WO2020064429A1

WO2020064429A1 - Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen energiespeicher

Info

Publication number: WO2020064429A1
Application number: PCT/EP2019/074846
Authority: WO
Inventors: Franz Pfeilschifter; Martin GÖTZENBERGER; Manuel Brunner
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN112703654A; DE102018216233A1; KR102586729B1; US11760218B2; US20210347271A1; KR20210062671A

Abstract

Eine Ladeschaltung (LS) für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (ES) weist auf: einen Wechselstromanschluss (WA), mindestens zwei Glättungskondensatoren (C1, C2), eine Konfigurationsvorrichtung (KV) und einen Gleichrichter (GR). Über den Gleichrichter ist der Wechselstromanschluss (WA) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung (KV) verbindet den Gleichrichter (GR) mit den Glättungskondensatoren (C1, C2) Die Konfigurationsvorrichtung (KV) ist eingerichtet, die Glättungskondensatoren (C1, C2) wahlweise in paralleler oder serieller Konfiguration miteinander zu verbinden. Der Wechselstromanschluss weist einen Neutralleiteranschluss (N) auf, der über eine Diodenschaltung (DE) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist. Die Konfigurationsvorrichtung (KV) weist mindestens einen ersten Schalter (S1, S3) auf, der derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen ist, dass dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (C1, C2) parallel miteinander verbindet. Die Konfigurationsvorrichtung (KV) weist eine Diode (DS) auf, die derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen sind, dass diese in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (C1, C2) seriell miteinander verbindet.

Description

Beschreibung

Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, das heißt rein elektrisch fahrende Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, weisen einen elektrischen Energiespeicher auf,

insbesondere in Form eines Akkumulators. Um diesen mit externen Mitteln laden zu können, gibt es derartige Fahrzeuge, die über einen Wechselstromanschluss verfügen. Dieser Wechselstromanschluss ist dafür vorgesehen, Energie von einem Wechselstromnetz, etwa einem öffentlichen Versorgungsnetz, zum Laden des Fahrzeugs zu verwenden. Derartige Fahrzeuge werden auch als

„Plug-In-Fahrzeuge“ bezeichnet.

Zum einen muss aus technischen Gründen der Energiespeicher mit

Gleichspannung geladen werden, sodass eine Gleichrichtung erforderlich ist, und zum anderen können Anpassungen erforderlich sein zwischen der Betriebs- oder Nennspannung des Energiespeichers einerseits und der Höhe der

Wechselspannung bzw. der aus dieser erzeugten gleichgerichteten Spannung andererseits. Zudem ist es wünschenswert, dass der Energiespeicher des

Fahrzeugs gleichermaßen mit einphasiger oder mehrphasiger Wechselspannung geladen werden kann, um die durch den höheren Verkettungsfaktor von Drehstrom ermöglichte, geringere Ladezeit realisieren zu können.

Neben diesen Anforderungen sind die Kosten für Halbleiter und andere

Bauelemente zu berücksichtigen, die sowohl hinsichtlich der Stromtragfähigkeit als auch der Spannungsfestigkeit für entsprechende Ladeschaltungen geeignet sind. Es besteht insbesondere im Hinblick auf diese Kosten die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein Energiespeicher eines Fahrzeugs geladen werden kann unter Verwendung von kostengünstigen Bauteilen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ladeschaltung in Anspruch 1 . Weitere

Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.

Die hier beschriebene Ladeschaltung umfasst zwei Glättungskondensatoren, die mittels einer Konfigurationsvorrichtung wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden können. Ein Gleichrichter ist an dem Wechselstromanschluss angeschlossen und verbindet so (gleichrichtend) den Wechselstromanschluss mit den Glättungskondensatoren. Der Wechselstromanschluss und somit auch der Gleichrichter kann mit unterschiedlichen Anzahlen an (verschiedenen) Phasen betrieben werden, beispielsweise einphasig oder dreiphasig. Es geben sich somit unterschiedliche Verkettungsfaktoren (die in bekannterweise direkt von der Phasenanzahl, d.h. der Anzahl genutzter, zueinander phasenversetzter Ströme, abhängen). Folglich ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Verkettungsfaktoren auch unterschiedliche Spannungshöhen an den Glättungskondensatoren, wenn der Gleichrichter bzw. der Wechselstromanschluss mit verschiedenen Anzahlen an Phasen betrieben werden.

Durch die wahlweise parallele oder serielle Konfiguration der

Glättungskondensatoren ist es möglich, die Glättungskondensatoren kostengünstig (nämlich mit relativ geringer Nennspannung) auszulegen und dennoch abhängig von der zu glättenden Spannung bzw. dem Betrieb des Gleichrichters einzustellen und somit zu optimieren. Bei einphasiger Spannung, das heißt bei einphasigem Betrieb (entsprechend einer geringen gleichgerichteten Spannung), wird

vorzugsweise eine parallele Konfiguration vorgesehen, um so eine hohe Kapazität zu erreichen, während bei einem mehrphasigen Betrieb (des

Wechselstromanschlusses bzw. des Gleichrichters) und somit einer im Vergleich zum einphasigen Betrieb erhöhten (gleichgerichtete) Spannung die serielle

Konfiguration verwendet wird, sodass jeder Kondensator nur mit einem Teil der gesamten Spannung zur Glättung beaufschlagt wird.

Um den Neutralleiter des Wechselstromanschlusses zu jeder Konfiguration passend anzuschließen, ist eine Diodenschaltung vorgesehen. Über diese ist der Neutralleiteranschluss des Wechselstromanschlusses mit der

Konfigurationsvorrichtung verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung selbst verbindet den Gleichrichter mit den Glättungskondensatoren und ist somit mit den Glättungskondensatoren verbunden. Im mehrphasigen Betrieb erlaubt die

Diodenschaltung die Ableitung von asymmetrischen Komponenten der Phasen des Wechselstromanschlusses und dient somit zur Filterung. Im mehrphasigen Betrieb bzw. in serieller Konfiguration dient die Diodenschaltung somit zur Ableitung von unerwünschten Komponenten.

Im asymmetrischen Betrieb, das heißt beispielsweise bei einphasigem Betrieb, dient die Diodenschaltung zur Anbindung des Neutralleiters als Ableiter bzw. als Rückleiter. Während eine, mehrere oder alle Phasenanschlüsse des

Wechselstromanschlusses mit einer Phase bzw. mit derselben Phase des Wechselstromsystems beaufschlagt sind, bildet der N-Leiter den Rückleiter, wie bei üblichen einphasigen Verbrauchern eines 230 Volt-Wechselstromnetzes. Die Dioden der Diodenschaltung erlauben dadurch eine Verbindung mit den (parallel) geschalteten Glättungskondensatoren, um diesen Rückleitungspfad (oder

Hinleitungspfad) zu vervollständigen. Die Diodenschaltung weist mindestens eine Diode auf, die zwischen den Neutralleiteranschluss und der

Konfigurationsvorrichtung vorgesehen ist. Insbesondere weist die Diodenschaltung hierzu mindestens eine in Reihe geschaltete Diode auf (wobei die Reihenschaltung sich auf die Verschaltung relativ zu dem Neutralleiteranschluss bezieht). Die Diodenschaltung kann mehrere Dioden aufweisen, die ausgehend vom

Neutralleiteranschluss zu der Konfigurationsvorrichtung hin seriell geschaltet sind. Hierbei sind vorzugsweise mindestens zwei Dioden, bezogen auf den

Neutralleiteranschluss, in entgegengesetzter Richtung zwischen

Neutralleiteranschluss und Konfigurationsvorrichtung (seriell) geschaltet.

Die vorangehend erwähnte Anbindung des Neutralleiteranschlusses über die Diodenschaltung ermöglich die Aufteilung der Glättungskondensatoren,

insbesondere um auch bei hohen Spannungen mit Kondensatoren arbeiten zu können, deren Maximalspannung niedriger ist als die maximale gleichgerichtete Spannung. Durch Aufteilen in serieller Schaltung ergeben sich für die einzelnen Glättungskondensatoren nur ein Anteil der gleichgerichteten Spannung. Die Glättungskondensatoren können dadurch für eine geringere Nennspannung oder Maximalspannung ausgelegt werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Die Diodenschaltung ermöglicht eine schalterfreie Anbindung des

Neutralleiteranschlusses. Die Anbindung dient bei mehrphasiger Nutzung des Wechselstromanschlusses bzw. des Gleichrichters zur Ableitung von

asymmetrischen Komponenten, während bei einem einphasigen Betrieb (des Wechselstromanschlusses bzw. des Gleichrichters) die Diodenschaltung eine Verbindung zwischen Konfigurationsvorrichtung (und somit letztendlich einem Energiespeicheranschluss) und dem einzelnen Phasenpotential dient.

Es wird daher eine Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen

Energiespeicher beschrieben, wobei die Ladeschaltung einen

Wechselstromanschluss, mindestens zwei Glättungskondensatoren, eine

Konfigurationsvorrichtung und einen Gleichrichter aufweist. Der

Wechselstromanschluss ist über den Gleichrichter mit der

Konfigurationsvorrichtung verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung verbindet den Gleichrichter mit den Glättungskondensatoren. Mit anderen Worten ist zwischen dem Gleichrichter und den Glättungskondensatoren die Konfigurationsvorrichtung vorgesehen. Über die Konfigurationsvorrichtung ist der Gleichrichter somit mit den Glättungskondensatoren verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung ist eingerichtet, die Glättungskondensatoren wahlweise in paralleler oder in serieller Konfiguration miteinander zu verbinden. Die Glättungskondensatoren sind somit an der

Konfigurationsvorrichtung derart angeschlossen, dass in einem ersten

Schaltungszustand die Glättungskondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, und in einem zweiten Zustand (entsprechend der seriellen Konfiguration) zueinander in Serie geschaltet sind.

Der Wechselstromanschluss weist einen Neutralleiteranschluss auf. Dieser ist über eine Diodenschaltung mit der Konfigurationsvorrichtung verbunden. Der

Neutralleiteranschluss ist somit über die Diodenschaltung mit den

Glättungskondensatoren verbunden. Zwischen dem Neutralleiteranschluss und den Glättungskondensatoren ist die Konfigurationsvorrichtung vorgesehen.

Die Diodenschaltung weist vorzugsweise mehrere Dioden auf. Diese sind mit unterschiedlichen Verbindungspunkten der Konfigurationsvorrichtung (etwa von Schaltern untereinander) verbunden. Eine, mehrere oder alle Dioden der

Diodenschaltung ist oder sind mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Diese mindestens eine Diode ist in Serie zwischen dem Neutralleiteranschluss und der Konfigurationsvorrichtung, insbesondere von Verbindungspunkten innerhalb der Konfigurationsvorrichtung, angeschlossen. Die Dioden der Diodenschaltung können auch als Neutralleiterdioden bezeichnet werden, da an diese der

Neutralleiter angeschlossen wird bzw. da diese Dioden (insbesondere deren Verbindungspunkt) mit dem Neutralleiteranschluss verbunden sind. Die

Diodenschaltung kann als Halbbrücke vorgesehen sein. Am Verbindungspunkt innerhalb der Halbbrücke ist der Neutralleiteranschluss (d.h. der Neutralleiter) angeschlossen oder anschließbar.

Vorzugsweise ist die Diodenschaltung als Gleichrichterschaltung ausgebildet. Die Diodenschaltung kann hierbei eine Dioden-Brückenschaltung aufweisen, etwa in Form einer Halbbrücke, die einen Zwischenpunkt aufweisen kann, an dem der Neutralleiter angeschlossen ist. Die Gleichrichterschaltung, die von der

Diodenschaltung gebildet wird, kann eine Wechselstromseite aufweisen, etwa in Form des Verbindungspunkt. Diese Wechselstromseite ist mit dem

Neutralleiteranschluss verbunden. Die von der Diodenschaltung ausgebildete Gleichrichterschaltung kann eine Gleichstromseite aufweisen, die mit der Konfigurationsvorrichtung (und somit auch mit den Kondensatoren) verbunden ist. Die Gleichrichterschaltung ist insbesondere eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung.

Die Diodenschaltung kann mindestens zwei Dioden aufweisen. Die

unterschiedlichen Dioden sind vorzugsweise mit verschiedenen

Glättungskondensatoren verbunden. Die verschiedenen Dioden sind bezogen auf den Neutralleiteranschluss in unterschiedlichen Richtungen (bezogen auf die Durchlassrichtung oder die Sperrrichtung) angeschlossen. Eine erste Diode der zwei Dioden kann den Neutralleiteranschluss mit einem ersten der

Glättungskondensatoren verbinden. Eine zweite Diode der mindestens zwei Dioden kann den Neutralleiteranschluss mit einem zweiten der Glättungskondensatoren verbinden. Vom Neutralleiteranschluss aus gesehen sind die Durchlassrichtungen der zwei Dioden entgegengesetzt zueinander. Dadurch werden beide Halbwellen von den Dioden geleitet, wobei die unterschiedlichen Dioden Halbwellen

unterschiedlicher Polarität (an die Kondensatoren) leiten. Die Verbindung zwischen den Glättungskondensatoren und den Dioden ergibt eine Reihenschaltung der jeweiligen Diode mit dem Glättungskondensator. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Darstellung der Diodenschaltung, die gleichermaßen für ein- und für mehrphasiges Laden ausgebildet ist.

Die Konfigurationsvorrichtung weist mindestens einen ersten Schalter auf. Dieser verbindet im geschlossenen Zustand die Glättungskondensatoren parallel miteinander. Der mindestens eine erste Schalter stellt daher die Parallelverbindung zwischen den Glättungskondensatoren her. Die Konfigurationsvorrichtung kann eine oder mehrere Dioden (oder allgemein eine Diodenschaltung) aufweisen, die die Glättungskondensatoren (in geschlossenem Zustand seriell miteinander verbindet). In Durchflussrichtung verbindet somit die Diode die

Glättungskondensatoren seriell miteinander.

Vorzugsweise weist die Konfigurationsvorrichtung zwei erste Schalter und eine erste Diode auf. Die zwei ersten Schalter können auch als Parallelschaltelemente bezeichnet werden, da diese in geschlossenem Zustand die

Glättungskondensatoren miteinander in einer Parallelschaltung verbindet. Die Konfigurationsvorrichtung kann ferner eine Diode aufweisen, die auch als

Seriellschaltelement bezeichnet werden kann, da diese in Durchflussrichtung die Glättungskondensatoren seriell miteinander verbindet. Die zwei ersten Schalter und die Diode sind seriell miteinander verbunden, insbesondere in einer

Serienschaltung. Diese Serienschaltung ist an unterschiedliche Potentiale des Gleichrichters angeschlossen. Mit anderen Worten sind die zwei ersten Schalter und die Diode in einer Serienschaltung miteinander verbunden, die parallel zum Gleichrichter angeschlossen ist. Die Schalter und die Diode sind in einer

Serienschaltung miteinander verbunden, die an unterschiedliche Potentiale des Gleichrichters angeschlossen ist. Die Diode ist in Reihe mit den ersten Schaltern verbunden. Die Diode ist zwischen den ersten Schaltern vorgesehen. Die Diode verbindet die Schalter miteinander (in Reihe). Die Diode ist bezogen auf die Potentiale des Gleichspannungsseite des Gleichrichters in Sperrrichtung

angeschlossen. In Ausführungsformen, die keine weiteren Schalter aufweisen, können die zwei ersten Schalter der Konfigurationsvorrichtung auch als zwei Schalter oder zwei Konfigurationsschalter bezeichnet werden. Die Diode der Konfigurationsvorrichtung kann als Konfigurationsdiode bezeichnet werden, da diese Teil der Konfigurationsvorrichtung ist.

Die ersten Schalter sind im Rahmen der Serienschaltung über die Diode

miteinander verbunden. Die ersten Schalter weisen somit Anschlüsse auf, die direkt mit den unterschiedlichen Potentialen des Gleichrichters verbunden sind. Mit Potentialen des Gleichrichters wird in diesem Kontext auf

Gleichspannungspotentiale Bezug genommen, das heißt auf die

Gleichspannungsseite des Gleichrichters. Die Diode verbindet die beiden ersten Schalter miteinander. Da die Diode zwischen den ersten Schaltern angeschlossen ist und die ersten Schalter direkt mit den beiden Potentialen verbunden sind, ist die Diode nicht direkt, sondern über die ersten Schalter mit den Potentialen verbunden. Die Potentiale des Gleichrichters entsprechen der gleichgerichteten Spannung, die sich aus der Spannung am Wechselstromanschluss und dem betreffenden

Verkettungsfaktor ergibt. Die unterschiedlichen Potentiale sind insbesondere ein positives und ein negatives Potential, können jedoch auch ein Massepotential und ein positives Potential sein.

Die Ladeschaltung weist vorzugweise eine Steuereinrichtung auf, die ansteuernd mit der Konfigurationsvorrichtung verbunden ist. Die Konfigurationsvorrichtung ist mit Schaltern ausgestattet. Die Steuereinrichtung ist ansteuernd mit den Schaltern verbunden. In einem Parallelkonfigurationszustand (für Ladesteuervorrichtung) ist die Steuereinrichtung eingerichtet, nur den oder die Schalter der

Konfigurationsvorrichtung zu schließen, über die die Glättungskondensatoren jeweils zwischen zwei verschiedenen Potentialen des Gleichrichters verbunden sind. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung eingerichtet, in dem Parallelkonfigurationszustand nur den oder die Schalter der

Konfigurationsvorrichtung zu schließen, welche in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren miteinander parallel verbindet (und somit auch mit den zwei verschiedenen Potentialen verbindet). Im Parallelkonfigurationszustand ist jeder der Glättungskondensatoren für sich zwischen den zwei verschiedenen Potentialen angeschlossen und erhält somit die volle Potentialdifferenz bzw.

Spannung zwischen den zwei verschiedenen Potentialen.

Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen einphasigen sowie einen

mehrphasigen Belegungszustand des Wechselstromanschlusses zu ermitteln. Alternativ ist die Steuerung eingerichtet, einen einphasigen und einen

mehrphasigen Nutzungszustand des Gleichrichters zu ermitteln. Weiterhin alternativ ist die Steuereinrichtung eingerichtet, ein Signal zu erfassen, das einen einphasigen oder einen mehrphasigen Sollzustand der Ladeschaltung wiedergibt. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung eingerichtet, einen einphasigen und einen mehrphasigen Zustand (des Wechselstromanschlusses oder des

Gleichrichters) zu unterscheiden. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, die Glättungskondensatoren in eine der einphasigen Zustände in paralleler

Konfiguration miteinander zu verbinden. Die Steuereinrichtung ist ferner

eingerichtet, in einem der mehrphasigen Zustände die Glättungskondensatoren miteinander in serieller Konfiguration zu verbinden.

Alternativ kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, bei einer gleichgerichteten Spannung, die an der Gleichstromseite des Gleichrichters anliegt, und über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, die Glättungskondensatoren seriell miteinander zu verbinden (mittels der Konfigurationsvorrichtung), und bei einer Spannung, die nicht über dem Schwellenwert liegt, die Glättungskondensatoren parallel miteinander zu verbinden (ebenfalls mittels der Konfigurationsvorrichtung).

Dadurch ist es möglich, dass auch erhöhte Spannungen, die sich nicht durch einen erhöhten Verkettungsfaktor (d.h. einen Verkettungsfaktor > 1 ) ergeben, die

Glättungskondensatoren seriell geschaltet werden (um so pro Kondensator nur einen Teil der gleichgerichteten Spannung zu erhalten). Die Steuereinrichtung kann daher einen Vergleicher aufweisen, der die gleichgerichtete Spannung des

Gleichrichters mit dem Schwellenwert vergleicht. Der Schwellenwert liegt vorzugsweise um eine vorbestimmte Marge unter einer Maximalspannung der Kondensatoren, die sich durch die Auslegung des Kondensators bestimmt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ladeschaltung mehrere Gleichspannungswandler aufweist. Diese weisen jeweils eine getaktete

Schaltereinheit sowie einen Zwischenkreiskondensator auf. Der

Zwischenkreiskondensator eines ersten der Gleichspannungswandler wird von einem ersten der Glättungskondensatoren gebildet. Der Zwischenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspannungswandler wird zu einem zweiten der

Glättungskondensatoren gebildet. Dadurch werden die Glättungskondensatoren als Zwischenkreiskondensatoren von verschiedenen Gleichspannungswandlern verwendet. Die geglättete Schalteinheit umfasst mindestens einen steuerbaren Schalter, insbesondere zwei steuerbare Schalter, wobei diese Schalter zur wechselnden Anbindung eines Elements dienen. Der Gleichspannungswandler kann beispielsweise als temporäres Speicherelement eine Induktivität (oder einen Kondensator) aufweisen. Vorzugsweise weist jeder Gleichspannungswandler eine Wandlerinduktivität auf, die der getakteten Schaltereinheit vor- oder nachgeschaltet ist. Die Gleichspannungswandler können als Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder als Synchronwandler ausgebildet sein. Die Gleichspannungswandler sind vorzugsweise in gleicher Weise aufgebaut.

Die Gleichspannungswandler weisen Anschlüsse auf, die an einen

Gleichstromanschluss angeschlossen sind. Der Gleichstromanschluss ist eingerichtet zum Anbinden des Energiespeichers (an die Ladeschaltung). Die Anschlüsse der Gleichspannungswandler sind hierbei parallel miteinander verbunden. Somit arbeiten die Gleichspannungswandler beim Laden parallel und die abgegebenen Ströme addieren sich am Gleichstromanschluss. Als Anschlüsse sind beispielsweise ein Plus- und ein Minusanschluss vorgesehen, wobei am Plusanschluss beide Gleichspannungswandler angeschlossen sind bzw. deren positives Potential. Gleiches gilt auch für den negativen Anschluss oder für einen Masseanschluss.

Der Gleichrichter kann ein steuerbarer Gleichrichter sein. Der steuerbare

Gleichrichter kann direkt mit dem Wechselstromanschluss verbunden sein. Die Gleichrichtereinheit umfasst hierbei Transistoren, jedoch keine dedizierten

Energiespeicher wie Spulen.

Alternativ kann der Gleichrichter ein Leistungsfaktorkorrekturfilter sein. Dieser weist eine steuerbare Gleichrichtereinheit auf, die über Induktivitäten (etwa Spulen) mit dem Wechselstromanschluss verbunden sind. Die Induktivitäten bilden hierbei im Rahmen des Leistungsfaktorkorrekturfilters temporäre Energiespeicher. Jede Phase des Wechselstromanschlusses ist über eine eigene (seriell geschaltete) Induktivität mit der Gleichrichtereinheit verbunden.

Es kann ein Fahrzeugbordnetz vorgesehen sein, das die Ladeschaltung und einen Energiespeicher aufweist, der über den Gleichstromanschluss der Ladeschaltung mit dieser verbunden ist. Falls keine Gleichspannungswandler vorgesehen sind, dann ist der Gleichstromanschluss (zum Anschluss des Energiespeichers) direkt mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden, das heißt mit den Potentialen, zwischen denen sich die Zwischenglättungskondensatoren befinden.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Ladeschaltung, die an einen (fahrzeugseitigen) Energiespeicher angeschlossen ist.

Die Ladeschaltung LS umfasst einen Wechselstromanschuss WA mit drei

Phasenanschlüssen L1 bis L3 sowie mit einem Neutralleiteranschluss N. Dieses sind an einer Wechselstromseite eines Gleichrichters GR angeschlossen. Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichrichtereinheit GE mit Dioden, sowie drei vorgeschaltete (phasenindividuelle) Induktivitäten 11 bis I3. Die Induktivitäten 11 bis I3 verbinden den Wechselstromanschluss WA mit der Gleichrichtereinheit GE und verbinden insbesondere die verschiedenen Phasenanschlüsse L1 - L3 des Wechselstromanschlusses mit der Gleichrichtereinheit GE. Die Gleichrichtereinheit GE umfasst nur Gleichrichterelemente in Form von Dioden oder insbesondere von Form von ansteuerbaren Transistoren. Die phasenindividuell vorangeschalteten Induktivitäten 11 bis I3 bilden zusammen mit der Gleichrichtereinheit einen

Leistungsfaktorkorrekturfilter, das heißt einen Gleichrichter GR, der neben der Gleichrichtungsfunktion auch Funktionen wie Oberwellendämpfung und/oder Leistungsfaktorkorrektur und/oder Hochsetzstellen realisiert.

Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichstromseite GS, die der Wechselstromseite entgegengesetzt ist. Damit verbindet der Gleichrichter GR den

Wechselstromanschluss WA mit zwei einzelnen Enden zweier

Glättungskondensatoren C1 und C2. Eine Diodenschaltung DE ist vorgesehen, die eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 aufweist. Diese sind in

Reihenschaltung über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden, wobei an dem Verbindungspunkt der neutrale Leiteranschluss N angeschlossen ist. Von diesem Verbindungspunkt aus sind die Dioden D1 und D2 (in entgegengesetzten Durchlassrichtungen) mit einer Konfigurationsvorrichtung KV verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung KV umfasst eine Reihenschaltung von zwei

Schaltern S1 und S2 sowie eine Diode DS. Diese sind in Reihe miteinander verbunden. Die sich ergebende Reihenschaltung ist an die Gleichstromseite des Gleichrichters GR angeschlossen. Insbesondere ist diese Reihenschaltung der Schalter S1 bis S3 mit einem Ende an das positive Potential P+ und das negative Potential P- angeschlossen. Das positive Potential P+ und das negative Potential P- sind die Gleichspannungspotentiale des Gleichrichters GR bzw. der

Gleichstromseite GS des Gleichrichters GR. Die Reihenschaltung der Schalter S1 bis S3 und somit die Konfigurationsvorrichtung KV ist parallel (mit den Enden der Konfigurationsvorrichtung KV) mit den Potentialen P-, P+ verbunden. Die Diode DS verbindet die Schalter S1 und S2 miteinander. Die Schalter S1 und S2 sind jeweils fest mit einem der beiden Potentialen verbunden, wobei der Schalter S1 mit dem positiven Potential P+ und der Schalter S2 mit negativem Potential P- verbunden ist. Parallel zu der Diode DS, die zwischen den Schaltern S1 und S2 in Serie geschaltet ist, ist die Reihenschaltung der Dioden D1 und D2 angeschlossen.

Mit anderen Worten ist parallel zu der Diode DS die Diodenschaltung DE

angeschlossen. Die Diodenschaltung DE bildet insbesondere für den einphasigen Betrieb eine Diodenbrücke zur Vollwellengleichrichtung. Der Verbindungspunkt der Dioden der Diodenschaltung DE ist mit dem Neutralleiter N verbunden.

Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S1 und der Diode DS ist mit einem ersten Glättungskondensator C1 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen der Diode DS und dem Schalter S2 ist mit dem zweiten Glättungskondensator C2 verbunden. Die Glättungskondensatoren C1 und C2 sind somit nur miteinander in Reihe verbunden, wenn die Diode DS nicht leitet. Sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, dann sind die Kondensatoren C1 und C2 miteinander parallel verbunden.

Ist somit nur eine Phase angeschlossen, ergibt sich ein Verkettungsfaktor von 1 und die Kondensatoren C1 und C2 können zur Erhöhung der Kapazität miteinander parallel verbunden sein. Wird der Wechselstromanschluss WA dreiphasig verwendet (wobei die Phasenanschlüsse L1 bis L3 an unterschiedliche Phasen eines Drehstromsystems angeschlossen sind), dann ergibt sich ein

Verkettungsfaktor > 1 und es werden die Kondensatoren C1 und C2 von der Konfigurationsvorrichtung KV in Serie geschaltet. Dadurch ergibt sich (durch Spannungsteilung der Kondensatoren) nur die Hälfte der geglätteten Spannung für die Kondensatoren C1 und C2. Dadurch kann jeder der Kondensatoren C1 und C2 mit einer geringeren Nennspannung ausgelegt werden als die Maximalspannung bei dreiphasigem Betrieb. Die Glättungskondensatoren haben vorzugsweise die gleiche (Nenn-)kapazität und/oder die gleiche Nennspannung.

Bei einphasigem Betrieb kann der Neutralleiter N an einen entsprechenden

Anschluss des Drehstromsystems angeschlossen sein, während die

Phasenanschlüsse L1 bis L3 oder nur der Phasenanschluss L2 (oder auch nur der Phasenanschluss L1 und L2) mit ein- und derselben Phase des anschließbaren Netzes verbunden sind. In diesem Fall ergibt sich ein Verkettungsfaktor von 1 . Wenn mehr als ein Phasenanschluss L1 bis L3 mit derselben Phase eines anschließbaren Wechselstromnetzes verbunden wird, dann werden die

betreffenden Anschlüsse L1 , L2, L3 entsprechend miteinander verbunden. Da keine zueinander phasenversetzten Phasenströme verwendet werden bzw. keine phasenversetzten Phasenanschlüsse angebunden sind, wird dies ebenso als einphasiger Betrieb bezeichnet. Vorzugsweise werden bei einphasigem Betrieb die Anschlüsse L1 , L2 und L3 an dieselbe Phase angeschlossen (d.h. untereinander verbunden), sodass alle Phasen des Gleichrichters GR zur Stromführung beitragen können.

In der Ausführungsform sind die Glättungskondensatoren C1 und C2 bzw. ist die Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR direkt mit dem Energiespeicher ES verbunden, den Gleichstromanschluss GA der Ladeschaltung LS. Hierbei ist der Energiespeicher ES nicht notwendigerweise Teil der Ladeschaltung, sondern kann eine weitere Komponente des Fahrzeugbordnetzes sein, in dem die Ladeschaltung vorgesehen ist.

In dem dargestellten Beispiel ist eine Gleichspannungswandlereinheit WE vorgesehen, die zwei Gleichspannungswandler GW1 , GW2 umfasst. Jeder der Gleichspannungswandler GW1 , GW2 umfasst eine Schaltereinheit SE1 , SE2. In dieser sind getaktete Schaltelemente des Gleichspannungswandlers vorgesehen, sowie (hier symbolisch dargestellt) ein temporärer Energiespeicher wie eine Spule. Die zum Gleichspannungswandler zugehörigen Zwischenkreiskondensatoren werden von den Kondensatoren C1 und C2 realisiert. Somit wird der erste

Gleichspannungswandler GW gebildet aus dem Kondensator C1 als

Zwischenkreiskondensator und der Schaltereinheit SE1 . Entsprechend wird der Gleichspannungswandler GW2 gebildet von der Schaltereinheit SE2 und dem Kondensator C2. Eine Steuereinrichtung C ist ansteuernd mit den Schaltern S1 und S2 verbunden. Ferner kann diese Steuereinrichtung C einen Eingang aufweisen, an dem die Steuereinrichtung Signale bezüglich der Anzahl aktiver (unterschiedlicher) Phasen des Gleichrichters GR erfassen kann. Dies können Signale sein, die den

Belegungszustand des Wechselstromanschlusses darstellen, die die Anzahl aktiver und phasenversetzter Phasen des Gleichrichters GR darstellen, oder die einen Befehl zur Ausführung eines ein- oder mehrphasigen Betriebs darstellen, wobei das letztgenannte Signal die Anzahl der (verschiedenen Phasen) angibt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung C eingerichtet, die Spannung an der Gleichstromseite des Gleichrichters zu erfassen und daraus abzuleiten, ob die Spannung größer als ein Schwellenwert ist, um in diesem Fall die

Konfigurationsvorrichtung KV für einen seriellen Betrieb (der Kondensatoren C1 und C2) vorzusehen. Ist die Spannung niedriger als der Schwellenwert, wird zur Erhöhung der Gesamtkapazität der Kondensatoren C1 und C2 die

Konfigurationsvorrichtung zur Parallelschaltung dieser Kondensatoren eingestellt.

Die Gleichspannungswandlereinheit WE ist nur schematisch dargestellt. Die dort vorhandenen Gleichspannungswandler GW1 , GW2 bzw. Schaltereinheiten SE1 , SE2 sind miteinander am Ausgang, das heißt auf der Seite des

Gleichstromanschlusses GA parallel miteinander verbunden. Es ist jedoch auch eine serielle Verbindung der Wandler denkbar. Als Wandler GW1 , GW2 können galvanisch leitende oder galvanisch trennende bzw. isolierende Wandler vorgesehen sein. Dies hängt insbesondere von der Zusammenschaltung an der Seite des Gleichstromanschlusses GA ab.

Abschließend sei bemerkt, dass die Fig. 1 als Fahrzeugbordnetz betrachtet werden kann, welches die Ladeschaltung LS und den daran angeschlossenen

Energiespeicher ES umfasst. Der Energiespeicher ES kann ein Akkumulator sein, insbesondere ein Lithium-basierter Akkumulator. Der Energiespeicher ES ist vorzugsweise ein Traktionsakkumulator. Die Ladeschaltung ist insbesondere für eine Leistung von mindestens 1 kW, 5 kW, 10 kW oder 50 kW ausgelegt. Dies betrifft die Leistung bei Anschluss an ein Drehstromsystem.

Claims

Patentansprüche

1 . Ladeschaltung (LS) für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (ES), wobei die Ladeschaltung aufweist:

einen Wechselstromanschluss (WA), mindestens zwei

Glättungskondensatoren (C1 , C2), eine Konfigurationsvorrichtung (KV) und einen Gleichrichter (GR), über den der Wechselstromanschluss (WA) mit der

Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) den Gleichrichter (GR) mit den Glättungskondensatoren (C1 , C2) verbindet und eingerichtet ist, die Glättungskondensatoren (C1 , C2) wahlweise in paralleler oder serieller Konfiguration miteinander zu verbinden, wobei der

Wechselstromanschluss einen Neutralleiteranschluss (N) aufweist, der über eine Diodenschaltung (DE) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mindestens einen ersten Schalter (S1 , S3) aufweist, der derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen ist, dass dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (C1 , C2) parallel miteinander verbindet, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) eine Diode (DS) aufweist, die derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen ist, dass diese in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (C1 , C2) seriell miteinander verbindet.

2. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 , wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) zwei erste Schalter (S1 , S3) und eine Diode (DS) aufweist, die in einer Serienschaltung miteinander verbunden sind, die an unterschiedliche Potentiale (R+, P-) des Gleichrichters (GR) angeschlossen ist, wobei die ersten Schalter (S1 , S3) innerhalb der Serienschaltung über die Diode (DS) miteinander verbunden sind.

3. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Diodenschaltung (DE) als Gleichrichterschaltung ausgebildet ist, die eine Wechselstromseite aufweist, die mit dem Neutralleiteranschluss (N) verbunden ist, und die eine Gleichstromseite aufweist, die mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist.

4. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Diodenschaltung (DE) mindestens zwei Dioden (D1 , D2) aufweist, von denen mindestens eine erste Diode (D1 ) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem ersten der

Glättungskondensatoren (C1 ) verbindet und von denen mindestens eine zweite Diode (D2) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem zweiten der

Glättungskondensatoren (C2) verbindet.

5. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Steuereinrichtung (C) aufweist, die ansteuernd mit der

Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mit Schaltern (S1 , S2) ausgestattet ist und die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist,

(i) in einem Parallelkonfigurationszustand nur den oder die Schalter (S1 , S2) der Konfigurationsvorrichtung (KV) zu schließen, über die die Glättungskondensatoren (C1 , C2) jeweils zwischen zwei verschiedenen Potentialen (R+, P-) des

Gleichrichters (GR) verbunden sind, und

(ii) in einem Seriellkonfigurationszustand den oder die Schalter (S1 , S2)) der Konfigurationsvorrichtung (KV) in offenem Zustand vorzusehen, die im

Parallelkonfigurationszustand geschlossen sind.

6. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Belegungszustand des Wechselstromanschlusses (WA) zu ermitteln, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Nutzungszustand des Gleichrichters (GR) zu ermitteln oder ein Signal zu erfassen, das einen einphasigen oder mehrphasigen Sollzustand der Ladeschaltung wiedergibt, wobei die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, die die Glättungskondensatoren (C1 , C2) in einem der einphasigen Zustände in paralleler Konfiguration miteinander zu verbinden und in einem der mehrphasigen Zustände in serieller Konfiguration miteinander zu verbinden.

7. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ladeschaltung mehrere Gleichspannungswandler (GW1 , GW2) aufweist, die jeweils eine getaktete Schaltereinheit (SE1 , SE2) und einen

Zwischenkreiskondensator aufweisen, wobei der Zwischenkreiskondensator eines ersten der Gleichspannungswandler (GW1 ) von einem ersten der

Glättungskondensatoren (C1 ) gebildet wird und der Zwischenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspannungswandler (GW2) von einem zweiten der Glättungskondensatoren (C2) gebildet wird.

8. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 7, wobei die Gleichspannungswandler (GW1 , GW2) Anschlüsse aufweisen, die an einen Gleichstromanschluss (GA) eingerichtet zum Anbinden des Energiespeichers (ES) angeschlossen sind, wobei die Anschlüsse der Gleichspannungswandler (GW1 , GW2) parallel miteinander verbunden sind.

9. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter (GR) ein steuerbarer Gleichrichter ist, der eine steuerbare

Gleichrichtereinheit (GE) aufweist, die direkt mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist, oder

wobei der Gleichrichter (GR) ein Leistungsfaktorkorrekturfilter ist, der eine steuerbare Gleichrichtereinheit (GE) aufweist, die über Induktivitäten (11 - I3) mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist.