bzw. an dessen Gleichspannungsseite) sind mehrere galvanisch trennende Gleichspannungswandler ange schlossen. Die Verbindungsart (parallel oder seriell) , in der die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, ist einstellbar mittels einer Schaltervorrichtung. Die Schalter vorrichtung verbindet die Gleichspannungswandler untereinander in schaltbarer Weise. Unterschiedliche Schaltstellungen der Schaltervorrichtung sind mit unterschiedlichen Verbindungen des Gleichrichters einerseits und der Gleichspannungswandler an dererseits verknüpft.

Mittels der Schaltvorrichtung können die Gleichspannungswandler (insbesondere die Seite der Gleichspannungswandler, die den Zwischenkreiskondensator aufweist) wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Insbesondere können mittels der Schaltvorrichtung die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Diese Seiten können den Eingangsseiten der Gleichspannungswandler entsprechen, ins besondere bei einem Ladevorgang . Bei einer Rückspeisung (d.h. bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern) entsprechen die Seiten den Ausgängen der Gleichspannungswandler.

Die Schaltvorrichtung erlaubt es, die Eingänge (insbesondere bezogen auf einen Ladevorgang) der Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander zu verbinden. Da die

Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, kann mittels der Schaltvorrichtung somit die Verbindungsart der Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter eingestellt werden. Bei einer seriellen Verbindung ergibt sich bei zwei Gleichspannungswandler die halbe Betriebsspannung (bezogen auf die gleichgerichtete Spannung) , so dass die Schalterelemente als auch die Zwischenkreiskondensatoren nur gemäß dieser halben (bzw. durch die Anzahl der Wandler geteilten) Betriebsspannung ausgelegt sein müssen. Die Gleichspannungswandler weisen eine dem Gleichrichter zugewandte Seite auf. Diese Seiten der Gleichspannungswandler werden mittels der Schaltvorrichtung wahlweise bzw. schaltbar (oder einstellbar) parallel oder seriell miteinander verbunden. An diesen Seiten befinden sich die Zwischenkreiskondensatoren, die somit einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dies gilt auch für die Schaltereinheiten der Gleichspannungswandler.

Der Gleichrichter ist über die Gleichspannungswandler mit dem Bordnetzanschluss verbunden. Der Bordnetzanschluss ist ins besondere ein Hochvoltanschluss und ist somit für Betriebs spannungen für > 60 V ausgelegt, insbesondere für mindestens 400 V, 600 V oder 800 V. Ein Bordnetz mit der hier beschriebenen Ladeschaltung umfasst ferner einen Akkumulator, der an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Neben dem Akkumulator können weitere Komponenten an den Bordnetzanschluss ange schlossen sein. Der Bordnetzanschluss kann über Trennschalter mit den Gleichspannungswandlern verbunden sein.

Der erste und der zweite Gleichspannungswandler können jeweils mit einem Transformator versehen sein bzw. mit zumindest einer Primärwicklung. Der Transformator bzw. die Primärspule ist an die Schaltereinheit des betreffenden Gleichspannungswandlers an geschlossen. Der erste Transformator bzw. eine erste Pri märwicklung des ersten Gleichspannungswandlers ist an die Schaltereinheit des ersten Gleichspannungswandlers ange schlossen. Ein zweiter Transformator bzw. eine zweite Pri märwicklung ist an die Schaltereinheit des zweiten Gleich spannungswandlers angeschlossen. Der Transformator bildet die Gleichspannungswandler als galvanisch trennende Gleichspan nungswandler aus. Der Transformator bzw. die Primärwicklung ist an einen Verbindungspunkt angeschlossen, über den die Schal tereinheiten des jeweiligen Gleichspannungswandlers miteinander verbunden sind. Dieser Verbindungspunkt entspricht an einem Zwischenabgriff. Es kann vorgesehen sein, dass der Transformator bzw. die Primärwicklung zwei Enden aufweist, wobei ein erstes Ende hiervon mit dem Verbindungspunkt zwischen den Schal tereinheiten verbunden ist und ein zweites Ende hiervon mit einem Verbindungspunkt zweier zueinander seriell geschalteten Kon densatoren verbunden ist. Die verbundenen Kondensatoren bilden eine Serienschaltung. Diese Serienschaltung ist parallel an die Schaltereinheiten ange schlossen. Die Schaltereinheiten sind insbesondere zwei

Schaltereinheiten, die über den Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Es ergibt sich eine Serienschaltung der

Schaltereinheiten, die parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren angeschlossen ist. Mit anderen Worten ist ein Ende der Primärwicklung bzw. des Transformators mit der Wechsel spannungsseite bzw. mit dem Verbindungspunkt der Schal tereinheiten verbunden, und ein anderes Ende ist kapazitiv mit mindestens einem Gleichspannungspotential bzw. einem Versor gungspotential des betreffenden Gleichrichters verbunden. Dies gilt vorzugsweise für alle bzw. beide Gleichspannungswandler. Die hier erwähnte Primärwicklung ist die Primärwicklung des Transformators. Der Transformator umfasst mindestens eine weitere Wicklung, nämlich wenigstens eine weitere Sekun därwicklung, die galvanisch von der Primärwicklung getrennt ist und die magnetisch mit dieser gekoppelt ist. Vorzugsweise weist jeder Gleichspannungswandler einen eigenen Transformator auf. Es kann vorgesehen sein, dass für mehrere Gleichspannungswandler oder alle Gleichspannungswandler der gleiche Transformator verwendet wird, wobei jeder Gleichspannungswandler vorzugsweise mit einer eigenen Primärwicklung desselben Transformators verbunden ist.

Zwischen dem Bordnetzanschluss und den Gleichspannungswandlern, insbesondere zwischen dem Bordnetzanschluss und den Trans formatoren (oder dem Transformator) ist ein Sekun- där-Gleichrichter vorgesehen. Es handelt sich hierbei um einen anderen Gleichrichter als derjenige, welcher zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den Gleichrichtern vorgesehen ist. Der Sekundär-Gleichrichter, der sich zwischen dem Bord netzanschluss und den Gleichspannungswandlern bzw. Transfor matoren befindet, wird im weiteren durchgängig als Sekun där-Gleichrichter bezeichnet und ist somit auch sprachlich von dem zuvor genannten Gleichrichter (zwischen Wechselspan nungsschnittstelle und Gleichspannungswandler, der auch Ein gangsgleichrichter genannt werden kann) zu unterscheiden. Der Sekundär-Gleichrichter umfasst eine erste Seite, insbesondere eine Wechselspannungsseite, die mit den Transformatoren ver- bunden ist, insbesondere mit den Sekundärwicklungen. Der Se- kundär-Gleichrichter weist somit eine Wechselspannungs schnittstelle auf, die den Gleichspannungswandlern zugewandt ist. Der Sekundär-Gleichrichter weist ferner eine Gleich spannungsseite auf, die an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Der Sekundär-Gleichrichter umfasst mindestens eine erste und eine zweite Gleichrichterschaltung, insbesondere für jeden Gleichspannungswandler eine Gleichrichterschaltung. Die erste Gleichrichterschaltung ist galvanisch getrennt mit dem ersten Gleichspannungswandler verbunden, insbesondere über den gal vanisch trennenden Transformator. Die zweite Gleichrichter schaltung ist mit dem zweiten Gleichspannungswandler galvanisch getrennt verbunden, insbesondere über den zweiten Transformator.

Die Gleichspannungsseiten der Gleichrichterschaltungen des Sekundär-Gleichrichters sind miteinander parallel verbunden, können jedoch auch in Reihe geschaltet sein. Der Sekun där-Gleichrichter kann mindestens einen Glättungskondensator aufweisen, der auf der Seite des Sekundär-Gleichrichters vorgesehen ist, welcher mit dem Bordnetzanschluss verbunden ist. Insbesondere sind die Wechselspannungsseiten der Gleichrich terschaltungen des Sekundär-Gleichrichters mit einem oder mit mehreren Glättungskondensatoren verbunden.

Die Gleichspannungswandler sind vorgesehen, den von dem

Gleichrichter bzw. von der Seite der Wechselspannungs

schnittstelle empfangene Spannung zu zerhacken, um damit die Primärwicklungen bzw. die betreffenden Transformatoren anzu regen. Da dies jedoch ausgeführt wird, um eine Gleichspannung zu erzeugen, werden die Schaltereinheiten zusammen mit den Zwi schenkreiskondensatoren als Gleichspannungswandler bezeichnet, da diese zur Gleichspannungswandlung beitragen. Zur Gleich spannungswandlung werden ferner die Transformatoren und der Sekundär-Gleichrichter verwendet, sodass die Gleichspan nungswandler, die Transformatoren und der Sekun

där-Gleichrichter zusammen als Gleichspannungswandlungseinheit betrachtet werden können. In diesem Kontext können die

Gleichspannungswandler, welche die Zwischenkreiskondensatoren und die Schaltereinheiten umfassen, auch als Zerhacker (eng lisch: chopper) mit Zwischenkreis betrachtet werden, auf die ein galvanisch getrennter Sekundär-Gleichrichter folgt. Eine andere Bezeichnung für die Gleichspannungswandler, welche jeweils den Zwischenkreiskondensator und die Schaltereinheiten umfassen, wäre daher „Zerhacker".

Die Schaltereinheiten des ersten und des zweiten Spannungs wandlers umfassen jeweils zwei Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Diese Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren. Da durch die Aufteilung in mehrere Gleichspannungswandler die Gesamtspannung des Gleichrichters aufgeteilt wird, können Transistoren mit einer Maximalspannung von weniger als 650, 700 oder 600 Volt verwendet werden, beispielsweise sogenannte „Superj unction FETs" verwendet werden. Dies gilt insbesondere für ein 230 Volt-Netz, wenn dies dreiphasig an die Ladeschaltung angeschlossen ist, sodass es nicht erforderlich ist, die Gleichspannungswandler mit Tran sistoren auszustatten, die mit höheren Maximalspannungen ausgelegt werden müssen. Dadurch kann beispielsweise auf SiC-MOSFETs verzichtet werden, die einen signifikanten Kos tenfaktor darstellen. Als Schaltereinheiten eignen sich ins besondere Transistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs.

Der Gleichrichter weist vorzugsweise eine oder mehrere schaltbare Halbbrücke auf. Die Halbbrücken sind insbesondere vollschaltbar, das heißt bestehen jeweils aus einer Reihen schaltung von zwei Schaltern wie Transistoren. Die Halbbrücken bzw. deren Verbindungspunkte bzw. Zwischenabgriffe sind ins besondere direkt oder über Serieninduktivitäten mit der

Wechselspannungsschnittstelle verbunden. Bei einer Verbindung über jeweilige Serieninduktivitäten ergibt sich eine Leis tungsfaktorkorrekturschaltung, die sowohl gleichrichtende Funktion hat als auch eine spannungswandelnde Funktion, ins besondere eine Aufwärtswandlungsfunktion. Der Gleichrichter zwischen Wechselstromschnittstelle und den Gleichspannungs wandlern ist daher vorzugsweise ein aktiver Gleichrichter und kann, wenn er mit Serieninduktivitäten wie beschrieben aus gestattet ist, auch eine korrigierende Funktion hinsichtlich des Leistungsfaktors ausüben und/oder oberwellendämpfend wirken. Die Wechselspannungsschnittstelle kann einphasig ausgestaltet sein oder ist vorzugsweise mehrphasig ausgestaltet, bei spielsweise dreiphasig. Somit ist auch der Gleichrichter zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den Gleich spannungswandlern vorzugsweise ein- mehr- oder insbesondere dreiphasig ausgestaltet. Die Anzahl der Phasen der Wechsel spannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters, der der Wechselspannungsschnitt stelle nachgeschaltet ist. Die Anzahl der Phasen der Wech selspannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters. Die Anzahl der Phasen des Gleichrichters entspricht vorzugsweise der Anzahl der

(schaltbaren) Halbbrücken des Gleichrichters. Es kann vorgesehen sein, dass darüber hinaus eine zusätzliche Halbbrücke in Form einer Diodenhalbbrücke vorgesehen ist. In diesem Fall umfasst der Gleichrichter eine Anzahl von (schaltbaren) Halbbrücken, sowie eine zusätzliche Halbbrücke, die insbesondere als Diodenbrücke ausgestaltet ist.

Es können festverdrahtete oder schaltbare Verbindungen zwischen den Phasen der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen sein. Diese verbinden vorzugsweise alle Phasen miteinander, wenn die Schnittstelle selbst nur einphasig belegt ist bzw. einphasig betrieben wird. Ansonsten sind die Verbindungen nicht vorhanden oder offen. Bei einer mehrphasigen bzw. dreiphasigen Belegung der Wechselspannungsschnittstelle sind die Verbindungen nicht vorgesehen bzw. offen. Die Verbindungen erlauben daher eine Konfiguration und insbesondere die Verteilung des zu tragenden Stroms über alle Halbbrücken des Gleichrichters, auch bei einer nur einphasigen Belegung der Wechselstromschnittstelle. Die Wechselspannungsschnittstelle ist somit mit mehreren Phasen kontakten ausgestattet. Die Phasenkontakte sind in einem Einphasenzustand mittels Verbindungen miteinander verbunden. In einem Mehrphasenzustand sind die Phasenkontakte individuell mit den einzelnen Halbbrücken verbunden, das heißt mit den einzelnen Halbbrücken des Gleichrichters. In dem Mehrphasenzustand sind die Phasen der Wechselspannungsschnittstelle untereinander nicht verbunden. Die Verbindungen können von Halbleiterschaltern, elektrome chanischen Schaltern oder von fest verdrahteten, entfernbaren Verbindungselementen vorgesehen sein, die beispielsweise als Brücken ausgebildet sind, die auf Pins aufgesteckt sind und von diesen entfernbar sind. Durch die letztgenannte Möglichkeit ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine Kon figuration auszuwählen, ohne die restliche Schaltung ändern zu müssen, um so die Ladeschaltung an ein- oder mehrphasiges Schalten anzupassen.

Die Ladeschaltung kann ferner eine Steuerung aufweisen. Diese ist mit der Schaltereinheit ansteuernd verbunden. Damit kann die Steuerung einstellen, ob die Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander verbunden werden. Die Steuerung kann dadurch insbesondere einstellen, ob die Seiten der Gleich spannungswandler, die dem Gleichrichter zugewandt sind, parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dadurch kann die Steuerung einstellen, ob die Stromtragfähigkeit mittels Pa rallelschaltung der Gleichrichter vervielfacht wird, oder ob die jeweilige Betriebsspannung durch seriell-schalten der

Gleichspannungswandler gemäß der Anzahl der Gleichspannungs wandler aufgeteilt wird. Die Steuerung steuert die Schal tereinheit in einem Einphasenzustand an, die Gleichspan nungswandler parallel miteinander zu verbinden.

In einem Mehrphasenzustand steuert die Steuerung die Schal tereinheit an, die Gleichspannungswandler seriell zu verbinden. Dies betrifft insbesondre die serielle oder parallele Verbindung der jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren bzw. der Schal tereinheiten der betreffenden Gleichspannungswandler. Sind ferner Verbindungen zwischen den Phasenkontakten der Wech selspannungsschnittstelle vorgesehen, die schaltbar sind (etwa durch Halbleiterschalter oder durch elektromechanische Schalter innerhalb der Verbindungen) , dann werden diese Verbindungen zwischen den Phasen bzw. Phasenkontakten hergestellt, wenn der Einphasenzustand vorgesehen ist, und aufgetrennt, wenn der Mehrphasenzustand vorgesehen ist. Es kann eine Erfassungs einrichtung vorgesehen sein, die den Belegungszustand an der Wechselstromschnittstelle erfasst, und die insbesondere er fasst, ob eine oder mehrere Phasen der Schnittstelle belegt sind. Sind mehrere Phasen belegt, wird der Mehrphasenzustand ein gestellt, und ist nur eine Phase belegt, wird der Einphasen zustand eingestellt. Die Erfassungseinrichtung kann Teil der Steuerung sein oder kann dieser vorgeschaltet sein, um an diese entsprechende Informationen zu liefern.

Die Steuerung, ein Teil der Steuerung oder eine direkte oder indirekt verknüpfte Steuerungseinheit kann vorgesehen sein, um die Gleichspannungswandler bzw. deren Schaltereinheiten an zusteuern und/oder um Schalteinrichtungen des (aktiven)

Gleichrichters anzusteuern. Die mit der Schaltereinheit an steuernd verbundene Steuerung kann von einer übergeordneten Steuerung angeordnet sein, die auch ansteuernd mit derjenigen Steuereinheit verbunden ist, welche die Schaltereinheiten des Gleichspannungswandlers und/oder die Schaltelemente des

Gleichrichters ansteuert. Jedoch ist letztlich die galvanische Aufgliederung der Steuerung in verschiedene Weisen umsetzbar.

Der Gleichrichter kann eine Dioden-Halbbrücke aufweisen, die mit einem Neutralleiterkontakt der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist. Neben der Dioden-Halbbrücke umfasst der

Gleichrichter Halbbrücken mit Schaltereinheiten, wobei jede dieser Halbbrücke eine Phase der Wechselspannungsschnittstelle zugeordnet ist bzw. mit dieser (beispielsweise über Indukti vitäten) verbunden ist.

Wie erwähnt ist der Gleichrichter vorzugsweise als aktiver Gleichrichter ausgebildet. Hierbei umfasst der Gleichrichter ein oder mehrere Halbbrücken, die jeweils eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen umfassen. Vorzugsweise ist der Gleich richter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet. Hierbei umfasst dieser mehrere Halbbrückenschaltungen, die über Serieninduktivitäten mit der Wechselstromschnittstelle ver bunden sind. Die Verbindungen sind hierbei individuell, sodass auch die Serieninduktivitäten eine individuelle Verbindung zwischen jeweiliger Halbbrücke und Phasenkontakt der Wech selspannungsschnittstelle darstellen. Wie erwähnt kann zum einphasigen Laden bzw . im Einphasenzustand vorgesehen sein, dass die Phasenkontakte über entsprechende Verbindungen miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter kann insbesondre als Vien- na-Gleichrichter ausgebildet sein.

Die Fig. 1 dient zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen LadeSchaltung .

Die Fig. 1 zeigt ein Bordnetz mit einer beispielhaften La deschaltung, die über die Wechselspannungsschnittstelle IF an ein Stromnetz SN (statisch) angeschlossen ist. Das Versor gungsstromnetz ist hierbei dreiphasig ausgebildet und umfasst einen Neutralleiter N. Es ergeben sich somit vier Kontakte der Wechselstromschnittstelle IF mit drei Phasenkontakten PI, P2, P3 und einem Kontakt für den Neutralleiter N, der als Neutral leiterkontakt NK bezeichnet wird.

Die Ladeschaltung schließt sich an das Stromnetz SN an, welches beispielsweise ein öffentliches Stromversorgungsnetz ist. Die Ladeschaltung umfasst die Wechselspannungsschnittstelle IF, die an einen Gleichrichter GR angeschlossen ist. An den Gleichrichter schließen sich wiederum zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 an, die mittels einer Schaltervorrichtung SV miteinander konfi gurierbar verbunden sind. Die Gleichrichter GW1, GW2 umfassen jeweils einen Transistor TI, T2, an die sich der Sekun- där-Gleichrichter SG anschließt. Der Sekundär-Gleichrichter SG bildet somit die Verbindung zu einem Bordnetzanschluss AN.

Der Gleichrichter umfasst drei Halbbrücken HB1 bis HB3, die jeweils vollsteuerbar sind. Die Verbindungspunkte der Halb brücken HB1, HB2, HB3, die sich durch die Serienschaltung von zwei Schaltelementen ergeben, sind jeweils über Induktivitäten LI bis L3 mit den Phasenkontakten PI bis P3 verbunden. Der Neutral leiterkontakt NK ist direkt, das heißt ohne zusätzliche In duktivität, mit einer Dioden-Halbbrücke DH verbunden, die auch zum Gleichrichter GR gehört. Als Gleichrichter wird hierbei derjenige Gleichrichter bezeichnet, welcher zwischen der Wechselspannungsschnittstelle IF und den Gleichspannungs wandlern GW1, GW2 angeschlossen ist. Der Sekundär-Gleichrichter GR, der den Gleichspannungswandlern GW1, GW2 nachgeschaltet ist, wird durchweg als Sekundär-Gleichrichter bezeichnet, um diesen von dem erstgenannten Gleichrichter zu unterscheiden. Die Halbbrücken HB1 bis HB3 sowie die Dioden-Halbbrücke DH sind jeweils mit ihren Enden an zwei Versorgungspotentiale V-, V+ angeschlossen. Die Versorgungspotentiale werden durch ent sprechende Stromschienen realisiert. Die Gleichrichter sind an eine dieser Versorgungspotentiale angeschlossen, jedoch nicht beide. Dies erlaubt eine konfigurierbare Seriell- oder Pa- rallel-Schaltung mittels der Schaltervorrichtung SV.

Der erste Gleichspannungswandler GW1 ist mit dem positiven Versorgungspotential V+ verbunden. Ein zweites Versorgungs potential des Gleichspannungswandlers GW1 ist über die

Schaltervorrichtung SV wählbar mit dem anderen Versorgungs potential V- oder mit dem positiven Versorgungspotential des zweiten Gleichspannungswandlers verbindbar. Dadurch kann ausgewählt werden, ob beide Gleichspannungswandler GW1, GW2 seriell oder parallel zueinander geschaltet werden sollen.

Der zweite Gleichspannungswandler weist ein negatives Ver sorgungspotential auf, das dem negativen Versorgungspotential V- der Ladeschaltung entspricht. Jedoch weist auch der zweite Gleichspannungswandler GW2 ein Potential auf, nämlich das positive Versorgungspotential, welches über die Schaltervor richtung SV auswählbar mit dem ersten Gleichspannungswandler bzw. dessen negativen Versorgungspotential, oder mit dem po sitiven Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung verbunden werden kann. Hierzu umfasst die Schaltervorrichtung SV einen ersten Schalter Sl. Dieser erlaubt die schaltbare Verbindung des negativen Versorgungspotentials des ersten Gleichspannungs wandlers GW1 mit dem positiven Versorgungspotential des zweiten Gleichspannungswandlers GW2. Ist dieser Schalter Sl geschlossen, dann sind die Eingänge der Gleichspannungswandler bzw. deren Zwischenkreiskondensatoren CI, C2 oder auch deren Schal tereinheiten SEI, SE2 in Serie miteinander verbunden und so als Serienschaltung mit den beiden Versorgungspotentialen V+, V- der Ladeschaltung verbunden.

Ein zweiter Schalter S2 erlaubt die Verbindung des positiven Versorgungspotentials des zweiten Spannungswandlers mit dem Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung. Entsprechend gibt es einen dritten Schalter S3, der schaltbar das negative Ver sorgungspotential des ersten Gleichspannungswandlers GW1 mit dem negativen Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung verbindet. Sind die Schalter S2, S3 geschlossen, dann arbeiten beide Gleichspannungswandler GW1, GW2 mit dem Versorgungspotential V-, V+ der Ladeschaltung, das heißt mit der Ausgangsspannung des Gleichrichters GR. Eine symbolisch dargestellte Steuerung ST ist ansteuernd mit den Schaltern S1 bis S3 verbunden.

Im dargestellten Schaltzustand 2 der Schaltervorrichtung SV ist der Schalter S1 geschlossen und die Schalter S2, S3 sind offen. Dadurch sind die Gleichspannungswandler GW1, GW2 seriell miteinander verbunden. In einem Schaltzustand 1 (der entge gengesetzt ist zu dem dargestellten Schaltzustand) ist S1 offen und die Schalter S2, S3 sind geschlossen. Dadurch sind die Spannungswandler jeweils unmittelbar mit dem Gleichrichter GR verbunden; mit anderen Worten sind die Gleichspannungswandler GW1, GW2 zueinander parallel geschaltet. Die Schalter S2, S3 sind gleichzeitig offen oder geschlossen. Der Schalter S1 ist ge öffnet, wenn die Schalter S2, S3 geschlossen sind. Der Schalter S2 ist geschlossen, wenn die Schalter S2, S3 geöffnet sind. Der Schalter S1 und die Schalter S2, S3 arbeiten somit vorzugsweise komplementär zueinander (bezogen auf ihren Schaltzustand) . Dies betrifft insbesondere den aktiven Zustand der Schaltung; in einem inaktiven Zustand der Schaltung können die Schalter S1 - S3 offen sein .

Die beiden Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfassen jeweils eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren, wobei der Gleich spannungswandler GW1 die Kondensatoren CK1 und CK2 in Rei henschaltung aufweist und der zweite Gleichspannungswandler GW2 die Reihenschaltung der Kondensatoren CK3 und CK4 aufweist. Die Reihenschaltungen sind jeweils parallel an die Versorgungs potentiale der jeweiligen Gleichspannungswandler angeschlossen.

Jeder Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst eine Schal tereinheit, die jeweils eine Reihenschaltung von zwei Schaltern aufweist. Der Verbindungspunkt zwischen diesen Schaltern ist mit der zugehörigen Primärspule verbunden. Somit ist der Verbin dungspunkt der Schaltereinheit SEI des ersten Gleichspan- nungswandlers GW1 mit der Primärspule PW1 des Transistors TI verbunden, und die Primärspule T2 des zweiten Transistors T2 ist mit dem Verbindungspunkt der Schaltereinheit SE2 des Gleich spannungswandlers GW2 verbunden. Das jeweils entgegengesetzte Ende der Primärwicklung PI, P2 ist mit dem Verbindungspunkt der Serienschaltung der entsprechenden Serienschaltung von Kon densatoren CK1 bis CK4 verbunden. Ein Ende der jeweiligen Primärwicklung PI, P2 ist somit an einem kapazitiven Span nungsteiler des betreffenden Gleichspannungswandlers GW1, GW2 verbunden. Der kapazitive Spannungsteiler wird von der Seri enschaltung der zwei Kondensatoren CK1, CK2 bzw. CK3 und CK4 gebildet. Ein Sekundär-Gleichrichter SG ist den Transistoren TI, T2 nachgeschaltet bzw. über deren Sekundärwicklungen ange schlossen .

Der Sekundär-Gleichrichter SG kann zwei Gleichrichterschal tungen aufweisen, wobei eine erste dieser Gleichrichter schaltungen mit dem ersten Transistor TI verbunden ist, und eine zweite dieser Gleichrichterschaltungen mit dem zweiten Tran sistor T2 verbunden ist. Die Gleichrichterschaltungen können jeweils als Grätz-Schaltung aufgebaut sein. Um die Ladeschaltung rückspeisefähig auszubilden, kann der Sekundär-Gleichrichter steuerbare Gleichrichterschaltungen aufweisen. An Stelle von Dioden sind hierbei steuerbare Halbleiterschalter verwendbar. Dadurch kann auch Leistung an den Bordnetzanschluss AN angelegt werden, von dem Sekundär-Gleichrichter in einen Rückspeise zustand zerhackt werden, um das zerhackte Signal über die Transistoren und die Schaltereinheiten SEI, SE2 an den

Gleichrichter GR zu übertragen, der ebenso der Rückspeisung über die Wechselspannungsschnittstelle IF in das Stromnetz SN hinein beiträgt .

Der besseren Übersicht wegen ist der Sekundär-Gleichrichter SG nur schematisch dargestellt als gestricheltes Rechteck.

Mit Punktlinien dargestellt sind zwei Verbindungen VI, V2 zwischen Phasenkontakten bzw. Phasen der Wechselspannungs schnittstelle bzw. des Eingangs des Gleichrichters GR. Die Verbindungen VI, V2 liegen vor, wenn sich die Ladeschaltung im Einphasenladezustand befindet, das heißt wenn die Wechsel- spannungsschnittsteile einphasig belegt ist. Ist der Mehr phasenzustand vorgesehen, bei dem die Schnittstelle IF mehr phasig belegt ist, dann sind die Verbindungen VI, V2 nicht vorhanden .

Zusammenfassend erlaubt die Schaltervorrichtung SV sowie die Aufteilung in zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 eine kon figurierbare Kombination der Spannungswandler. Hierbei kann der Schalter S1 als Seriellschalter angesehen werden (da die Gleichspannungswandler in Serie geschaltet sind, wenn der Schalter S1 geschlossen ist) . Die Schalter S2, S3 können als Parallelschalter angesehen werden, da dann die Gleichspan nungswandler GW1, GW2 zueinander parallel geschaltet sind, wenn die Schalter S2, S3 geschlossen sind. Die Schaltzustande des Schalters S1 einerseits und der Schalter S2, S3 sind gegengleich. Der Schalter S2 ist einem positiven Versorgungspotential zu geordnet, der Schalter S3 ist einem negativen Versorgungspo tential zugeordnet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass alle Schalter geöffnet sind, beispielsweise in einem Inak tivmodus oder in einem Fehlermodus.

Anstatt einer kapazitiven Ankopplung der Transistoren bzw. der zugehörigen Primärspulen PI, P2 sind auch andere Ankupp lungsarten oder Verbindungsarten möglich, etwa bei Schal tereinheiten, die jeweils als Vollbrücke ausgebildet sind. Die Fig. 1 zeigt jedoch Schaltereinheiten SEI, SE2, die als

Halbbrücke ausgebildet sind, wobei ebenso die Kondensatoren CK1 bis CK4 jeweils als Halbbrücken angesehen werden können

(insbesondere als kapazitive Halbbrücken) , wobei die Primär spulen PI, P2 zwischen den jeweiligen Verbindungspunkten der Schaltereinheiten SEI, SE2 und den jeweiligen kapazitiven Spannungsteilen CK1, CK2 ; CK3, CK4 angeschlossen sind.

Wie erwähnt kann der Sekundär-Gleichrichter SG passiv ausge staltet sein, insbesondere wenn die Ladeschaltung unidirektional ausgebildet ist, oder kann aktiv ausgebildet sein, wenn die Ladeschaltung bidirektional ausgestaltet ist, das heißt rückspeisefähig ist. Im letztgenannten Fall umfasst der Se kundär-Gleichrichter für jeden Transistor eine vollgesteuerte H-Brücke. Jede H-Brücke ist hierbei an einem der beiden

Transformatoren TI, TI angeschlossen.

Ein Fahrzeugbordnetz kann die Ladeschaltung (insbesondere die dargestellte Ladeschaltung) und ein daran angeschlossener Bordnetzabschnitt umfassen. Der Bordnetzabschnitt weist zu mindest einen Akkumulator auf und kann ferner mindestens eine (fahrzeugseitige) Last und/oder eine (fahrzeugseitige) elektrische Energiequelle aufweisen. Dieser Bordnetzabschnitt würde sich wie in Fig. 1 dargestellt rechts an die Ladeschaltung anschließen, und wäre beispielsweise an den Anschluss AN an geschlossen .

Claims

Ansprüche

1. Fahrzeugseitige Ladeschaltung mit

- einer Wechselspannungsschnittstelle (IF),

- einem daran angeschlossenen Gleichrichter (GR) ,

- mindestens einem ersten und einem zweiten Gleichspan nungswandler (GW1, GW2), die galvanisch trennend sind und die jeweils mindestens einen Zwischenkreiskondensator (CI, C2) und mindestens eine Schaltereinheit (SEI, SE2) auf weisen, und

- einem Bordnetzanschluss (AN) , wobei

der Gleichrichter (GR) über die Gleichspannungswandler (Wl, W2) mit dem Bordnetzanschluss (AN) verbunden sind, wobei die Ladeschaltung eine Schaltervorrichtung (SV) umfasst, die die Gleichspannungswandler (Wl, W2) untereinander schaltbar verbindet, wobei die Schaltervorrichtung (SV) in einem ersten Schaltzustand (1) die Zwischenkreiskonden satoren (CI, C2) und die Schaltereinheiten (SEI, SE2) der Gleichspannungswandler (Wl, W2) parallel miteinander verbindet und in einem zweiten Schaltzustand (2) die Zwischenkreiskondensatoren (CI, C2) und die Schal tereinheiten (SEI, SE2) seriell miteinander verbindet.

2. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Gleichspannungswandler (GW1, GW2) jeweils einen Transformator (TI, T2) aufweisen, welcher über eine Primärwicklung (PI, P2) verfügt, die an die Schaltereinheit (SEI, SE2) des betreffenden Gleichspan nungswandlers (GW1, GW2) angeschlossen ist.

3. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner einen Sekundär-Gleichrichter (SG) aufweist, der mindestens eine erste und eine zweite Gleichrichter schaltung aufweist, wobei die erste Gleichrichterschaltung mit dem ersten Gleichspannungswandler galvanisch trennend verbunden ist und die zweite Gleichrichterschaltung mit dem zweiten Gleichspannungswandler galvanisch trennend ver bunden ist, wobei die Gleichrichterschaltungen den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler (GW1, GW2) mit dem Bordnetzanschluss (AN) verbinden.

4. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltereinheiten (SEI, SE2) des ersten und des zweiten Spannungswandlers (GW1, GW2) jeweils zwei Schalter umfassen, die in Reihe geschaltet sind.

5. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter eine oder mehrere schaltbare Halbbrücken (HB1 - HB3) aufweist, der oder die direkt oder über Serieninduktivitäten mit der Wechsel spannungsschnittstelle (IF) verbunden sind.

6. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach Anspruch 5, wobei die Wechselspannungsschnittstelle (IF) einphasig ausgestaltet ist oder mehrphasig ausgestaltet ist.

7. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Wechselspannungsschnittstelle (IF) mit mehreren Phasenkontakten ausgestattet ist, wobei die Phasenkontakte in einem Einphasenzustand mittels Verbindungen (VI, V2) miteinander verbunden sind und in einem Mehrphasenzustand individuell mit einzelnen Halbbrücken (HB1- HB3) verbunden sind .

8. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Steuerung (ST) aufweist, die mit der Schaltereinheit (S1 - S3) ansteuernd verbunden ist, wobei die Steuerung (ST) in einem Einphasenzustand die Schaltereinheit (S1 - S3) ansteuert, die Gleichspan nungswandler (GW1, GW2) parallel zu verbinden und in einem Mehrphasenzustand die Schaltereinheit (S1 - S3) ansteuert, die Gleichspannungswandler (GW1, GW2) seriell zu verbinden.

9. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter eine Dioden-Halbbrücke (DH) aufweist, die mit einem Neutralleiterkontakt der Wechselspannungsschnittstelle (IF) verbunden ist.

10. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter als aktiver Gleich- richter oder als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet ist.