WO2020020981A1 - Vehicle-based charging circuit and method for transmitting electrical energy to a vehicle electrical system - Google Patents

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Abstract

A vehicle-based charging circuit (LS) is provided with a controllable polyphase rectifier (GR), which has a plurality of controllable half-bridges (B0-B2). An AC voltage side of the rectifier (GR) is connected to an AC voltage connection (IF). A DC voltage side of the rectifier (GR) is connected without a converter to a vehicle electrical system connection (A). The charging circuit has a controller (C), which is connected in an actuating manner to the controllable half-bridges (B0-B2). The controller (C) is configured to actuate a smaller number of the controllable half-bridges in a clocked manner in a precharging mode than in a main charging mode. A method for transmitting electrical energy to a vehicle electrical system is also described.

Description

Beschreibung description
Fahrzeugseitige Ladeschaltung und Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie an ein Bordnetz Vehicle-side charging circuit and method for transmitting electrical energy to an electrical system
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen üblicherweise einen Akkumulator als Energiespeicher 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. Vehicles with an electric drive usually have an accumulator as an energy store in order to feed the drive. In many vehicles, a charging socket is provided in order to transfer energy from outside into the battery, for example as part of a charging process.
Nachdem die Klemmenspannung des Akkumulators von dem Ladezustand abhängt, der sich im Laufe des Ladeprozesses ändert, umfassen Ladeschaltungen üblicherweise Gleichspannungswandler, deren variables Übersetzungsverhältnis zur Anpassung der Ladespannung an die momentane Akkumulatorspannung verwendet werden kann. Derartige Gleichspannungswandler sind jedoch mit zusätzlichen Kosten für die Ladeschaltung verknüpft. Since the terminal voltage of the battery depends on the state of charge, which changes in the course of the charging process, charging circuits usually include DC / DC converters, the variable transmission ratio of which can be used to adapt the charging voltage to the current battery voltage. However, such DC-DC converters are associated with additional costs for the charging circuit.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der Energie in ein Bordnetz und insbesondere in einen dort vorgesehenen Akkumulator auf einfache Weise bei anpassbarer variabler Ladespannung eingebracht werden kann. It is therefore the task of demonstrating a possibility with which energy can be introduced into a vehicle electrical system and in particular into an accumulator provided there in a simple manner with an adjustable variable charging voltage.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Further embodiments, features, properties and advantages result from the dependent claims, the description and the figure.
Es wird vorgeschlagen, einen steuerbaren Gleichrichter zu verwenden, der mehrere Halbbrücken aufweist, um mittels der Anzahl der aktiven Halbbrücken eine geeignete Spannung ein zustellen. Neben dem Tastverhältnis kann somit die Anzahl der aktiven Halbbrücken bzw. Phasen geändert werden, um so eine Anpassung zu erreichen. Da bei unterschiedlichen Anzahlen aktiver Halbbrücken unterschiedlich hohe Verkettungsfaktoren auftreten, ergeben sich alleine durch die unterschiedliche Anzahl von Halbbrücken unterschiedliche Spannungen. So kann bei einem ersten Ladezustand bzw. bei einer (im Vergleich zum Nominalwert) ersten Anzahl aktiver Halbbrücken eine geringere Spannung durch den Gleichspannungswandler erzielt werden, als bei einem zweiten Ladezustand bzw. einer zweiten Anzahl aktiver Halbbrücken, der bzw. die höher als der erste Ladezustand bzw. die erste Anzahl aktiver Halbbrücken ist. It is proposed to use a controllable rectifier which has a plurality of half bridges in order to set a suitable voltage using the number of active half bridges. In addition to the pulse duty factor, the number of active half bridges or phases can be changed in order to achieve an adjustment. Since chaining factors of different sizes occur with different numbers of active half bridges, different voltages result solely from the different number of half bridges. Thus, with a first state of charge or with a (in comparison to the nominal value) first number of active half bridges, a smaller number can be used Voltage can be achieved by the DC-DC converter than in the case of a second state of charge or a second number of active half bridges, which is higher than the first state of charge or the first number of active half bridges.
Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung mit einem steuerbaren mehrphasigen Gleichrichter vorgeschlagen. Der Gleichrichter weist mehrere steuerbare Halbbrücken auf. Jeder Phase ist eine (eigene) steuerbare Halbbrücke zugeordnet. Die Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung aus zwei Schaltelementen oder auf einem Schaltelement und einer Diode, wobei das Schaltelement steuerbar ist. Das Schaltelement ist insbesondere ein Halb leiterschalter, etwa ein Transistor wie ein IGBT oder ein MOSFET. Das Schaltelement kann ferner aus zwei Halbleiterschalter zusammengesetzt sein, die zueinander antiseriell sind, ins besondere wenn die Halbleiterschalter Body-Dioden aufweisen. Die Enden der Reihenschaltung sind an Gleichspannungspotentiale (etwa + und -) des Gleichrichters angeschlossen. Der Ver knüpfungspunkt, über den die beiden Elemente der Reihenschaltung verbunden sind, ist mit einem (individuellen) Phasenanschluss verbunden. Dies gilt vorzugsweise für alle Halbbrücken. Die Enden der Reihenschaltung bzw. der Reihenschaltungen sind Teil einer Gleichspannungsseite des Gleichrichters. Die Verbindungspunkte zwischen den beiden Elementen der Reihenschaltung (d.h. A vehicle-side charging circuit with a controllable multi-phase rectifier is proposed. The rectifier has several controllable half bridges. A controllable half-bridge is assigned to each phase. The half bridge comprises a series connection of two switching elements or on a switching element and a diode, the switching element being controllable. The switching element is in particular a semi-conductor switch, such as a transistor such as an IGBT or a MOSFET. The switching element can also be composed of two semiconductor switches which are antiserial to one another, in particular if the semiconductor switches have body diodes. The ends of the series connection are connected to DC potentials (approximately + and -) of the rectifier. The node, via which the two elements of the series connection are connected, is connected to an (individual) phase connection. This preferably applies to all half bridges. The ends of the series circuit or series circuits are part of a DC voltage side of the rectifier. The connection points between the two elements of the series connection (i.e.
Schaltelement - Schaltelement oder Schaltelement - Diode) sind Teil einer Wechselspannungsseite des Gleichrichters. Dies gilt auch die Verbindungspunkte von Dioden einer Dioden-Halbbrücke, falls vorhanden. Switching element - switching element or switching element - diode) are part of an alternating voltage side of the rectifier. This also applies to the connection points of diodes of a diode half-bridge, if available.
Die Wechselspannungsseite des Gleichrichters ist mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden. Die Phasenanschlüsse sind Teil des Wechselspannungsanschlusses. Die Gleichspannungsseite des Gleichrichters ist wandlerfrei mit einem Bordnetzanschluss verbunden. Zwischen dem Gleichrichter einerseits und dem Bordnetzanschluss bzw. dem daran angeschlossenen Bordnetz andererseits besteht keine Komponente, die spannungswandelnd wirken würde oder die Spannungshöhe verändern würde, wobei Filter, Verbindungselemente und Sicherungen nicht als span nungswandelnde Elemente angesehen werden. Die Verbindung zwischen Gleichrichter und Bordnetzanschluss ist somit eine direkte Verbindung. Dadurch können die Kosten für einen dem Gleichrichter nachgeschalteten Gleichspannungswandler einge spart werden. The AC voltage side of the rectifier is connected to an AC voltage connection. The phase connections are part of the AC voltage connection. The DC voltage side of the rectifier is connected to an on-board electrical system connection without a converter. There is no component between the rectifier on the one hand and the on-board electrical system connection or the connected on-board electrical system on the other hand, which would have a voltage-converting effect or would change the voltage level, filters, connecting elements and fuses not being regarded as voltage-converting elements. The connection between the rectifier and the electrical system connection is therefore one direct connection. As a result, the costs for a DC converter connected downstream of the rectifier can be saved.
Die Ladeschaltung und insbesondere der Gleichrichter verfügt über eine Steuerung. Diese ist ansteuernd mit dem Gleichrichter bzw. mit dessen steuerbaren Halbbrücken verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, den Gleichrichter zu steuern. Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Vorlademodus eine geringere Anzahl der steuerbaren Halbbrücken getaktet anzusteuern, als in einem Hauptlademodus. Es besteht somit ein Vorlademodus mit einer geringeren Anzahl aktiver Halbbrücken als im Hauptlademodus . Die Steuerung ist eingerichtet, den Hauptlademodus nach dem Vor lademodus auszuführen. Die Steuerung ist somit eingerichtet, den Verkettungsfaktor des Gleichrichters zu erhöhen durch Erhöhen der Anzahl der aktiven bzw. gesteuerten Halbbrücken. Die Steuerung kann über einen Eingang verfügen, wobei die Steuerung abhängig von dem Signal am Eingang die Anzahl der Phasen einstellt oder wahlweise (d.h. abhängig vom Signal) einen der genannten Lademodi einstellt. Das eingegebene Signal kann eine Phasen anzahl oder eine Sollspannung oder eine Istspannung wiedergeben. In den beiden letztgenannten Fällen umfasst die Steuerung einen Vergleicher, um die Spannung mit mindestens einem Vergleichswert zu vergleichen, um abhängig vom Vergleichsergebnis den Vor lademodus oder den Hauptlademodus einzustellen. The charging circuit and in particular the rectifier has a control. This is drivingly connected to the rectifier or its controllable half bridges. The controller is set up to control the rectifier. The controller is set up to control a smaller number of controllable half-bridges in a precharge mode than in a main charging mode. There is therefore a pre-charging mode with a smaller number of active half bridges than in the main charging mode. The controller is set up to execute the main charging mode after the pre-charging mode. The controller is thus set up to increase the chaining factor of the rectifier by increasing the number of active or controlled half bridges. The controller can have an input, the controller setting the number of phases depending on the signal at the input or optionally (i.e. depending on the signal) setting one of the charging modes mentioned. The input signal can represent a number of phases or a target voltage or an actual voltage. In the latter two cases, the controller comprises a comparator in order to compare the voltage with at least one comparison value in order to set the pre-charging mode or the main charging mode depending on the comparison result.
Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, in dem Haupt lademodus die steuerbaren Halbbrücken getaktet anzusteuern, vorzugsweise alle. Die Steuerung kann hierbei eingerichtet sein, die Halbbrücken gemäß einer Phasenanschnittsteuerung oder gemäß einem (vorgegebenen) Tastverhältnis, insbesondere gemäß einer Phasenanschnittsteuerung, anzusteuern. Dadurch lässt sich die effektive gleichgerichtete Spannung, d.h. die (gepulste) Ausgangsspannung des Gleichrichters einstellen, insbesondere unter Berücksichtigung der Anzahl der aktiven Halbbrücken (d.h. gemäß des Verkettungsfaktors) und/oder gemäß eines Sollspan nungswerts . The controller is preferably set up to control the controllable half-bridges in the main charging mode, preferably all. The controller can be set up to control the half bridges according to a phase control or according to a (predetermined) duty cycle, in particular according to a phase control. This allows the effective rectified voltage, i.e. set the (pulsed) output voltage of the rectifier, especially taking into account the number of active half-bridges (i.e. according to the chaining factor) and / or according to a target voltage value.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, in dem Vorlademodus nur eine steuerbare Halbbrücken getaktet anzusteuern und die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken offen anzusteuern. Ist der Gleichrichter beispielsweise mit drei steuerbaren Halbbrücken ausgestattet (oder mit drei Gruppen von steuerbaren Halbbrü¬ cken) , kann die Steuerung eingerichtet sein, im Vorlademodus nur eine der Halbbrücken (oder Gruppen von Halbbrücken) aktiv anzusteuern. Mit anderen Worten kann die Steuerung (bei einem Gleichrichter mit drei steuerbaren Halbbrücken oder Halbbrü ckengruppen) eingerichtet sein, im Vorlademodus zwei Halbbrücken (oder Halbbrückengruppen) offen anzusteuern. Beim offenen Ansteuern von Halbbrücken sind deren schaltbaren Schaltelemente in offenem Schaltzustand; die Steuerung ist eingerichtet, durch Ansteuerung diesen Schaltzustand vorzusehen. The controller can be set up to drive only one controllable half-bridge in a clocked manner in the precharge mode and to control the remaining open controllable half bridges. If the rectifier for example, equipped with three controllable half-bridges (or three groups of controllable Halbbrü ¬ CKEN), the controller may be configured to actively control only one of the half-bridges (or groups of half-bridge) in the precharge mode. In other words, the controller (in the case of a rectifier with three controllable half-bridges or half-bridge groups) can be set up to openly drive two half-bridges (or half-bridge groups) in the precharging mode. When open control of half bridges, their switchable switching elements are in the open switching state; the controller is set up to provide this switching state by actuation.
Eine aktive Ansteuerung entspricht einer getakteten Ansteuerung (insbesondere eine getakteten Ansteuerung wie vorangehend erwähnt), und umgekehrt. Bei einer aktiven bzw. getakteten Ansteuerung wird die betreffende Halbbrücke bzw. werden deren schaltbaren Schaltelemente gemäß einer Ausführungsform in jeder Phase der gleichzurichtenden Wechselspannung geschaltet (d.h. ändern ihren Schaltzustand) , insbesondere in einem Teillast¬ betriebsbereich des Gleichrichters. An active control corresponds to a clocked control (in particular a clocked control as mentioned above), and vice versa. In an active or clocked driving the half-bridge in question is or are the switchable switching elements connected according to an embodiment in each phase of the rectified AC voltage (ie change its switching state), in particular in a partial load ¬ operating range of the rectifier.
Die Steuerung kann einen Eingang aufweisen. Dieser ist vor zugsweise signaltechnisch mit dem Bordnetzanschluss verbunden. Der Eingang ist derart mit dem Bordnetzanschluss (oder mit einem Akkumulator in dem daran angeschlossenen Bordnetz) , dass am Eingang ein Signal empfangen wird, welches eine Spannung (des Bordnetzes, am Bordnetzanschluss, des Akkumulators) kenn¬ zeichnet, etwa in Form eines Spannungswerts. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, einen am Eingang anliegenden Spannungswert mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Hierzu kann die Steuerung einen Vergleicher aufweisen. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, den Vorlademodus einzustellen, wenn der Spannungswert unter dem Schwellenwert liegt, und den Hauptlademodus einzustellen, wenn der Spannungswert über dem Schwellenwert liegt. Alternativ kann der Eingang zum Empfang eines Schaltbefehls eingerichtet sein. In diesem Fall kann von einer übergeordneten Steuerung ein Schaltbefehl an den Eingang übertragen werden, der den Modus (Hauptlademodus oder Vorla demodus) angibt. Die übergeordneten Steuerung kann Teil der Ladeschaltung sein, oder kann außerhalb angeordnet sein, wobei der Eingang der Steuerung der Ladeschaltung mit der überge ordneten Steuerung (befehlsempfangend) verbunden ist . Der Befehl ist im einfachsten Fall ein binäres Signal. The controller can have an input. This is preferably connected to the electrical system connection in terms of signal technology. The input is ¬ features such the on-board power supply (or with an accumulator in the connected thereto onboard power supply), that a signal received at the input, which identify a voltage (the vehicle electrical system, on board power supply, the accumulator), for example in the form of a voltage value. The controller is preferably set up to compare a voltage value present at the input with a threshold value. For this purpose, the controller can have a comparator. The controller is preferably set up to set the precharge mode when the voltage value is below the threshold value and to set the main charging mode when the voltage value is above the threshold value. Alternatively, the input can be set up to receive a switching command. In this case, a switching command can be transmitted to the input from a higher-level controller, which specifies the mode (main charging mode or charging mode). The higher-level control can be part of the Charging circuit, or may be arranged outside, wherein the input of the controller of the charging circuit is connected to the superordinate controller (receiving the command). In the simplest case, the command is a binary signal.
Der Gleichrichter kann eine nichtsteuerbare Halbbrücke umfassen, insbesondere in Form eine Dioden-Halbbrücke . Diese weist vorzugsweise eine Reihenschaltung von zwei Dioden auf. Die Durchlassrichtungen beider Dioden sind gleich. Die Reihen schaltung ist wie die steuerbaren Halbbrücken angeschlossen. Der Wechselspannungsanschluss kann einen Neutrallleiterkontakt aufweisen, der mit der nichtsteuerbaren Halbbrücke verbunden ist, insbesondere mit einem Verbindungspunkt, über den die beiden Dioden miteinander verbunden sind. Die Dioden der nichtsteu erbaren Halbbrücke (sowie auch vorzugsweise die Diode jeder steuerbaren Halbbrücke, die eine Diode aufweist) weisen eine Sperrrichtung auf, die zum positiven Potential des Gleich richters (bzw. dessen Gleichspannungsseite) zeigt. Mit anderen Worten weisen die Dioden der nichtsteuerbaren Halbbrücke (sowie auch vorzugsweise die Diode jeder steuerbaren Halbbrücke, die eine Diode aufweist) eine Sperrrichtung auf, die zum positiven Potential des Bordnetzanschlusses zeigt. The rectifier can comprise a non-controllable half bridge, in particular in the form of a diode half bridge. This preferably has a series connection of two diodes. The forward directions of both diodes are the same. The series connection is connected like the controllable half bridges. The AC voltage connection can have a neutral conductor contact which is connected to the non-controllable half-bridge, in particular to a connection point via which the two diodes are connected to one another. The diodes of the non-controllable half-bridge (and also preferably the diode of each controllable half-bridge which has a diode) have a blocking direction which points to the positive potential of the rectifier (or its DC voltage side). In other words, the diodes of the non-controllable half-bridge (and also preferably the diode of each controllable half-bridge which has a diode) have a blocking direction which points to the positive potential of the vehicle electrical system connection.
Ferner wird ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie an ein Bordnetz beschrieben. Die Energie wird von einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle über einen fahrzeugsei tigen, steuerbaren und mehrphasigen Gleichrichter an das Bordnetz (insbesondere an einen dort befindlichen Akkumulator) übertragen. Die Energie wird insbesondere über eine La deschaltung übertragen, wie sie hier beschrieben ist. Dies trifft auch für den Gleichrichter zu. Die Energie wird von dem Gleichrichter an das Bordnetz (oder an einen Bordnetzanschluss) unter Beibehaltung der Spannungshöhe übertragen. Es findet zwischen Gleichrichter und Bordnetz bzw. Bordnetzanschluss keine Spannungswandlung statt. Die Energie wird zwischen dem Furthermore, a method for transmitting electrical energy to an electrical system is described. The energy is transmitted from a multi-phase AC voltage source via a vehicle-side, controllable and multi-phase rectifier to the vehicle electrical system (in particular to an accumulator located there). The energy is transmitted in particular via a charging circuit as described here. This also applies to the rectifier. The power is transferred from the rectifier to the vehicle electrical system (or to an electrical system connection) while maintaining the voltage level. There is no voltage conversion between the rectifier and the vehicle electrical system or the vehicle electrical system connection. The energy is between the
Gleichrichter und dem Bordnetzanschluss über eine direkte Verbindung übertragen, insbesondere über eine Verbindung, die spannungswandlerfrei (und stromrichterfrei ) ist. In einem Vorlademodus wird eine geringere Anzahl an steuerbaren Halb brücken des Gleichrichters getaktet angesteuert, als in einem Hauptlademodus. Dadurch ergibt sich im Vorlademodus eine ge ringere gleichgerichtete Spannung als im Hauptlademodus . Mit anderen Worten ist der Gleichrichter im Vorlademodus mit einem geringeren Verkettungsfaktor ausgestattet als im Hauptlade modus. Dies kann verwendet werden, um die Spannung, die an das Bordnetz angelegt wird, an den Betriebszustand einer Komponente des Bordnetzes anzupassen. Der Betriebszustand kann hierbei der Ladezustand, die Klemmenspannung oder die LeerlaufSpannung eines Akkumulators sein, der die Komponente darstellt. Rectifier and the electrical system connection via a direct connection, in particular via a connection that is free of voltage transformers (and converter-free). In a precharge mode, a smaller number of controllable half bridges of the rectifier are driven in a clocked manner than in one Main charging mode. This results in a lower rectified voltage in the pre-charging mode than in the main charging mode. In other words, the rectifier in the pre-charging mode is equipped with a lower chaining factor than in the main charging mode. This can be used to adapt the voltage that is applied to the vehicle electrical system to the operating state of a component of the vehicle electrical system. The operating state can be the state of charge, the terminal voltage or the open circuit voltage of an accumulator that represents the component.
Ln dem Hauptlademodus werden vorzugsweise alle steuerbaren Halbbrücken getaktet angesteuert. Beispielsweise sind die drei steuerbare Halbbrücken. Der Wechselspannungsanschluss bzw. die Wechselspannungsquelle ist vorzugsweise dreiphasig. Es ergibt sich ein Verkettungsfaktor von sqrt(3) . In the main charging mode, all controllable half bridges are preferably driven in a clocked manner. For example, the three controllable half bridges. The AC voltage connection or the AC voltage source is preferably three-phase. The chaining factor is sqrt (3).
Ln dem Vorlademodus wird nur eine der steuerbaren Halbbrücken getaktet angesteuert. Die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken werden mit einem offenen Schaltzustand angesteuert werden. Die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken sind im Vorlademodus nicht aktiv. Bei einem dreiphasigen Gleichrichter, d.h. bei einem Gleichrichter, der drei Halbbrücken aufweist, können bei spielsweise im Vorlademodus zwei Halbbrücken bzw . Phasen inaktiv sein, während eine Halbbrücke bzw. Phasen aktiv ist bzw. getaktet angesteuert wird. Eine getaktete Ansteuerung entspricht ins besondere einer Phasenanschnittansteuerung oder einer Puls weitenmodulation . In the precharge mode, only one of the controllable half bridges is driven in a clocked manner. The remaining controllable half bridges will be controlled with an open switching state. The remaining controllable half bridges are not active in the pre-charging mode. With a three-phase rectifier, i.e. in a rectifier that has three half bridges, two half bridges or. Phases be inactive while a half-bridge or phases are active or are driven clocked. A clocked control corresponds in particular to a phase control or a pulse width modulation.
Vorzugsweise wird die Ist-Spannung des Bordnetzes mit einem Schwellenwert verglichen. Abhängig von dem Vergleich wird der Vorlademodus oder der Hauptlademodus eingestellt (oder ger gesamte Gleichrichter deaktiviert) . Der Vorlademodus wird vorzugsweise eingestellt, wenn die Ist-Spannung unter dem Schwellenwert liegt. Der Hauptlademodus wird vorzugsweise eingestellt, wenn der Spannungswert über dem Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kennzeichnet die Spannung oder einen Ladezustand eines Akkumulators , oberhalb der der Hauptlademodus zu einer gleichgerichteten Spannung führt, die für die The actual voltage of the vehicle electrical system is preferably compared with a threshold value. Depending on the comparison, the precharge mode or the main charge mode is set (or the entire rectifier is deactivated). The precharge mode is preferably set when the actual voltage is below the threshold. The main charge mode is preferably set when the voltage value is above the threshold. The threshold value denotes the voltage or a state of charge of a rechargeable battery above which the main charging mode leads to a rectified voltage, which for the
Ist-Spannung (oder für den Ist-Ladezustand eines angeschlossenen Akkumulators) zulässig wäre und nicht zu einer Überschreitung eines Maximalladestroms des Akkumulators (allgemein: zu einer Überlastung) führen würde. Unterhalb des Schwellenwerts wäre die gleichgerichtete Spannung bei einem Hauptlademodus zu hoch für einen Ladevorgang des Akkumulators, d.h. ein Hauptlademodus bei einer Ist-Spannung unterhalb des Schwellenwerts wäre mit einer Überschreitung eines Maximalladestroms verbunden. Actual voltage (or for the actual state of charge of a connected accumulator) would be permissible and not to be exceeded of a maximum charging current of the accumulator (in general: an overload). Below the threshold value, the rectified voltage in a main charging mode would be too high for a charging process of the accumulator, ie a main charging mode with an actual voltage below the threshold value would be associated with an exceeding of a maximum charging current.
Die Ist-Spannung kann die Klemmenspannung oder die Leer laufspannung eines Akkumulators sein, der in dem Bordnetz vorgesehen ist und an den die Energie übertragen wird. Die Ist-Spannung kann ferner eine Spannung am Bordnetzanschluss sein, während der Schwellenwert einer Maximalspannung einer Komponente des Bordnetzes entspricht. The actual voltage can be the terminal voltage or the open circuit voltage of an accumulator which is provided in the vehicle electrical system and to which the energy is transmitted. The actual voltage can also be a voltage at the vehicle electrical system connection, while the threshold value corresponds to a maximum voltage of a component of the vehicle electrical system.
Die Figur 1 zeigt im Rahmen einer Übersicht eine erfindungsgemäße Ladeschaltung, die zwischen einem Bordnetz und einer Wech selstromquelle angeordnet ist und dient zur beispielhaften Erläuterung der hier beschriebenen Herangehensweise. In the context of an overview, FIG. 1 shows a charging circuit according to the invention, which is arranged between an on-board electrical system and an AC power source and serves to explain the approach described here by way of example.
In der Figur 1 ist eine Wechselspannungsquelle Q über drei Phasen LI bis L3 sowie über einen Neutralleiter N über einen optionalen Filter F mit einem Gleichrichter GR verbunden. Eine fahr zeugseitige Ladeschaltung LS umfasst den optionalen Filter sowie insbesondere den Gleichrichter GR. Eine Schnittstelle in Form des Wechselspannungsanschlusses IF dient fahrzeugseitig zur An kopplung der Wechselspannungsquelle Q, beispielsweise über einen Wechselspannungsanschluss. Dieser Wechselspannungsanschluss IF bildet die Schnittstelle, die fahrzeugseitig angeordnet ist, beispielsweise in Form einer (vorzugsweise genormten) Ladebuchse zur Übertragung von Energie an den Gleichrichter GR. Zwischen dem Wechselspannungsanschluss IF und dem Gleichrichter GR können Trennschalter vorgesehen sein, beispielsweise je ein Trenn schalter für die Phasen LI bis L3 und für den Neutralleiter N. Diese können geöffnet werden, wenn ein Fehler auftritt oder sind als Schutzmaßnahme vor und nach dem Laden (oder Rückspeisen) geöffnet . In FIG. 1, an AC voltage source Q is connected to a rectifier GR via three phases LI to L3 and via a neutral conductor N via an optional filter F. A vehicle-side charging circuit LS includes the optional filter and in particular the rectifier GR. An interface in the form of the AC voltage connection IF serves on the vehicle side to connect the AC voltage source Q, for example via an AC voltage connection. This AC voltage connection IF forms the interface which is arranged on the vehicle side, for example in the form of a (preferably standardized) charging socket for transmitting energy to the rectifier GR. Disconnectors can be provided between the AC voltage connection IF and the rectifier GR, for example one disconnector each for the phases LI to L3 and for the neutral conductor N. These can be opened if an error occurs or are a protective measure before and after charging (or Feedback) open.
Der Gleichrichter GR umfasst drei steuerbare Halbbrücken B0 bis B2 sowie eine Dioden-Halbbrücke DH. Die Halbbrücken B0 bis B2 umfassen jeweils eine Serienschaltung von zwei schaltbaren Transistoren. Dies sind im Falle der steuerbaren Halbbrücke BO die beiden Schaltelemente 01 und 02, im Falle der steuerbaren Halbbrücke Bl die Schaltelemente 11 und 12 sowie im Falle der steuerbaren Halbbrücke B2 die Schaltelemente 21 und 22. In jeder Halbbrücke sind die beiden genannten Schaltelemente über einen Zwischenpunkt miteinander verbunden. Bei der Dioden-Halbbrücke DH sind die zwei Dioden Dl, D2 über einen Zwischenpunkt verbunden. Diese Verbindungspunkte sind ferner (etwa über den optionalen Filter) mit dem Wechselspannungsanschluss IF verbunden. Die Verbindungspunkte der jeweiligen beiden Schaltelemente der Halbbrücken B0 bis B2 sind jeweils mit einer Phase LI bis L3 der Wechselspannungsschnittstelle IF verbunden. Die Dio The rectifier GR comprises three controllable half bridges B0 to B2 and a diode half bridge DH. The half bridges B0 to B2 each comprise a series connection of two switchable ones Transistors. These are the two switching elements 01 and 02 in the case of the controllable half-bridge BO, the switching elements 11 and 12 in the case of the controllable half-bridge B1 and the switching elements 21 and 22 in the case of the controllable half-bridge B2. In each half-bridge the two switching elements mentioned are at an intermediate point connected with each other. In the diode half-bridge DH, the two diodes D1, D2 are connected via an intermediate point. These connection points are also connected (for example via the optional filter) to the AC voltage connection IF. The connection points of the respective two switching elements of the half bridges B0 to B2 are each connected to a phase LI to L3 of the AC voltage interface IF. The Dio
den-Halbbrücke DH umfasst wie erwähnt zwei Dioden Dl, D2, die ebenfalls in Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Der sich ergebende Verbindungspunkt ist mit dem Neutralleiter N verbunden . As mentioned, the half-bridge DH comprises two diodes D1, D2, which are likewise connected to one another in series. The resulting connection point is connected to the neutral conductor N.
Die Halbbrücken B0 bis B2 sowie die Dioden-Halbbrücke DH weisen jeweils zwei Enden auf, wobei ein Ende mit einer positiven Spannungsschiene und das andere Ende mit einer negativen Spannungsschiene des Gleichrichters verbunden sind. Die Spannungsschienen bzw. die zugehörigen Potentiale bilden die Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR. Die Spannungs schienen erstrecken sich bis zu einem Bordnetzanschluss A. The half bridges B0 to B2 and the diode half bridge DH each have two ends, one end being connected to a positive voltage rail and the other end to a negative voltage rail of the rectifier. The voltage rails or the associated potentials form the DC voltage side of the rectifier GR. The voltage rails extend to an electrical system connection A.
Die Ladeschaltung LS umfasst ferner einen bereits erwähnten Gleichspannungsanschluss A, der Anschlüsse für die beiden genannten Gleichspannungspotentiale umfasst. Hierin kann ein Energiespeicher ES angebunden sein. Dieser steht beispielhaft für eine Komponente oder mehrere Komponenten des Bordnetzes HB, wobei das Bordnetz HB mit dem Anschluss A verbunden ist. Das Bordnetz HB ist insbesondere ein Hochvoltbordnetzbordnetz, mit einer Nennspannung von beispielsweise mindestens 60 V, 100 V, 400 V oder 800 V. The charging circuit LS further comprises an already mentioned DC voltage connection A, which comprises connections for the two mentioned DC voltage potentials. An energy store ES can be connected to this. This stands for an example of one or more components of the on-board electrical system HB, the on-board electrical system HB being connected to the connection A. The on-board electrical system HB is in particular a high-voltage on-board electrical system with a nominal voltage of, for example, at least 60 V, 100 V, 400 V or 800 V.
Die Halbbrücken B0 bis B2, welche steuerbar sind, werden von einer Steuerung C angesteuert, die symbolhaft dargestellt ist. Hierzu umfasst jedes Schaltelement 01 bis 22 der Halbbrücken B0 bis B2 einen (mit der Steuerung verbundenen) Steuereingang, bei spielsweise ein Gate. Die Schaltelemente können als MOSFET oder als IGBT ausgebildet sein, oder auch als jedes andere steuerbare Halbleiterelement. Die Steuerung C ist eine Schaltung, bei spielsweise eine programmierbare Schaltung mit Prozessor oder festverdrahtete Logikschaltung. The half bridges B0 to B2, which are controllable, are controlled by a controller C, which is shown symbolically. For this purpose, each switching element 01 to 22 of the half bridges B0 to B2 comprises a control input (connected to the control), for example a gate. The switching elements can be used as a MOSFET or be designed as an IGBT, or as any other controllable semiconductor element. The controller C is a circuit, for example a programmable circuit with a processor or hard-wired logic circuit.
Die Steuerung C ist eingerichtet, in einem Vorlademodus nur eine Halbbrücke der Halbbrücken B0 bis B2 aktiv anzusteuern. Bei spielsweise wird hierbei nur die Halbbrücke B0 angesteuert. Die Halbbrücken Bl und B2 werden nicht getaktet angesteuert. Im Vorlademodus steuert die Steuerung C die Halbbrücke B0 mit einem getakteten Signal an, um so eine gepulste Gleichspannung an dem Bordnetzanschluss A zu erzeugen. Die im Vorlademodus nicht aktiven Halbbrücken, hier die Halbbrücken Bl und B2, werden offen angesteuert. Insbesondere tragen die nicht angesteuerten Halbbrücken Bl und B2 nicht zur Erzeugung der getakteten Gleichspannung am Bordnetzanschluss Abei. Da nur eine Halbbrücke von mehreren, d. h. eine geringere Anzahl als die größtmögliche Anzahl aller Halbbrücken, aktiv ist, ergibt sich auch ein geringerer Verkettungsfaktor im Vergleich zu einer Aktivierung aller Halbbrücken. Im Vorlademodus ergibt sich somit eine verringerte Gleichspannung am Bordnetzanschluss A, da der Verkettungsfaktor geringer ist als in einem Hauptlademodus. The controller C is set up to actively control only one half bridge of the half bridges B0 to B2 in a precharge mode. For example, only the half bridge B0 is driven. The half bridges Bl and B2 are not driven in a clocked manner. In the precharge mode, the controller C controls the half-bridge B0 with a clocked signal so as to generate a pulsed DC voltage at the on-board power supply connection A. The half bridges that are not active in the precharge mode, here the half bridges B1 and B2, are controlled openly. In particular, the half-bridges B1 and B2 which are not driven do not contribute to the generation of the clocked DC voltage at the on-board electrical system connection Abei. Since only one half-bridge of several, i.e. H. a smaller number than the largest possible number of all half bridges is active, there is also a lower chaining factor compared to an activation of all half bridges. In the precharging mode, this results in a reduced DC voltage at the on-board power supply connection A, since the chaining factor is lower than in a main charging mode.
In einem Hauptlademodus werden mehr Halbbrücken als im Vor lademodus aktiv angesteuert. Im Hauptlademodus tragen mehr gesteuerte Halbbrücken B0 bis B2 zur Erzeugung einer gepulsten Gleichspannung am Bordnetzanschluss A bei. Es ergibt sich somit im Hauptlademodus ein höherer Verkettungsfaktor als im Vor lademodus und konsequenterweise auch eine höhere gepulste (effektive) Spannung am Bordnetzanschluss A. Der Betrachtung der gepulsten Spannung am Bordnetzanschluss A entspricht auch der Betrachtung einer geglätteten Spannung, falls am Bordnetzan schluss A ein Glättungskondensator vorgesehen ist, oder ent spricht der Betrachtung der effektiven Spannung am. Wird als Spannung die geglättete Spannung betrachtet, ergibt sich unter Last eine höhere (effektive) Spannung, je höher die Anzahl der angesteuerten Halbbrücken ist. In a main charging mode, more half bridges are actively controlled than in the pre-charging mode. In the main charging mode, more controlled half-bridges B0 to B2 contribute to the generation of a pulsed DC voltage at the vehicle electrical system connection A. This results in a higher chaining factor in the main charging mode than in the pre-charging mode and consequently also a higher pulsed (effective) voltage at the vehicle electrical system connection A. The consideration of the pulsed voltage at the vehicle electrical system connection A also corresponds to the consideration of a smoothed voltage, if a smoothing capacitor is connected to the vehicle electrical system connection A. is provided, or corresponds to the consideration of the effective voltage. If the smoothed voltage is considered as voltage, the higher (effective) voltage results under load, the higher the number of controlled half-bridges.
Im vorliegenden Beispiel können im Hauptlademodus alle Halb brücken B0 bis B2 von der Steuerung C getaktet angesteuert werden. Dadurch werden alle drei Phasen LI bis L3 genutzt. Wenn im Vorlademodus nur die Brücke BO verwendet wird (und die Brücken Bl und B2 nicht aktiv sind), dann wird nur die Phase LI genutzt. Es ergibt sich unmittelbar, dass dadurch am Bordnetzanschluss A weniger Leistung und unter Belastung auch eine geringere Spannung bereitsteht. Aufgrund des Phasenversatzes zwischen den Phasen LI bis L3 (Erläuterung: LI - L3 sind Drehstromanschlüsse) ergibt sich auch eine höhere effektive Spannung am Bordnetzanschluss A, wenn alle Halbbrücken B0 bis B2 verwendet werden, im Vergleich zu einer Nutzung von einer geringeren Anzahl von Halbbrücken. Der dargestellte Gleichrichter GR ist dreiphasig ausgestaltet und umfasst eine Dioden-Halbbrücke DH für den Neutralleiter. Die Steuerung C gibt an, ob der Gleichrichter GR einphasig oder dreiphasig angesteuert wird (oder auch zweiphasig) . Die Steuerung C definiert somit die Anzahl der aktiven Phasen und damit auch direkt den Verkettungsfaktor des Gleichrichters, wodurch sich die (von der Anzahl der abhängigen Phasen abhängige) gepulste Spannung bzw. die Gleichspannung am Bordnetzanschluss A ergibt. In the present example, all half bridges B0 to B2 can be controlled by the control C in the main charging mode. As a result, all three phases LI to L3 are used. If only the BO bridge is used in the precharge mode (and the Bridges B1 and B2 are not active), then only the LI phase is used. It immediately follows that less power is available at the on-board electrical system connection A and a lower voltage is also available under load. Due to the phase offset between the phases LI to L3 (Explanation: LI - L3 are three-phase connections), there is also a higher effective voltage at the on-board power supply connection A if all half bridges B0 to B2 are used, compared to using a smaller number of half bridges. The rectifier GR shown is configured in three phases and comprises a diode half bridge DH for the neutral conductor. The controller C specifies whether the rectifier GR is controlled single-phase or three-phase (or also two-phase). The controller C thus defines the number of active phases and thus also directly the chaining factor of the rectifier, which results in the pulsed voltage (depending on the number of dependent phases) or the DC voltage at the on-board power supply connection A.
Dadurch kann die Gleichspannung am Bordnetzanschluss A ein gestellt werden. Hierzu kann die Steuerung C einen Eingang E aufweisen, an dem entweder direkt die Anzahl der Phasen ein gegeben wird oder ein Befehl, der die Anzahl der anzusteuernden Halbbrücken wiedergibt. This allows the DC voltage to be set at the on-board power supply connection A. For this purpose, the control C can have an input E, at which either the number of phases is entered directly or a command that reproduces the number of half-bridges to be controlled.
Alternativ kann am Eingang E ein Spannungswertsignal abgegeben werden, dass der Spannung am Energiespeicher ES bzw. am Alternatively, a voltage value signal can be emitted at the input E that the voltage at the energy store ES or at
Bordnetzanschluss A angibt. Die Steuerung C kann hierbei einen Vergleicher umfassen, der diesen Spannungswert mit einem Schwellenwert vergleicht und abhängig vom Vergleich die Anzahl der Phasen bestimmt. Liegt beispielsweise der Spannungswert über den Schwellenwert, wird eine höhere Anzahl von Phasen angesteuert als im anderen Fall. Beispielsweise kann, wenn der Schwellenwert überschritten ist, die Steuerung alle steuerbaren Halbbrücken B0 bis B2 ansteuern, und falls der Spannungswert darunter liegt, nur eine der steuerbaren Halbbrücken, beispielsweise die Halbbrücke B0. Der Schwellenwert kann gemäß einer steigenden Funktion von einem Alterungswert abhängen, der die Alterung wiedergibt und/oder kann von der Temperatur des Energiespeichers ES ab- hängen. Der Alterungswert ist umso größer, je größer die Alterung des Energiespeichers ES ist, etwa ein Komplement oder der Kehrwert des SOH-Werts (SOH - state of health - Allgemeinzustand des Energiespeichers ES) . Das Spannungswertsignal am Eingang E kann ein digitales Signal sein, beispielsweise das Signal einer Spannungserfassungseinrichtung, die die analoge Spannung am Bordnetzanschluss A bzw. am Energiespeicher ES misst und in einen digitalen Wert übermittelt. Hierzu kann ein Ana- log-Digital-Wandler verwendet werden. Vorzugsweise ist der Eingang E signaltechnisch mit dem Anschluss A verbunden, um einen Wert zu erhalten, der dessen Spannung wiedergibt, ist jedoch galvanisch vorzugsweise getrennt, um so die Steuerung poten tialgetrennt von dem Bordnetz HB vorzusehen. Der Energiespeicher ES ist vorzugsweise als Akkumulator ausgebildet. Electrical system connection A indicates. The controller C can include a comparator that compares this voltage value with a threshold value and determines the number of phases depending on the comparison. If, for example, the voltage value is above the threshold value, a higher number of phases is activated than in the other case. For example, if the threshold value is exceeded, the controller can control all controllable half bridges B0 to B2 and, if the voltage value is below it, only one of the controllable half bridges, for example half bridge B0. According to an increasing function, the threshold value can depend on an aging value which reflects the aging and / or can depend on the temperature of the energy store ES. hang. The greater the aging of the energy storage ES, the greater the aging value, for example a complement or the reciprocal of the SOH value (SOH - state of health - general state of the energy storage ES). The voltage value signal at input E can be a digital signal, for example the signal of a voltage detection device which measures the analog voltage at the vehicle electrical system connection A or at the energy store ES and transmits it in a digital value. An analog-digital converter can be used for this. Preferably, the input E is connected to the connection A in terms of signaling in order to obtain a value which reflects its voltage, but is preferably electrically isolated, in order to provide the control with potential isolation from the vehicle electrical system HB. The energy store ES is preferably designed as an accumulator.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Fahrzeugseitige Ladeschaltung (LS) mit einem steuerbaren mehrphasigen Gleichrichter (GR) , der mehrere steuerbaren Halbbrücken (BO - B2) aufweist, wobei eine Wechselspan nungsseite des Gleichrichters (GR) mit einem Wechsel spannungsanschluss (IF) verbunden ist und eine Gleich spannungsseite des Gleichrichters (GR) wandlerfrei mit einem Bordnetzanschluss (A) verbunden ist, wobei die Ladeschaltung über eine Steuerung (C) verfügt, die an steuernd mit den steuerbaren Halbbrücken (B0 - B2) verbunden ist, wobei die Steuerung (C) eingerichtet ist, in einem Vorlademodus eine geringere Anzahl der steuerbaren Halbbrücken getaktet anzusteuern, als in einem Haupt lademodus . 1. Vehicle-side charging circuit (LS) with a controllable multi-phase rectifier (GR), which has several controllable half-bridges (BO - B2), with an AC voltage side of the rectifier (GR) being connected to an AC voltage connection (IF) and a DC voltage side of the Rectifier (GR) is connected without a converter to an on-board power supply connection (A), the charging circuit having a controller (C) which is connected to the controllable half bridges (B0-B2) in a controlling manner, the controller (C) being set up in to control a smaller number of controllable half-bridges in a precharge mode than in a main charging mode.
2. Fahrzeugseitige Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (C) eingerichtet ist, in dem Hauptlademodus alle steuerbaren Halbbrücken getaktet anzusteuern. 2. Vehicle-side charging circuit (LS) according to claim 1, wherein the controller (C) is set up to drive all controllable half-bridges in a clocked manner in the main charging mode.
3. Fahrzeugseitige Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung (C) eingerichtet ist, in dem Vorla demodus nur eine steuerbare Halbbrücken getaktet anzu steuern und die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken offen anzusteuern . 3. Vehicle-side charging circuit (LS) according to claim 1 or 2, wherein the controller (C) is set up to control only one controllable half-bridge clocked in the Vorla demodus and to openly control the remaining controllable half-bridges.
4. Fahrzeugseitige Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung (C) einen Eingang (E) aufweist, der signaltechnisch mit dem Bordnetzanschluss verbunden ist, wobei die Steuerung eingerichtet ist, einen am Eingang (E) anliegenden Spannungswert mit einem Schwellenwert zu vergleichen, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den Vorlademodus einzustellen, wenn der Spannungswert unter dem Schwellenwert liegt, und den Hauptlademodus einzustellen, wenn der Spannungswert über dem Schwellenwert liegt. 4. Vehicle-side charging circuit (LS) according to claim 1 or 2, wherein the controller (C) has an input (E), which is connected to the electrical system connection for signaling purposes, the controller being set up to apply a voltage value to the input (E) with a Compare threshold, wherein the controller is configured to set the precharge mode when the voltage value is below the threshold value and to set the main charge mode when the voltage value is above the threshold value.
5. Fahrzeugseitige Ladeschaltung (LS) nach einem der vo rangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter eine nichtsteuerbare Halbbrücke umfasst, die eine Reihen schaltung von zwei Dioden aufweist. 5. Vehicle-side charging circuit (LS) according to one of the preceding claims, wherein the rectifier comprises a non-controllable half-bridge which has a series circuit of two diodes.
6. Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie an ein Bordnetz, wobei die Energie von einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle (Q) über einen fahrzeugseitigen, steuerbaren und mehrphasigen Gleichrichter (GR) an das Bordnetz (HB) übertragen wird, wobei die Energie von dem Gleichrichter an das Bordnetz unter Beibehaltung der Spannungshöhe übertragen wird, wobei ferner in einem Vorlademodus eine geringere Anzahl an steuerbaren Halb brücken des Gleichrichters getaktet anzusteuern, als in einem Hauptlademodus . 6. A method for transmitting electrical energy to an electrical system, the energy being transmitted from a multi-phase AC voltage source (Q) via a vehicle-side, controllable and multi-phase rectifier (GR) to the electrical system (HB), the energy being transferred from the rectifier to the On-board electrical system is transmitted while maintaining the voltage level, with a smaller number of controllable half bridges of the rectifier being controlled in a precharge mode than in a main charging mode.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in dem Hauptlademodus alle steuerbaren Halbbrücken (B0 - B2) getaktet angesteuert werden . 7. The method according to claim 6, wherein in the main loading mode, all controllable half-bridges (B0-B2) are driven clocked.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei in dem Vorlademodus nur eine der steuerbaren Halbbrücken (B0 - B2) getaktet angesteuert wird und die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken mit einem offen angesteuert werden. 8. The method according to claim 6 or 7, wherein in the precharge mode only one of the controllable half-bridges (B0-B2) is driven clocked and the remaining controllable half-bridges are driven with an open one.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Ist-Spannung des Bordnetzes mit einem Schwellenwert verglichen wird und wobei der Vorlademodus eingestellt wird, wenn die 9. The method of claim 6, 7 or 8, wherein the actual voltage of the electrical system is compared to a threshold value and wherein the precharge mode is set when the
Ist-Spannung unter dem Schwellenwert liegt, und der Hauptlademodus eingestellt wird, wenn der Spannungswert über dem Schwellenwert liegt.  Actual voltage is below the threshold, and the main charging mode is set when the voltage is above the threshold.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ist-Spannung die Klemmenspannung oder die LeerlaufSpannung eines Akkumu lators (ES) ist, der in dem Bordnetz (HB) vorgesehen ist und an den die Energie übertragen wird. 10. The method according to claim 9, wherein the actual voltage is the terminal voltage or the open circuit voltage of an accumulator (ES) which is provided in the vehicle electrical system (HB) and to which the energy is transmitted.
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