WO2020064432A1

WO2020064432A1 - Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen energiespeicher

Info

Publication number: WO2020064432A1
Application number: PCT/EP2019/074851
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: US11472305B2; US20220041074A1; CN112714992A; DE102018216236A1; KR102586728B1; DE102018216236B4; KR20210062670A

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 (GR) 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. Dieser ist über eine Diodenschaltung (DS) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden.

Description

Beschreibung

Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen Ener giespeicher

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 Wechselstroman schluss 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 erfor derlich sein zwischen der Betriebs- oder Nennspannung des Energiespeichers einerseits und der Höhe der Wechselspannung bzw. der aus dieser erzeugten gleichgerichteten Spannung an dererseits. 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 ins besondere im Hinblick auf diese Kosten die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein Energiespeicher eines Fahrzeugs geladen werden kann unter Verwendung von kosten günstigen 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 Glättungs kondensatoren, die mittels einer Konfigurationsvorrichtung wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden können. Ein Gleichrichter ist an dem Wechselstromanschluss angeschlossen und verbindet so (gleichrichtend) den Wechsel stromanschluss mit den Glättungskondensatoren. Der Wechsel stromanschluss und somit auch der Gleichrichter kann mit un terschiedlichen Anzahlen an (verschiedenen) Phasen betrieben werden, beispielsweise einphasig oder dreiphasig. Es geben sich somit unterschiedliche Verkettungsfaktoren (die in bekann terweise 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 Glättungskonden satoren kostengünstig (nämlich mit relativ geringer Nenn spannung) 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 gleichge richteten Spannung) , wird vorzugsweise eine parallele Konfi guration vorgesehen, um so eine hohe Kapazität zu erreichen, während bei einem mehrphasigen Betrieb (des Wechselstroman schlusses 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 beauf schlagt 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 ein phasigem 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-Wechsel- stromnetzes. Die Dioden der Diodenschaltung erlauben dadurch eine Verbindung mit den (parallel) geschalteten Glättungs kondensatoren, um diesen Rückleitungspfad (oder Hinleitungs pfad) 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 Dioden schaltung 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 ent gegengesetzter Richtung zwischen Neutralleiteranschluss und Konfigurationsvorrichtung (seriell) geschaltet.

Die vorangehend erwähnte Anbindung des Neutralleiteranschlusses über die Diodenschaltung ermöglich die Aufteilung der Glät- tungskondensatoren, 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 Neutralleiteran schlusses. 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 Konfigurations vorrichtung (und somit letztendlich einem Energiespeicheran schluss) und dem einzelnen Phasenpotential dient.

Es wird daher eine Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher beschrieben, wobei die La deschaltung 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 Konfigura tionsvorrichtung 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 Glättungskonden satoren 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 Konfi guration) zueinander in Serie geschaltet sind. Der Wechselstromanschluss weist einen Neutralleiteranschluss auf. Dieser ist über eine Diodenschaltung mit der Konfigura tionsvorrichtung verbunden. Der Neutralleiteranschluss ist somit über die Diodenschaltung mit den Glättungskondensatoren verbunden. Zwischen dem Neutralleiteranschluss und den Glät tungskondensatoren ist die Konfigurationsvorrichtung vorge sehen .

Die Diodenschaltung weist vorzugsweise mehrere Dioden auf. Diese sind mit unterschiedlichen Verbindungspunkten der Konfigura tionsvorrichtung (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.

Vorzugsweise ist die Diodenschaltung als Gleichrichterschaltung ausgebildet. Die Diodenschaltung kann hierbei eine Dio- den-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 Wechsel stromseite ist mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Die von der Diodenschaltung ausgebildete Gleichrichterschaltung kann eine Gleichstromseite aufweisen, die mit der Konfigurations vorrichtung (und somit auch mit den Kondensatoren) verbunden ist . Die Gleichrichterschaltung ist insbesondere eine Vollwel- len-GleiehrichterSchaltung .

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 Glät- tungskondensatoren 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 kos tengünstige 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. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Konfigurationsvorrichtung mindestens einen zweiten Schalter aufweisen, der die Glättungskondensatoren (in geschlossenem Zustand seriell miteinander verbindet) . Im ge schlossenen Zustand verbindet somit der mindestens eine zweite Schalter die Glättungskondensatoren seriell miteinander.

Vorzugsweise weist die Konfigurationsvorrichtung zwei erste Schalter und einen zweiten Schalter auf. Die zwei ersten Schalter können auch als Parallelschaltelemente bezeichnet werden, da diese in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren miteinander in einer Parallelschaltung verbindet. Die Konfi gurationsvorrichtung kann ferner einen zweiten Schalter auf weisen, der auch als Seriellschaltelement bezeichnet werden kann, da dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskon densatoren seriell miteinander verbindet. Die zwei ersten Schalter und der eine zweite Schalter (das heißt die zwei Parallelschaltelemente und das Seriellschaltelement) sind seriell miteinander verbunden, insbesondere in einer Serien schaltung. Diese Serienschaltung ist an unterschiedliche Po tentiale des Gleichrichters angeschlossen. Mit anderen Worten sind die zwei ersten Schalter und der zweite Schalter in einer Serienschaltung miteinander verbunden, die parallel zum

Gleichrichter angeschlossen ist. Die Schalter sind in einer Serienschaltung miteinander verbunden, die an unterschiedliche Potentiale des Gleichrichters angeschlossen ist.

Die ersten Schalter sind im Rahmen der Serienschaltung über den zweiten Schalter 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 Gleichspan nungspotentiale Bezug genommen, das heißt auf die Gleich spannungsseite des Gleichrichters. Der zweite Schalter verbindet die beiden ersten Schalter miteinander. Da der zweite Schalter zwischen den ersten Schaltern angeschlossen ist und die ersten Schalter direkt mit den beiden Potentialen verbunden sind, ist der zweite Schalter 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 be treffenden Verkettungsfaktor ergibt. Die unterschiedlichen Potentiale sind insbesondere ein positives und ein negatives Potential, können jedoch auch ein Massepotential und ein po sitives Potential sein.

Die Schalter der Konfigurationsvorrichtung sind Halbleiter schalter, beispielsweise MOSFETs. Alternativ können die Schalter der Konfigurationsvorrichtung jedoch auch als elektromecha nische Schalter ausgebildet sein. Die ersten Schalter und der mindestens eine zweite Schalter werden alternierend geschlossen. Während die ersten Schalter geschlossen sind, ist der mindestens eine zweite Schalter geöffnet. Ist der mindestens eine zweite Schalter geschlossen, sind die ersten Schalter geöffnet.

Die Ladeschaltung kann ferner eine Zusatz-Diodenschaltung umfassen. Über diese ist der Neutralleiteranschuss mit un terschiedlichen Potentialen des Gleichrichters verbunden. Mit anderen Worten ist über die Zusatz-Diodenschaltung der Neutralleiteranschluss mit der Gleichspannungsseite des

Gleichrichters verbunden. Die Zusatz-Diodenschaltung kann wie die vorangehend erwähnte Diodenschaltung ausgebildet sein und mit dem Neutralleiter verbunden sein. Im Unterschied zu der Diodenschaltung ist die Zusatz-Diodenschaltung mit den Po tentialen des Gleichrichters verbunden (und nicht mit Ver bindungspunkten der innerhalb der Konfigurationsvorrichtung) . Die Konfigurationsvorrichtung selbst ist auch als Reihen schaltung vorgesehen, deren Enden mit den Potentialen an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden sind. Die Diodenschaltung ist mit Verbindungspunkten innerhalb der Konfigurationsvorrichtung (und nicht mit den Enden) verbunden, während die Zusatz-Diodenschaltung mit den Enden der Konfi gurationsvorrichtung verbunden ist. Die Zusatz-Diodenschaltung kann als Gleichrichterschaltung ausgebildet sein. Deren

Wechselstromseite ist mit dem Neutralleiteranschluss verbunden, während die Gleichstromseite hiervon mit den Potentialen des Gleichrichters verbunden ist. Die Zusatz-Diodenschaltung kann mindestens zwei Dioden aufweisen, die mit unterschiedlichen Potentialen (der Gleichstromseite) des Gleichrichters verbunden ist. Die Dioden der Zusatz-Diodenschaltung sind (ausgehend vom Neutralleiteranschluss) in unterschiedlichsten Richtungen angeschlossen (wobei sich die Richtung auf die Durchlassrichtung oder auf die Sperrrichtung der Dioden bezieht) . Die Zu satz-Diodenschaltung weist einen Verbindungspunkt zwischen den mindestens zwei Dioden der Zusatz-Diodenschaltung auf. An diesem Verbindungspunkt ist der Neutralleiteranschluss angeschlossen.

Im einphasigen Betrieb, wenn der Neutralleiter als Rückleiter (oder Hinleiter) verwendet wird, dann unterstützt die Strom tragfähigkeit der Zusatz-Diodenschaltung die Diodenschaltung. Insbesondere wenn die Schaltelemente der Konfigurationsvor richtung Halbleiterschaltelemente sind, dann fällt an ihnen eine Durchlassspannung ab. Da die Zusatz-Diodenschaltung direkt (und nicht über Schaltelemente der Konfigurationsvorrichtung) mit den Potentialen des Gleichrichters verbunden sind, entlasten die Dioden der Zusatz-Diodenschaltung die Dioden der Dioden schaltung. Dadurch müssen die Dioden der Diodenschaltung bei der Verwendung des Neutralleiters als Rückleitung den Strom nicht oder nur teilweise tragen, während die Zusatz-Diodenschaltung den verbleibenden Teil der Stromübertragung realisiert.

Mit dem Begriff „Zusatz-Diodenschaltung" wird diejenige Dio denschaltung bezeichnet, welche mit den Potentialen der

Gleichstromseite des Gleichrichters (direkt) verbunden ist, während der Begriff „Diodenschaltung" (ohne „Zusatz") aus schließlich die Schaltung bezeichnet, welche den Neutrallei teranschluss mit der Konfigurationsvorrichtung bzw. mit deren Zwischenpunkten verbindet.

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 ver bunden. In einem Parallelkonfigurationszustand (für Lade steuervorrichtung) 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 ge schlossenem 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 Steuerungseinrichtung ist ferner eingerichtet, in einem Seriellkonfigurationszustand (der Steuereinrichtung) nur den oder die Schalter der Konfigurationsvorrichtung zu schließen, die die Glättungskondensatoren in Reihe miteinander verbindet oder verbinden. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, im Parallelkonfigurationszustand den oder die Schalter in offenem Zustand vorzusehen, die im Seriellkonfigurationszustand ge schlossen sind. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, im Seriellkonfigurationszustand den oder die Schalter in offenem Zustand vorzusehen, die im Parallelkonfigurationszustand ge schlossen sind. Die Steuereinrichtung ist somit eingerichtet, die für den Parallelkonfigurationszustand zuständigen Schalter und die für den Seriellkonfigurationszustand zuständigen Schalter wechselweise zu schließen (oder alle Schalter zu öffnen) .

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 Steuer einrichtung eingerichtet, einen einphasigen und einen mehr phasigen 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 mit einander 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 gleichge richteten 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 Gleich spannungswandler wird von einem ersten der Glättungskonden satoren gebildet. Der Zwischenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspannungswandler wird zu einem zweiten der Glättungs kondensatoren gebildet. Dadurch werden die Glättungskonden satoren 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, Tiefsetz steller 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 Gleichstroman schluss 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 ange schlossen sindbzw. 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 Wechselstroman schluss verbunden sein. Die Gleichrichtereinheit umfasst hierbei Transistoren, jedoch keine dedizierten Energiespeicher wie Spulen .

Alternativ kann der Gleichrichter ein Leistungsfaktorkorrek turfilter sein. Dieser weist eine steuerbare Gleichrich tereinheit 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 La deschaltung 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 ver bunden, das heißt mit den Potentialen, zwischen denen sich die Zwischenglättungskondensatoren befinden .

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

Die Ladeschaltung LS umfasst einen Wechselstromanschuss WA mit drei Phasenanschlüssen LI bis L3 sowie mit einem Neutrallei teranschluss N. Dieses sind an einer Wechselstromseite eines Gleichrichters GR angeschlossen. Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichrichtereinheit GE mit Dioden, sowie drei vorge schaltete (phasenindividuelle) Induktivitäten II bis 13. Die Induktivitäten II bis 13 verbinden den Wechselstromanschluss WA mit der Gleichrichtereinheit GE und verbinden insbesondere die verschiedenen Phasenanschlüsse LI - L3 des Wechselstroman schlusses mit der Gleichrichtereinheit GE. Die Gleichrich tereinheit GE umfasst nur Gleichrichterelemente in Form von Dioden oder insbesondere von Form von ansteuerbaren Transis toren. Die phasenindividuell vorangeschalteten Induktivitäten II bis 13 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 CI und C2. Eine Dioden schaltung DS ist vorgesehen, die eine erste Diode Dl 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 Dl und D2 (in entgegengesetzten Durchlassrichtungen) mit einer Konfi gurationsvorrichtung KV verbunden.

Die Konfigurationsvorrichtung KV umfasst eine Reihenschaltung von zwei Schaltern S1 und S3 sowie einem Schalter S2. Diese Schalter 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 Gleich spannungspotentiale des Gleichrichters GR bzw. der Gleich stromseite 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. Der Schalter S2 verbindet die Schalter S1 und S3 miteinander. Die Schalter S1 und S3 sind jeweils fest mit einem der beiden Potentialen verbunden, wobei der Schalter S1 mit dem positiven Potential P+ und der Schalter S3 mit negativem Potential P- verbunden ist. Parallel zu dem Schalter S2, der zwischen den Schaltern S1 und S3 in Serie geschaltet ist, ist die Reihenschaltung der Dioden Dl und D2 angeschlossen .

Mit anderen Worten ist parallel zu dem Schalter S2 die Dio denschaltung DS angeschlossen. Die Diodenschaltung D2 bildet insbesondere für den einphasigen Betrieb eine Diodenbrücke zur Vollwellengleichrichtung. Der Verbindungspunkt der Dioden der Diodenschaltung DS ist mit dem Neutralleiter N verbunden.

Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S1 und dem Schalter S2 ist mit einem ersten Glättungskondensator CI verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S2 und S3 mit dem zweiten Glättungskondensator C2 verbunden. Die Glättungskondensatoren CI und C2 sind somit nur miteinander in Reihe verbunden, wenn S2 geschlossen ist. Sind die Schalter S1 und S3 geschlossen, dann sind die Kondensatoren CI und C2 miteinander parallel verbunden.

Ist somit nur eine Phase angeschlossen, ergibt sich ein Ver kettungsfaktor von 1 und die Kondensatoren CI und C2 können zur Erhöhung der Kapazität miteinander parallel verbunden sein. Wird der Wechselstromanschluss WA dreiphasig verwendet (wobei die Phasenanschlüsse LI bis L3 an unterschiedliche Phasen eines Drehstromsystems angeschlossen sind) , dann ergibt sich ein Verkettungsfaktor > 1 und es werden die Kondensatoren CI 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 CI und C2. Dadurch kann jeder der Kondensatoren CI 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 LI bis L3 oder nur der Phasenanschluss L2 (oder auch nur der Phasenanschluss LI 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 LI bis L3 mit derselben Phase eines anschließbaren Wechselstromnetzes verbunden wird, dann werden die betreffenden Anschlüsse LI, 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 LI, 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 CI 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 Gleichspannungswand lereinheit WE vorgesehen, die zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst. Jeder der Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst eine Schaltereinheit SEI, SE2. In dieser sind getaktete

Schaltelemente des Gleichspannungswandlers vorgesehen, sowie (hier symbolisch dargestellt) ein temporärer Energiespeicher wie eine Spule. Die zum Gleichspannungswandler zugehörigen Zwi schenkreiskondensatoren werden von den Kondensatoren CI und C2 realisiert. Somit wird der erste Gleichspannungswandler GW gebildet aus dem Kondensator CI als Zwischenkreiskondensator und der Schaltereinheit SEI. Entsprechend wird der Gleichspan nungswandler GW2 gebildet von der Schaltereinheit SE2 und dem Kondensator C2. Eine Steuereinrichtung C ist ansteuernd mit den Schaltern S1 bis S3 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 Ausfüh rungsform 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 CI und C2) vorzusehen. Ist die Spannung niedriger als der Schwellenwert, wird zur Erhöhung der Gesamtkapazität der Kondensatoren CI und C2 die Konfigu rationsvorrichtung zur Parallelschaltung dieser Kondensatoren eingestellt .

Die Gleichspannungswandlereinheit WE ist nur schematisch dargestellt. Die dort vorhandenen Gleichspannungswandler GW1, GW2 bzw. Schaltereinheiten SEI, SE2 sind miteinander am Ausgang, das heißt auf der Seite des Gleichstromanschlusses GA parallel miteinander verbunden. Es ist jedoch auch eine serielle Ver bindung der Wandler denkbar. Als Wandler GW1, GW2 können galvanisch leitende oder galvanisch trennende bzw. isolierende Wandler vorgesehen sein. Dies hängt insbesondere von der Zu sammenschaltung an der Seite des Gleichstromanschlusses GA ab.

Eine Zusatz-Diodenschaltung Z mit den Dioden D3 und D4 ermöglicht eine Unterstützung der Diodenschaltung DS im Parallelzustand der Konfigurationsvorrichtung KV. Die Dioden D3 und D4 sind in Reihe miteinander verbunden, wobei der sich ergebende Verbindungspunkt mit dem Neutralleiter N verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D4 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D2 verbunden. Die Dioden D3 und D4 sind ferner an die Gleichstromseite des Gleichrichters GR ange schlossen. Die Diode D3 verbindet den Neutralleiteranschluss N mit dem positiven Potential P+ . Die Diode D4 verbindet den Neutralleiteranschluss N mit dem Negativpotential P- . Die Dioden D3 und D4 sind (wie auch die Dioden Dl und D2) bezogen auf die Potentiale P- und P+ in Sperrrichtung angeschlossen.

Abschließend sei bemerkt, dass die Fig. 1 als Fahrzeugbordnetz betrachtet werden kann, welches die Ladeschaltung LS und den daran angeschlossenen Energiespeicher ES umfasst. Der Ener giespeicher 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 Glät tungskondensatoren (CI, C2), eine Konfigurationsvor richtung (KV) und einen Gleichrichter (GR) , über den der Wechselstromanschluss (WA) mit der Konfigurationsvor richtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurations vorrichtung (KV) den Gleichrichter (GR) mit den Glät tungskondensatoren (CI, C2) verbindet und eingerichtet ist, die Glättungskondensatoren (CI, C2) wahlweise in paralleler oder serieller Konfiguration miteinander zu verbinden, wobei der Wechselstromanschluss einen Neutralleiteran schluss (N) aufweist, der über eine Diodenschaltung (DS) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist.

2. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1, wobei die Dioden

schaltung (DS) als Gleichrichterschaltung ausgebildet ist, die eine Wechselstromseite aufweist, die mit dem

Neutralleiteranschluss (N) verbunden ist, und die eine Gleichstromseite aufweist, die mit der Konfigurations vorrichtung (KV) verbunden ist.

3. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die

Diodenschaltung (DS) mindestens zwei Dioden (Dl, D2) aufweist, von denen mindestens eine erste Diode (Dl) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem ersten der Glät tungskondensatoren (CI) verbindet und von denen mindestens eine zweite Diode (D2) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem zweiten der Glättungskondensatoren (C2) verbindet.

4. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mindestens einen ersten Schalter (Sl, S3) aufweist, der derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen sind, dass dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (CI, C2) parallel miteinander verbindet und die Konfi- gurationsvorrichtung (KV) mindestens einen zweiten

Schalter (S2) aufweist, der derart in der Konfigurati onsvorrichtung (KV) vorgesehen sind, dass dieser in ge schlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (CI, C2) seriell miteinander verbindet.

5. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 6, wobei die Konfigu rationsvorrichtung (KV) zwei erste Schalter (Sl, S3) und einen zweiten Schalter (S2) aufweist, die in einer Se rienschaltung miteinander verbunden sind, die an unter schiedliche Potentiale (R+, P-) des Gleichrichters (GR) angeschlossen ist, wobei die ersten Schalter (Sl, S3) innerhalb der Serienschaltung über den zweiten Schalter miteinander verbunden sind.

6. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Zusatz-Diodenschaltung (Z) umfasst, über die der Neutralleiteranschluss (N) mit unterschiedlichen Potentialen des Gleichrichters (GR) verbunden ist.

7. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Steuereinrichtung (C) aufweist, die an steuernd mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mit Schaltern (Sl - S3) ausgestattet ist und die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist,

(i) in einem Parallelkonfigurationszustand nur den oder die Schalter (Sl, S3) der Konfigurationsvorrichtung (KV) zu schließen, über die die Glättungskondensatoren (CI, C2) jeweils zwischen zwei verschiedenen Potentialen (R+, P-) des Gleichrichters (GR) verbunden sind, und

(ii) in einem Seriellkonfigurationszustand nur den oder die Schalter (S2) der Konfigurationsvorrichtung (KV) zu schließen, die die Glättungskondensatoren (CI, C2) in Serie verbinden .

8. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 7, wobei die Steuer

einrichtung (C) eingerichtet ist, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Belegungszustand des Wechselstroman schlusses (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 wieder gibt, wobei die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, die die Glättungskondensatoren (CI, C2) in einem der ein phasigen Zustände in paralleler Konfiguration miteinander zu verbinden und in einem der mehrphasigen Zustände in serieller Konfiguration miteinander zu verbinden.

9. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ladeschaltung mehrere Gleichspannungswandler (GW1, GW2) aufweist, die jeweils eine getaktete Schal tereinheit (SEI, SE2) und einen Zwischenkreiskondensator aufweisen, wobei der Zwischenkreiskondensator eines ersten der Gleichspannungswandler (GW1) von einem ersten der Glättungskondensatoren (CI) gebildet wird und der Zwi schenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspan nungswandler (GW2) von einem zweiten der Glättungskon densatoren (C2) gebildet wird.

10. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 9, wobei die Gleich

spannungswandler (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.

11. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter (GR) ein steuerbarer Gleichrichter ist, der eine steuerbare Gleichrichtereinheit (GE) auf weist, die direkt mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist, oder

wobei der Gleichrichter (GR) ein Leistungsfaktorkorrek turfilter ist, der eine steuerbare Gleichrichtereinheit (GE) aufweist, die über Induktivitäten (II - 13) mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist.