WO2022136456A1 - Ladevorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers eines elektrisch betreibbaren fahrzeugs - Google Patents

Ladevorrichtung und verfahren zum laden eines elektrischen energiespeichers eines elektrisch betreibbaren fahrzeugs Download PDF

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WO2022136456A1
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PCT/EP2021/087128
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Stefan Seiffert
Mark Renner
Matthias Kronewitter
Andreas Rodewald
Ottmar Schmid
Hannes Hobi
Marc HANSELMANN
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Mercedes-Benz Group AG
Brusa Hypower Ag
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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a charging device for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle and a method for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle with such a charging device.
  • an additional 400 V/800 V DC converter is required to charge the vehicle's electrical energy storage device at a 400 V charging station.
  • DE 102019003459 A1 discloses a charging device for charging a high-voltage battery with a DC voltage connection for connecting the charging device to an external charging connection.
  • the charging device includes an AC voltage connection for connecting the charging device to a second external charging connection and a DC voltage converter for converting a first DC voltage of the first charging connection into a second DC voltage with which the high-voltage battery is supplied.
  • the charging device also includes an on-board charger for converting an AC voltage of the second charging connection into the second DC voltage, it being possible to convert the first DC voltage into the second DC voltage, which is higher than the first DC voltage, by connecting the DC voltage converter and the on-board charger in parallel.
  • the charging device is a charging unit of an electrically operable vehicle, with which a high-voltage battery of the electrically operable vehicle can be charged. Due to the parallel connection of the DC voltage converter and the on-board charger, a lower DC voltage of the first external Charging connection are converted to a battery voltage of the high-voltage battery in the second DC voltage.
  • DC voltage converters also called DC/DC converters
  • DC/DC converters have been known in power electronics for a long time and in a variety of ways, also in the interconnection of the components themselves, and also, for example, in the literature in the book “Basic course in power electronics” by Joachim Specovius in the 3rd edition from 2009 in chapter 18 "DC converter”.
  • the DC-DC converters can be subdivided into buck converters, boost converters and buck-boost converters.
  • a step-up converter shown there is designed, for example, as a so-called half-bridge converter, in which the voltage from the input to the output is essentially unchanged at a first pole and the voltage from the input is applied at a lower voltage to the second pole through the components and corresponding circuits Output is converted with a higher voltage.
  • a so-called charge pump can also serve as a step-up converter, which is also referred to as a charge doubler because of a fixed conversion ratio of 1:2 and is also known to the person skilled in the art from the general prior art.
  • DC-DC converters there is the possibility for all types, especially with galvanically coupled DC-DC converters, to choose a version of the DC-DC converter in which the voltage level at one pole between input and output is directly coupled and therefore unchangeable, so that then at the other pole the voltage level between the input and the output is changed and thus converted.
  • One object of the invention is to create an improved charging device for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle.
  • a further object is to specify a method for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle with such an improved charging device.
  • a charging device for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle with a charging connection for electrically connecting the charging device to an external voltage supply, a charging unit for converting a first DC voltage present at the charging connection into a second DC voltage, which is used for charging of the electrical energy store is provided, and a power distribution unit with a first and a second output for providing the first DC voltage present at the charging connection and/or the second DC voltage converted by the charging unit to the electrical energy store connected to the outputs.
  • the power distribution unit has a first electrical connection for the charging connection and a second electrical connection for the charging unit.
  • the power distribution unit has switches with which the charging connection is switched to the first and second output in a first charging state, and in a second charging state a first output of the charging unit is connected to one of the outputs of the power distribution unit and a second output of the charging unit is connected to the other of the outputs the power distribution unit is connected.
  • the first DC voltage of the charging connection can be connected to the first and second output of the power distribution unit in the charging device in the first charging state
  • the second DC voltage converted by the charging unit can be connected to the first and second output of the power distribution unit in the second charging state.
  • the energy store which is connected to the outputs of the power distribution unit and which has a target voltage of 800 V, for example, can be charged directly via a DC voltage of likewise 800 V present at the charging connection.
  • this first DC voltage can be converted to a second DC voltage of 800 V by the DC voltage converter of the charging unit, and the energy store can thus also be charged with 800 V.
  • the first output of the charging unit can be connected via the first switch of the power distribution unit to a first pole of the charging connection and directly to the first output of the power distribution unit be wired.
  • the second output of the charging unit can be connected to the second output of the power distribution unit, and an input of the charging unit can be connected to a second pole of the charging connection.
  • a switch is provided in the charging unit, which switches through the input of the charging unit to an input of a DC voltage converter of the charging unit.
  • the first output of the charging unit is also used at the same time as an input of the charging unit.
  • the first direct voltage can be switched through to the charging unit, can be converted into the second direct voltage and this second direct voltage can be switched through to the outputs of the power distribution unit.
  • a three-pole wiring harness is required for the connection between the power distribution unit and the charging unit.
  • the charging unit of the charging device is not, as in the prior art, arranged between the charging connection and the power distribution unit and thus has two inputs and two outputs, but can be switched on from the power distribution unit and only requires three connections for this purpose. Accordingly, a direct connection between the charging connection and the power distribution unit is thus possible. This corresponds to the function of a bypass circuit of the charging unit, which then no longer takes place via the charging unit.
  • the power distribution unit contains all other charging-relevant components, as well as components of a so-called high-voltage intermediate circuit with, for example, components for connecting the energy store to the high-voltage vehicle electrical system.
  • the charging unit can have a standard DC-DC converter, which is designed as a step-up converter, so that an electric vehicle (EV) with a high-voltage vehicle electrical system with a higher voltage, for example 800 V, can also be connected to a DC charging station with a lower voltage, for example. 400V can be charged.
  • EV electric vehicle
  • a high-voltage vehicle electrical system with a higher voltage for example 800 V
  • a DC charging station with a lower voltage for example. 400V can be charged.
  • the wiring of the charging device has advantages, especially in the contacting and in the wiring harness, especially in the case of high-voltage cables.
  • the same functions can be implemented as with a conventional charging device and yet a direct connection between the charging connection and the power distribution unit can be used for simple charging with direct current (DC), in which the charging voltage corresponds to the system voltage of the vehicle electrical system or the energy store will.
  • DC direct current
  • the loading unit is not loaded.
  • the charging current is also not routed via the charging unit, which means that the wiring harness simplified, requires fewer contact points and is therefore better at heat development and cooling.
  • the charging unit is advantageously integrated with a DC voltage converter as a galvanically coupled converter into the existing high-voltage vehicle electrical system architecture.
  • a DC voltage converter as a galvanically coupled converter into the existing high-voltage vehicle electrical system architecture.
  • 800V and 400V are of course example values to illustrate the advantages and advantages of the invention and, as is also known to a person skilled in the art, they are not fixed values that are permanently present, but depend on the state of charge of the energy storage device or the charging station in a wide range of tensions symbolized by these values.
  • the charger requires only one high current two-pin connector (e.g. a 500A two-pin connector) to connect the charging port, while only two lower power three-pin connectors (e.g. two 125A three-pin connectors) are required to connect the charger to the power distribution unit .
  • high current two-pin connector e.g. a 500A two-pin connector
  • lower power three-pin connectors e.g. two 125A three-pin connectors
  • the bypass switch for example a high-voltage contactor, can be dispensed with.
  • the installation space can be reduced since there are no high-current busbars.
  • the charging unit does not heat up as a result of the high-current path usually having to be looped through as a bypass through the charging unit.
  • the charging unit only needs to be designed for lower charging capacities, so that the charging unit can be made more compact and lighter.
  • the charging unit and the switches installed in or on the charging unit, as well as connectors and cables, only need to be designed for the charging unit's own nominal current.
  • the integration of the charging device into the vehicle is also simplified, since the charging device has only one high-voltage connection on the power distribution unit and smaller bending radii of the high-voltage lines.
  • CHAdeMO Charge de Move” as a standard developed in Japan with a charging capacity of up to 50 kW in most cases
  • GB/T as a standard developed in China.
  • the charging device can also be used to advantage with future standards such as ChaoJi (for CHAdeMO standard 3.0 with a charging capacity of up to 500 kW) and MegaWatt charging, which does not have to be routed via the charging unit with charging voltages equal to the high-voltage on-board voltage and analogous to the
  • future standards such as ChaoJi (for CHAdeMO standard 3.0 with a charging capacity of up to 500 kW) and MegaWatt charging, which does not have to be routed via the charging unit with charging voltages equal to the high-voltage on-board voltage and analogous to the
  • the advantages of charging at an 800 V charging station are that the charging unit does not heat up as a result of the high-current path usually being looped through as a bypass through the charging unit.
  • the charging device not only has current advantages when charging at 800 V charging stations and 400 V charging stations, but can also be used in a future-proof manner with future charging standards and also offers the same advantages.
  • the arrangement and connection of the charging unit with the DC-DC converter means that new electric vehicles in particular with a high-voltage on-board voltage of more than 500 V, for example 800 V, can not only be charged directly at DC charging stations that also have the same high charging voltage, but also backward compatible via the charging unit of the charging device to charging stations with lower voltage, such as 400 V.
  • the DC-DC converter can be designed as a step-up converter.
  • a first direct voltage of 400 V can thus be advantageously converted into a second direct voltage of 800 V required for charging an energy store with a target voltage of 800 V.
  • the first switch and the second switch can be closed and the third switch can be open in the first charging state, in particular in which the first DC voltage at the charging connection is greater than or equal to the setpoint voltage of the electrical energy store.
  • the first DC voltage is present between the first output and the second output of the power distributor. In this way, the DC voltage present at the charging connection can be switched through directly to the outputs of the power distribution unit and thus to an input of the energy store.
  • the first electrical connection of the power distribution unit can have a two-pole high-current plug connector. Conveniently, only one cable with such a plug connector is required to connect the charging connection to the power distribution unit.
  • the second electrical connection of the power distribution unit can have a three-pole plug connector.
  • the charging unit can thus advantageously be connected to the power distribution unit via a cable with two three-pin plug connectors.
  • a two-pin plug connector and a one-pin plug connector can also be provided here, so that instead of a one-piece plug connector with three poles, two plug connectors are arranged, one with two poles and one with one pole.
  • the two connectors can then be connected to one another separately via two independent connecting devices, in particular two cables, or via a common cable, also as a cable harness, or a single cable with two connection devices for the two connectors, one with one pole and one with two Poland.
  • the connection can also be provided as three individual plug connectors, each with a single pole, but this is somewhat more complex and also more error-prone due to the larger number of plug connectors.
  • the second electrical connection of the power distribution unit and the third electrical connection of the charging unit can be complementary, so that the second electrical connection of the power distribution unit can be connected directly to the third electrical connection of the charging unit without a connecting device.
  • a socket can be arranged directly on the housing of the power distribution unit and the matching counterpart can be arranged as a plug directly on the housing on the charging unit, so that a direct connection between the power distribution unit and the charging unit can be established via the plug-socket connection on the two housings can be made.
  • a connecting device can also be used instead of a cable as a connecting device between the plug connections, regardless of whether it is a plug connector with three poles or two plug connectors with one pole and one two poles, which can also be done, for example, via busbars, i.e. fixed, preformed line devices a so-called direct connection is also possible.
  • a direct connection there is no connection device between the plug connector of the charging unit and the plug connector of the power distribution unit and the plug connector of the charging unit is directly connected to the plug connector of the power distribution unit, ie plugged into one another.
  • a connecting device in particular a cable, be dispensed with, which saves weight and costs, but also an improvement in conductivity and a reduction in error sources can be achieved due to the smaller number of contacts.
  • a third electrical connection can be provided on the charging unit, which is connected to the second electrical connection of the power distribution unit.
  • the third electrical connection can have a three-pole plug connector.
  • the charging unit can thus advantageously be connected to the power distribution unit via a cable with two three-pin plug connectors.
  • only one two-pin high-current connector is used to connect the charging connection to the power distribution unit, and only two three-pin connectors are used to connect the charging unit to the power distribution unit Connectors required, which are designed for lower nominal currents of the charging unit.
  • the positive pole of the poles of the charging connection in the second charging state, can represent a common reference of the first DC voltage present at the charging connection and the second DC voltage present at the first output and the second output of the power distribution unit.
  • this connection can be made using a cable with only three poles. Alternatively or reinterpreted, the same also applies to the negative pole of the poles.
  • a method for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle with a charging device as described above includes at least the following steps: comparing a maximum voltage that the charging station can provide as the first DC voltage with a maximum voltage required for charging the electrical energy store as the setpoint voltage of the electrical energy store.
  • the maximum voltage that the charging station can provide as the first DC voltage is normally determined or exchanged during charging via communication between the vehicle and the charging station, or requested by the vehicle and transmitted by the charging station.
  • the voltage can also be measured before the charging contactors close to ensure that the voltage difference between the charging voltage and a pre-charging of a high-voltage intermediate circuit is not too great, so as not to damage the contactors when they close.
  • the first DC voltage always refers to the maximum possible voltage that the charging station can supply and the target voltage to the maximum required voltage of the electrical energy store that is necessary for charging.
  • the method further includes the steps: closing a first and a second switch of a power distribution unit for connection the charging port having a first output and a second output of the power distribution unit; switching the first DC voltage to the first output and the second output via the first and second switches; Charging the electrical energy store with the first DC voltage.
  • the method further comprises the steps: closing the first switch to connect a first pole of the charging connection to the first output of the electrical energy store and a first output of a charging unit; opening the second switch of the power distribution unit and connecting an input of the charging unit to a second pole of the charging port; closing a third switch of the charging unit to connect the input of the charging unit to an input of a DC/DC converter of the charging unit; switching a second DC voltage converted by the charging unit to the first output and the second output of the power distribution unit; Charging the electrical energy store with the second DC voltage.
  • the first DC voltage present at the charging connection in a first charge state in which the first DC voltage is greater than or equal to the target voltage of the electrical energy store, the first DC voltage present at the charging connection can be switched through directly to the outputs of the power distribution unit. An energy store electrically connected to the outputs can thus be charged with the first DC voltage.
  • the first direct voltage in a second charge state, in which the first direct voltage is lower than the target voltage of the electrical energy store, the first direct voltage can be switched to the input of the charging unit. Furthermore, by opening the second switch of the power distribution unit, the connection of the charging port to the output of the power distribution unit is broken. In the charging unit, the first DC voltage is converted by a DC voltage converter into a second, higher DC voltage, which is then switched to the outputs of the power distribution unit via the outputs of the charging unit. An energy store electrically connected to the outputs can thus be charged with the second direct voltage.
  • FIG. 1 shows a system overview of the charging device for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a vehicle with a charging device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for charging an electrical energy store of an electrically operable vehicle according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a system overview of charging device 100 for charging an electrical energy store 60 of an electrically operable vehicle 200 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Charging device 100 includes a charging connection 50 for electrically connecting charging device 100 to an external power supply (not shown), a charging unit 10 for converting a first DC voltage present at charging connection 50 into a second DC voltage, which is provided for charging electrical energy store 60, and a Power distributor unit 30 with a first and a second output 36, 38 for providing the first DC voltage present at the charging connection 50 and/or the second DC voltage converted by the charging unit 10 to the electrical energy store 60 connected to the outputs 36, 38.
  • the energy store 60 is connected directly to the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30 and comprises a row of battery cells 66, which are indicated only schematically with a battery symbol and which are switched on for charging via two contactors 62, 64.
  • the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30 can be connected to other, not shown, charging-relevant components of a high-voltage intermediate circuit of a high-voltage vehicle electrical system, such as other switches.
  • the power distribution unit 30 has a first electrical connection 52 for the charging connection 50 and a second electrical connection 56 for the charging unit 10 .
  • the power distribution unit 30 has switches 32, 34, with which, in a first charging state, the charging connection 50 can be switched to the first and second output 36, 38 by closing the switches 32, 34. In the first charging state, a first DC voltage present at the charging connection 50 is therefore connected to the first and second output 36 , 38 of the power distribution unit 30 .
  • the charging unit 10 has a connection 54 via which an input 24 and two outputs 20, 22 of the charging unit 10 can be contacted with the connection 56 of the power distribution unit 30.
  • the input 24 of the charging unit 10 is connected to a second pole 42 of the charging connection 50 .
  • a switch 18 is provided in the charging unit 10, which switches through the input 24 of the charging unit 10 to an input 26 of a DC-DC converter 12 of the charging unit 10.
  • the DC-DC converter 12 is designed as a step-up converter and has an input capacitance 14 at its input and an output capacitance 16 at its output. By connecting the output 20 of the charging unit 10 to the output capacitance 16 and the input capacitance 14, the output 20 is also used as an input of the charging unit 10 at the same time.
  • it is a galvanically coupled DC-DC converter 12 with a coupling in the upper path, ie in the plus path, with the outputs 20, 22 and the input 24 and the output 20 as a simultaneous additional input.
  • first switch 32 and second switch 34 of power distribution unit 30 are closed and third switch 18 of charging unit 10 open.
  • the first DC voltage is thus present between the first output 36 and the second output 38 of the power distributor 30 and the energy store 60 can be charged with the first DC voltage.
  • the first output 20 of the charging unit 10 is switched to one of the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30, to the first output 36 in the exemplary embodiment in FIG.
  • the second output 22 of the charging unit 10 is connected to the other of the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30, to the second output 38 in FIG. As shown, this path can be secured with an optional fuse 46 .
  • first switch 32 In the second state of charge, in which in particular the first DC voltage at charging connection 50 is less than the setpoint voltage of electrical energy store 60, first switch 32 is closed and thus first output 20 of charging unit 10 is also closed via closed first switch 32 of power distribution unit 30 connected to the first pole 40 of the charging connection 50 and directly to the first output 36 of the power distribution unit 30 .
  • the second switch 34 of the power distribution unit 30 remains open.
  • the second output 22 of the charging unit 10 is permanently connected to the second output 38 of the power distribution unit 30 .
  • the input 24 of the charging unit 10 is thus connected to the second pole 42 of the charging connection 50 .
  • the third switch 18 of the charging unit 10 is closed.
  • the input 26 of the DC voltage converter 12 is thus connected to the second pole 42 of the charging connection 50 .
  • the first DC voltage present at the charging connection 50 is therefore applied directly to the DC-DC converter 12 and can be converted by it into a second DC voltage, which is then switched to the first and second outputs 36, 38 of the power distribution unit 30.
  • the energy store 60 can thus be charged with the second direct voltage.
  • the positive of the two poles 40, 42 of the charging connection 50, here pole 40 thus represents a common reference in the second state of charge of the first DC voltage present at the charging connection 50 and the second DC voltage present at the first output 36 and the second output 38 of the power distribution unit 30 In this way, it is advantageously possible to connect the charging unit 10 to the power distribution unit 30 by means of three-pole connections 54, 56.
  • an electrical energy store 60 with a target voltage of more than 500 V, for example 800 V can also be charged at a charging station with an output voltage of less than 500 V, for example 400 V.
  • the first DC voltage can be switched through directly to the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30 in the first state of charge and the energy store 60 can be charged with a high current, for example 500 A.
  • the first electrical connection 52 of the power distribution unit 30 has a two-pole high-current plug connector.
  • the first direct voltage is not switched through directly, but rather is fed to the input 26 of the direct-current converter 12, which converts the first direct voltage of 400 V into a second direct voltage of 800 V.
  • This second DC voltage of 800 V is then switched to the outputs 36, 38 of the power distribution unit 30 and the energy store 60 is thus charged.
  • This charging process can advantageously be carried out with a lower current, for example 125 A for a charging capacity of 50 kW, so that the two plug connectors 54, 56 between the charging unit 10 and the power distribution unit 30 only have to have three-pin plug connectors for the lower rated current of the DC/DC converter 12.
  • FIG. 2 shows a vehicle 200 with a charging device 100 according to the invention in a schematic representation.
  • the vehicle 200 is shown in a plan view.
  • charging connection 50 is shown, which in turn is electrically connected to power distribution unit 30 .
  • the power distribution unit 30 has electrical connections to the charging unit 10 and the electrical energy store 60 .
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for charging an electrical energy store 60 of an electrically operable vehicle 200 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the method starts with a first DC voltage present at the charging connection 50 being determined in step S100 and being compared with a setpoint voltage of the electrical energy store 60 in step S102.
  • the determination of the adjoining The first DC voltage normally takes place using communication between the vehicle and the charging station, in which the charging station transmits the maximum available voltage to the vehicle as the first DC voltage.
  • step S104 the first and the second switches 32, 34 of the power distribution unit 30 for connecting the charging connection 50 to the first output 36 and the second output 38 of the power distribution unit 30 are closed.
  • the first DC voltage is thus switched to the first output 36 and the second output 38 via the first and second switches 32, 34 in step S106.
  • the electrical energy store 60 can thus be charged with the first direct voltage in step S108.
  • the first switch 32 for connecting is activated in step S110 of the first pole 40 of the charging connection 50 with the first output 36 of the electrical energy store and the first output 20 of the charging unit 10 closed.
  • step S112 the second switch 34 of the power distribution unit 30 remains open.
  • the input 24 of the charging unit 10 is connected to the second pole 42 of the charging connection 50 .
  • the closed switch 34 is opened in step S112.
  • step S114 the third switch 18 of the charging unit 10 for connecting the input 24 of the charging unit 10 to the input 26 of the DC-DC converter 12 of the charging unit 10 is closed.
  • step S116 the second DC voltage converted by the charging unit 10 is switched to the first output 36 and the second output 38 of the power distribution unit 30.
  • the electrical energy store 60 can thus be charged with the second DC voltage in step S118.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (60) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs (200), mit einem Ladeanschluss (50) zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung (100) mit einer externen Spannungsversorgung, einer Ladeeinheit (10) zum Umwandeln einer am Ladeanschluss (50) anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers (60) vorgesehen ist, einer Leistungsverteilereinheit (30) mit einem ersten und einem zweiten Ausgang (36, 38) zum Bereitstellen der am Ladeanschluss (50) anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit (10) umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen (36, 38) angeschlossenen elektrischen Energiespeicher (60). Die Leistungsverteilereinheit (30) weist einen ersten elektrischen Anschluss (52) für den Ladeanschluss (50) und einen zweiten elektrischen Anschluss (56) für die Ladeeinheit (10) auf. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (60) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs (200) mit einer solchen Ladevorrichtung (100).

Description

Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen Ladevorrichtung.
Wenn die bestehende Hochvolt-Bordnetzarchitektur eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf 800 V Bordnetzspannung beruht, ist für das Laden des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs an einer 400 V-Ladesäule ein zusätzlicher 400 V/800 V- Gleichspannungswandler erforderlich.
Die DE 102019003459 A1 offenbart eine Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie mit einem Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem externen Ladeanschluss. Die Ladevorrichtung umfasst einen Wechselspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einem zweiten externen Ladeanschluss und einem Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung des ersten Ladeanschlusses in eine zweite Gleichspannung, mit welcher die Hochvoltbatterie versorgt wird. Ebenfalls umfasst die Ladevorrichtung einen Bordlader zum Umwandeln einer Wechselspannung des zweiten Ladeanschlusses in die zweite Gleichspannung, wobei durch eine Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers die erste Gleichspannung in die gegenüber der ersten Gleichspannung höhere zweite Gleichspannung umwandelbar ist. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich um eine Ladeeinheit eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs, mit welcher eine Hochvoltbatterie des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs geladen werden kann. Durch die Parallelschaltung des Gleichspannungswandlers und des Bordladers kann eine geringere Gleichspannung des ersten externen Ladeanschlusses gegenüber einer Batteriespannung der Hochvoltbatterie in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden.
Solche Gleichspannungswandler (auch DC/DC-Wandler genannt) sind in der Leistungselektronik bereits lange und vielfältig bekannt, auch in der Verschaltung der Bauteile an sich, und auch beispielsweise in der Literatur im Buch „Grundkurs Leistungselektronik“ von Joachim Specovius in der 3. Auflage aus dem Jahr 2009 im Kapitel 18 „Gleichspannungswandler“ beschrieben. Hierbei kann man die Gleichspannungswandler noch in Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller und Tief-Hochsetzsteller unterteilen. Ein dort dargestellter Hochsetzsteller ist beispielsweise als sogenannter Halbbrückenwandler ausgeführt, bei dem an einem ersten Pol durchgängig die Spannung vom Eingang bis zum Ausgang im Wesentlichen unverändert anliegt und am zweiten Pol durch die Bauteile und entsprechende Schaltungen, die Spannung vom Eingang mit einer niedrigeren Spannung auf den Ausgang mit einer höheren Spannung gewandelt wird. Als Hochsetzsteller kann auch eine sogenannte Ladungspumpe dienen, welche wegen einem festen Wandlungsverhältnis von 1 :2 auch als Ladungsdoppler bezeichnet wird und ebenfalls dem Fachmann aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist.
Bei den Gleichspannungswandlern gibt es für alle Arten die Möglichkeit, insbesondere bei galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandlern, eine Ausführung des Gleichspannungswandlers zu wählen, bei dem eben die Spannungslage an einem Pol zwischen Eingang und Ausgang direkt gekoppelt und damit unveränderlich ist, so dass dann an dem anderen Pol die Spannungslage zwischen dem Eingang und dem Ausgang verändert und somit gewandelt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen verbesserten Ladevorrichtung anzugeben.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, mit einem Ladeanschluss zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung mit einer externen Spannungsversorgung, einer Ladeeinheit zum Umwandeln einer am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers vorgesehen ist, sowie einer Leistungsverteilereinheit mit einem ersten und einem zweiten Ausgang zum Bereitstellen der am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen angeschlossenen elektrischen Energiespeicher. Dabei weist die Leistungsverteilereinheit einen ersten elektrischen Anschluss für den Ladeanschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss für die Ladeeinheit auf. Die Leistungsverteilereinheit weist Schalter auf, mit welchen in einem ersten Ladezustand der Ladeanschluss auf den ersten und zweiten Ausgang geschaltet ist, und in einem zweiten Ladezustand ein erster Ausgang der Ladeeinheit auf einen der Ausgänge der Leistungsverteilereinheit und ein zweiter Ausgang der Ladeeinheit auf den anderen der Ausgänge der Leistungsverteilereinheit geschaltet ist.
Erfindungsgemäß kann bei der Ladevorrichtung in dem ersten Ladezustand die erste Gleichspannung des Ladeanschlusses auf den ersten und zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit geschaltet sein, und in dem zweiten Ladezustand die von der Ladeeinheit umgewandelte zweite Gleichspannung auf den ersten und zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit geschaltet sein. Im ersten Ladezustand kann der Energiespeicher, welcher an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit angeschlossen ist und welcher beispielsweise 800 V Sollspannung aufweist, direkt über eine am Ladeanschluss anliegende Gleichspannung von ebenfalls 800 V geladen werden. Im zweiten Ladezustand, wenn am Ladeanschluss beispielsweise nur eine erste Gleichspannung von 400 V zur Verfügung gestellt wird, kann diese erste Gleichspannung durch den Gleichspannungswandler der Ladeeinheit auf eine zweite Gleichspannung von 800 V gewandelt werden und so der Energiespeicher ebenfalls mit 800 V geladen werden.
Ebenso kann erfindungsgemäß bei der Ladevorrichtung in dem zweiten Ladezustand, insbesondere in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, der erste Ausgang der Ladeeinheit über den ersten Schalter der Leistungsverteilereinheit mit einem ersten Pol des Ladeanschlusses sowie direkt mit dem ersten Ausgang der Leistungsverteilereinheit verschaltet sein. Dabei kann der zweite Ausgang der Ladeeinheit mit dem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit verschaltet sein, und ein Eingang der Ladeeinheit mit einem zweiten Pol des Ladeanschlusses verschaltet sein. Dabei ist ein Schalter in der Ladeeinheit vorgesehen, der den Eingang der Ladeeinheit an einen Eingang eines Gleichspannungswandlers der Ladeeinheit durchschaltet.
Hierbei ist durch eine Verbindung des ersten Ausgangs der Ladeeinheit mit einer Ausgangskapazität und einer Eingangskapazität, der erste Ausgang der Ladeeinheit gleichzeitig auch als ein Eingang der Ladeeinheit genutzt.
Mit dieser zweckmäßigen Verschaltung kann die erste Gleichspannung an die Ladeeinheit durchgeschaltet werden, in die zweite Gleichspannung umgewandelt werden und diese zweite Gleichspannung an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit durchgeschaltet werden. Dabei wird vorteilhaft nur ein dreipoliger Leitungssatz zur Verbindung zwischen Leistungsverteilereinheit und Ladeeinheit benötigt.
Vorteilhaft ist die Ladeeinheit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung nicht, wie im Stand der Technik, zwischen dem Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit angeordnet und weist damit zwei Eingänge und zwei Ausgänge auf, sondern kann aus der Leistungsverteilereinheit heraus zugeschaltet werden und benötigt dazu nur noch drei Anschlüsse. Entsprechend ist damit eine direkte Verbindung zwischen dem Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit möglich. Dies entspricht der Funktion einer Bypass-Schaltung der Ladeeinheit, wobei diese dann nicht mehr über die Ladeeinheit erfolgt. Die Leistungsverteilereinheit enthält alle weiteren laderelevanten Komponenten, wie auch Komponenten eines sogenannten Hochvolt-Zwischenkreises mit beispielsweise Komponenten zum Zuschalten des Energiespeichers an das Hochvolt- Bordnetz. Die Ladeeinheit kann einen standardmäßigen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher als Aufwärtswandler ausgebildet ist, sodass ein Elektrofahrzeug (EV) mit einem Hochvolt-Bordnetz mit höherer Spannung, beispielsweise 800 V auch an einer DC-Ladestation mit niedriger Spannung, beispielsweise. 400 V geladen werden kann.
Die Verschaltung der Ladevorrichtung weist vor allem in der Kontaktierung und im Leitungssatz, vor allem bei Hochvolt-Leitungen, Vorteile auf. Mit der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung können die gleichen Funktionen realisiert werden wie bei einer üblichen Ladevorrichtung und dennoch beim einfachen Laden mit Gleichstrom (DC), bei dem die Ladespannung der Systemspannung des Bordnetzes, bzw. des Energiespeichers entspricht, eine direkte Verbindung zwischen Ladeanschluss und der Leistungsverteilereinheit genutzt werden. Dabei wird die Ladeeinheit nicht belastet. Der Ladestrom wird auch nicht über die Ladeeinheit geführt, was den Leitungssatz vereinfacht, weniger Kontaktstellen bedarf und somit auch besser bei der Wärmeentwicklung und Kühlung ist.
Vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung die Ladeeinheit mit einem Gleichspannungswandler als galvanisch gekoppelter Wandler in die bestehende Hochvolt-Bordnetzarchitektur integriert. Dabei kann beim Laden eines 800 V- Energiespeichers an einer 400 V-Ladesäule der serielle Ladepfad der Ladevorrichtung durch einen vorhandenen Schalter offen gelassen werden, so dass auf der Eingangsseite der Ladevorrichtung die erste Gleichspannung von 400 V der Ladesäule anliegen und am Ausgang der Leistungsverteilereinheit 800 V des Gleichspannungswandlers zum Laden des Energiespeichers zur Verfügung stehen. Die Werte von 800V und 400V sind hierbei natürlich Beispielwerte zur Verdeutlichung der Vorzüge und Vorteile der Erfindung und wie einem Fachmann auch bekannt ist, sind es nicht feste Werte, die dauerhaft anliegen, sondern hängen von dem Ladezustand des Energiespeichers beziehungsweise vom der Ladestation ab und liegen in einem weiten Spannungsband, das durch diese Werte symbolisiert sind.
Mit einer solchen Ladevorrichtung können üblicherweise zwischen Ladeanschluss und DC/DC-Ladeschützen vorgesehene zusätzliche DC-Schütze für eine Bypass-Schaltung des Gleichspannungswandlers eingespart werden.
Auf eine Änderung des Hochvolt-Serien-Leitungssatzes kann verzichtet werden.
Die Ladevorrichtung benötigt nur einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder (beispielsweise einen zweipoligen 500 A-Steckverbinder) für den Anschluss des Ladeanschlusses, während zum Anschluss der Ladeeinheit an die Leistungsverteilereinheit lediglich zwei dreipolige Steckverbinder für geringere Leistung (beispielsweise zwei dreipolige 125 A-Steckverbinder) benötigt werden.
Da kein elektrischer Bypass-Pfad beim Laden an einer 800 V-Ladesäule über die Ladeeinheit geführt werden muss, kann der Bypass-Schalter, beispielsweise ein Hochvolt- Schütz, eingespart werden. Der Bauraum kann verkleinert werden, da Hochstrom- Stromschienen wegfallen. Es tritt keine Erwärmung der Ladeeinheit auf Grund eines üblicherweise notwendigen Durchschleifens des Hochstrompfades als Bypass durch die Ladeeinheit auf. Die Ladeeinheit braucht nur auf geringere Ladeleistungen ausgelegt werden, sodass die Ladeeinheit kompakter und leichter aufgebaut werden kann. Ladeeinheit wie auch die in oder an der Ladeeinheit verbauten Schalter sowie Steckverbinder und Kabel brauchen nur auf den eigenen Nennstrom der Ladeeinheit ausgelegt werden.
Eine Konformität der Ladeeinheit zu aktuell bekannten Ladestandards kann dadurch gewährleistet werden.
Auch die Integration der Ladevorrichtung in das Fahrzeug vereinfacht sich, da die Ladevorrichtung nur einen Hochvolt-Anschluss an der Leistungsverteilereinheit sowie geringere Biegeradien der Hochvolt-Leitungen aufweist.
Das Einsparen zusätzlicher Steckverbinder und Hochvolt-Schütze führt zu einer signifikanten Kosten- und Gewichtseinsparung.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann vorteilhaft zum Laden eines elektrischen Energiespeichers elektrisch betreibbarer Fahrzeuge mit üblichen DC-Ladeverfahren, bzw. DC- Ladestandards eingesetzt werden, wie CCS Typ 1 oder CCS Typ 2 (CCS = „Combined Charging System“ als in Europa entwickelter Standard), das mit Typ2- Steckern ein Laden mit Gleichstrom und Wechselstrom erlaubt, CHAdeMO („Charge de Move“ als in Japan entwickelter Standard mit einer Ladeleistung meist bis 50 kW), GB/T (als in China entwickelter Standard).
Die Ladevorrichtung kann vorteilhaft auch mit zukünftigen Standards wie ChaoJi (für CHAdeMO-Standard 3.0 mit einer Ladeleistung bis 500 kW) und MegaWatt-Laden eingesetzt werden, welche mit Ladespannungen in Höhe der Hochvolt-Bordspannung auch nicht über die Ladeeinheit geführt werden muss und analog der Vorteile beim Laden an einer 800 V-Ladesäule somit auch keine Erwärmung der Ladeeinheit auf Grund eines üblicherweise notwendigen Durchschleifens des Hochstrompfades als Bypass durch die Ladeeinheit auftritt. Hierdurch weist die Ladevorrichtung nicht nur aktuell Vorteile beim Laden an 800 V-Ladesäulen und 400 V-Ladesäulen, sondern ist auch zukunftssicher bei kommenden Ladestandards anwendbar und bietet dabei ebenfalls die gleichen Vorteile.
Durch die Anordnung und Verschaltung der Ladeeinheit mit dem Gleichspannungswandler können insbesondere die neuen Elektrofahrzeuge mit einer Hochvolt- Bordspannung von mehr als 500 V, zum Beispiel 800 V, nicht nur an DC- Ladestationen mit ebenfalls der gleichen hohen Ladespannung direkt geladen werden, sondern auch abwärtskompatibel über die Ladeeinheit der Ladevorrichtung an Ladestationen mit geringerer Spannung, wie beispielsweise mit 400 V.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler ausgebildet sein. Günstigerweise kann so eine erste Gleichspannung von 400 V in eine zum Laden eines Energiespeichers mit einer Sollspannung von 800 V benötigte zweite Gleichspannung von 800 V umgewandelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem ersten Ladezustand, insbesondere, in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen sein und der dritte Schalter geöffnet sein. Dabei liegt die erste Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang des Leistungsverteilers an. Auf diese Weise kann die am Ladeanschluss anliegende Gleichspannung direkt auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit und damit an einen Eingang des Energiespeichers durchgeschaltet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der erste elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder aufweisen. Günstigerweise wird so zum Anschließen des Ladeanschlusses an die Leistungsverteilereinheit nur ein Kabel mit einem solchen Steckverbinder benötigt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit einen dreipoligen Steckverbinder aufweisen. Die Ladeeinheit kann so vorteilhaft über ein Kabel mit zwei dreipoligen Steckverbindern an die Leistungsverteilereinheit angeschlossen werden.
Alternativ kann hier auch ein zweipoliger Steckverbinder und ein einpoliger Steckverbinder vorgesehen sein, so dass es anstatt einem einstückigen Steckverbinder mit drei Polen, zwei Steckverbinder mit einmal zwei Polen und einmal einem Pol angeordnet sind. Hierbei können dann die beiden Steckverbinder getrennt über zwei eigenständige Verbindungsvorrichtungen, insbesondere zwei Kabel, miteinander verbunden werden oder auch über ein gemeinsames Kabel, auch als Kabelbaum, oder ein einzelnes Kabel dann mit zwei Anschlusseinrichtungen für die beiden Steckverbinder einmal mit einem Pol und einmal mit zwei Polen. In einer weiteren alternativen Ausführung kann der Anschluss auch als drei einzelne Steckverbinder mit je einem einzigen Pol vorgesehen sein, was aber etwas aufwendiger ist und auch durch die höhere Anzahl an Steckverbinder fehleranfälliger ist.
Vorteilhaft kann der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit und der dritte elektrische Anschluss der Ladeeinheit komplementär ausgeführt sein, so dass der zweite elektrische Anschluss der Leistungsverteilereinheit direkt ohne Verbindungseinrichtung mit dem dritten elektrischen Anschluss der Ladeeinheit verbindbar ist. Beispielsweise kann an der Leistungsverteilereinheit eine Buchse direkt am Gehäuse angeordnet sein und an der Ladeeinheit das dazu passende Gegenstück als Stecker direkt am Gehäuse angeordnet sein, so dass über die Stecker-Buchse- Verbindung an den beiden Gehäusen direkt eine Verbindung zwischen der Leistungsverteilereinheit und der Ladeeinheit hergestellt werden kann.
Auch anstatt eines Kabels als Verbindungvorrichtung zwischen den Steckverbindungen, egal ob bei einem Steckverbinder mit drei Polen oder bei zwei Steckverbinder mit einmal einem Pol und einmal zwei Polen, können Alternativen genutzt werden, was beispielsweise auch über Stromschienen, also feste vorgeformte Leitungseinrichtungen, erfolgen kann oder auch eine sogenannte Direktverbindung ist möglich. Bei einer Direktverbindung ist auf eine Verbindungsvorrichtung zwischen dem Steckverbinder der Ladeeinheit und dem Steckverbinder der Leistungsverteilereinheit ganz verzichtet und der Steckverbinder der Ladeeinheit ist mit dem Steckverbinder der Leistungsverteilereinheit direkt verbunden, also in einander eingesteckt. Dabei kann nicht nur auf eine Verbindungvorrichtung, insbesondere ein Kabel, verzichtet sein, was Gewicht und Kosten spart, sondern auch durch die geringere Anzahl an Kontakten eine Verbesserung der Leitfähigkeit und Reduktion an Fehlerquellen erreicht sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann an der Ladeeinheit ein dritter elektrischer Anschluss vorgesehen sein, der an den zweiten elektrischen Anschluss der Leistungsverteilereinheit angeschlossen ist. Insbesondere kann der dritte elektrische Anschluss einen dreipoligen Steckverbinder aufweisen. Die Ladeeinheit kann so vorteilhaft über ein Kabel mit zwei dreipoligen Steckverbindern an die Leistungsverteilereinheit angeschlossen werden.
Vorteilhaft werden so zum Anschließen des Ladeanschlusses an die Leistungsverteilereinheit nur ein zweipoliger Hochstrom-Steckverbinder und zum Anschluss der Ladeeinheit an die Leistungsverteilereinheit nur zwei dreipoligen Steckverbindern benötigt, welche für niedrigere Nennströme der Ladeeinheit ausgelegt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ladevorrichtung kann in dem zweiten Ladezustand der positive Pol der Pole des Ladeanschlusses einen gemeinsamen Bezug der am Ladeanschluss anliegenden ersten Gleichspannung und der an dem ersten Ausgang und dem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit anliegenden zweiten Gleichspannung darstellen. Mit einer solchen vorteilhaften Verschaltung ist es möglich, auf den Eingang der Ladeeinheit die erste Gleichspannung von 400 V zu schalten und vom Ausgang der Ladeeinheit die zweite Gleichspannung von 800 V auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit zu schalten. Günstigerweise kann diese Verschaltung über ein lediglich dreipoliges Kabel erfolgen. Alternativ beziehungsweise umgedeutet gilt gleiches ebenfalls für den negativen Pol der Pole.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs mit einer Ladevorrichtung wie oben beschrieben vorgeschlagen. Dabei umfasst das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte: Vergleichen einer maximalen Spannung, die die Ladesäule als erste Gleichspannung zur Verfügung stellen kann mit einer für das Laden des elektrischen Energiespeichers maximal erforderlichen Spannung als Sollspannung des elektrischen Energiespeichers.
Die maximale Spannung, die die Ladesäule als erste Gleichspannung zur Verfügung stellen kann, wird hierbei normalerweise beim Laden über eine Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule bestimmt oder ausgetauscht beziehungsweise vom Fahrzeug angefordert und von der Ladesäule übermittelt. Zudem kann die Spannung vor einem Schließen von Ladeschützen auch noch gemessen werden, um sicherzustellen, dass keine zu große Spannungsdifferenz zwischen der Ladespannung und einer Vorladung eines Hochvolt-Zwischenkreises vorhanden ist, um die Schütze beim Schließen nicht zu beschädigen.
Im Folgenden bezieht sich die erste Gleichspannung immer auf die maximal mögliche Spannung die die Ladesäule liefern kann und die Sollspannung auf die maximal erforderliche Spannung des elektrischen Energiespeichers, die zum Laden notwendig ist.
Für den Fall, dass die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Schließen eines ersten und eines zweiten Schalters einer Leistungsverteilereinheit zum Verbinden des Ladeanschlusses mit einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit; Schalten der ersten Gleichspannung an den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang über den ersten und zweiten Schalter; Laden des elektrischen Energiespeichers mit der ersten Gleichspannung.
Für den Fall, dass die erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Schließen des ersten Schalters zum Verbinden eines ersten Pols des Ladeanschlusses mit dem ersten Ausgang des elektrischen Energiespeichers und einem ersten Ausgang einer Ladeeinheit; Öffnen des zweiten Schalters der Leistungsverteilereinheit und Verbinden eines Eingangs der Ladeeinheit mit einem zweiten Pol des Ladeanschlusses; Schließen eines dritten Schalters der Ladeeinheit zum Verbinden des Eingangs der Ladeeinheit mit einem Eingang eines Gleichspannungswandlers der Ladeeinheit; Schalten einer durch die Ladeeinheit umgewandelten zweiten Gleichspannung an den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang der Leistungsverteilereinheit; Laden des elektrischen Energiespeichers mit der zweiten Gleichspannung.
Vorteilhaft kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Ladezustand, in dem die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, die am Ladeanschluss anliegende erste Gleichspannung direkt an die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit durchgeschaltet werden. Damit kann ein mit den Ausgängen elektrisch verbundener Energiespeicher mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
Weiter kann in einem zweiten Ladezustand, in dem die erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers ist, die erste Gleichspannung auf den Eingang der Ladeeinheit geschaltet werden. Weiter wird durch Öffnen des zweiten Schalters der Leistungsverteilereinheit die Verbindung des Ladeanschlusses zum Ausgang der Leistungsverteilereinheit unterbrochen. In der Ladeeinheit wird die erste Gleichspannung durch einen Gleichspannungswandler in eine zweite höhere Gleichspannung gewandelt, welche dann über die Ausgänge der Ladeeinheit auf die Ausgänge der Leistungsverteilereinheit geschaltet wird. Damit kann ein mit den Ausgängen elektrisch verbundener Energiespeicher mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den
Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Systemübersicht der Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in einer schematischen Darstellung; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Figur 1 zeigt eine Systemübersicht der Ladevorrichtung 100 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 60 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Ladevorrichtung 100 umfasst einen Ladeanschluss 50 zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung 100 mit einer externen, nicht dargestellten Spannungsversorgung, eine Ladeeinheit 10 zum Umwandeln einer am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers 60 vorgesehen ist, sowie eine Leistungsverteilereinheit 30 mit einem ersten und einem zweiten Ausgang 36, 38 zum Bereitstellen der am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit 10 umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen 36, 38 angeschlossenen elektrischen Energiespeicher 60.
Der Energiespeicher 60 ist in der in der Figur dargestellten Ausführungsform direkt an die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 angeschlossen und umfasst eine Reihe von Batteriezellen 66, die nur schematisch mit einem Batteriesymbol angedeutet sind und welche zum Laden über zwei Schütze 62, 64 zugeschaltet werden.
Generell können die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 mit weiteren, nicht dargestellten, laderelevanten Komponenten eines Hochvolt-Zwischenkreises eines Hochvolt-Bordnetzes des Fahrzeugs, wie beispielsweise weitere Schalter, verbunden sein.
Die Leistungsverteilereinheit 30 weist einen ersten elektrischen Anschluss 52 für den Ladeanschluss 50 und einen zweiten elektrischen Anschluss 56 für die Ladeeinheit 10 auf.
Weiter weist die Leistungsverteilereinheit 30 Schalter 32, 34 auf, mit welchen in einem ersten Ladezustand durch Schließen der Schalter 32, 34 der Ladeanschluss 50 auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 geschaltet werden kann. In dem ersten Ladezustand ist damit eine am Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet.
Die Ladeeinheit 10 weist einen Anschluss 54 auf, über weichen ein Eingang 24 und zwei Ausgänge 20, 22 der Ladeeinheit 10 mit dem Anschluss 56 der Leistungsverteilereinheit 30 kontaktiert werden können. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist mit einem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verschaltet. Ein Schalter 18 ist in der Ladeeinheit 10 vorgesehen, der den Eingang 24 der Ladeeinheit 10 an einen Eingang 26 eines Gleichspannungswandlers 12 der Ladeeinheit 10 durchschaltet. Der Gleichspannungswandler 12 ist als Aufwärtswandler ausgebildet und weist an seinem Eingang eine Eingangskapazität 14 und an seinem Ausgang eine Ausgangskapazität 16 auf. Durch die Verbindung des Ausgangs 20 der Ladeeinheit 10 mit der Ausgangskapazität 16 und der Eingangskapazität 14 ist der Ausgang 20 gleichzeitig auch als ein Eingang der Ladeeinheit 10 genutzt. Es handelt sich hier im Ausführungsbeispiel um einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler 12, mit einer Kopplung im oberen Pfad, also im Pluspfad, mit den Ausgängen 20, 22 und dem Eingang 24 und dem Ausgang 20 als gleichzeitigen weiteren Eingang.
In dem ersten Ladezustand, in dem insbesondere die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss 50 größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, sind der erste Schalter 32 und der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 geschlossen und der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 geöffnet. Damit liegt die erste Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 des Leistungsverteilers 30 an und der Energiespeicher 60 kann mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
In einem zweiten Ladezustand ist der erste Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 auf einen der Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30, bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 auf den ersten Ausgang 36 geschaltet. Der zweite Ausgang 22 der Ladeeinheit 10 ist auf den anderen der Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30, in Figur 1 auf den zweiten Ausgang 38 geschaltet. Dieser Pfad kann, wie dargestellt, mit einer optionalen Sicherung 46 abgesichert sein.
In dem zweiten Ladezustand, in dem insbesondere die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss 50 kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, wird der erste Schalter 32 geschlossen und damit der erste Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 über den geschlossenen ersten Schalter 32 der Leistungsverteilereinheit 30 mit dem ersten Pol 40 des Ladeanschlusses 50 sowie direkt mit dem ersten Ausgang 36 der Leistungsverteilereinheit 30 verschaltet. Der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 bleibt offen.
Der zweite Ausgang 22 der Ladeeinheit 10 ist mit dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 fest verschaltet. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist damit mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden. Der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 wird geschlossen. Damit ist der Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden.
In dem zweiten Ladezustand liegt somit die an dem Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung direkt an dem Gleichspannungswandler 12 an und kann von diesem in eine zweite Gleichspannung umgewandelt werden, welche dann auf den ersten und zweiten Ausgang 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet wird. Damit kann der Energiespeicher 60 mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
Der positive der beiden Pole 40, 42 des Ladeanschlusses 50, hier Pol 40, stellt damit in dem zweiten Ladezustand einen gemeinsamen Bezug der am Ladeanschluss 50 anliegenden ersten Gleichspannung und der an dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 anliegenden zweiten Gleichspannung dar. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Verschaltung der Ladeeinheit 10 mit der Leistungsverteilereinheit 30 mittels dreipoliger Anschlüsse 54, 56 durchzuführen. Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 100 kann beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher 60 mit einer Sollspannung von mehr als 500 V, zum Beispiel 800 V, auch an einer Ladesäule mit einer Ausgangsspannung von weniger als 500 V, zum Beispiel 400 V geladen werden.
Stehen am Ladeanschluss 50 als erste Gleichspannung 800 V zur Verfügung, kann die erste Gleichspannung im ersten Ladezustand direkt auf die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 durchgeschaltet und der Energiespeicher 60 mit hohem Strom, beispielsweise 500 A, geladen werden. Der erste elektrische Anschluss 52 der Leistungsverteilereinheit 30 weist dazu einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder auf.
Stehen am Ladeanschluss 50 als erste Gleichspannung jedoch nur 400 V zur Verfügung, wird die erste Gleichspannung nicht direkt durchgeschaltet, sondern auf den Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 gegeben, welcher die erste Gleichspannung von 400 V in eine zweite Gleichspannung von 800 V umwandelt. Diese zweite Gleichspannung von 800 V wird dann auf die Ausgänge 36, 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet und damit der Energiespeicher 60 geladen. Dieser Ladevorgang kann vorteilhaft mit niedrigerem Strom, beispielsweise 125 A für eine Ladeleistung von 50 kW, durchgeführt werden, sodass die beiden Steckverbinder 54, 56 zwischen Ladeeinheit 10 und Leistungsverteilereinheit 30 lediglich dreipolige Steckverbinder für den niedrigeren Nennstrom des Gleichspannungswandlers 12 aufweisen müssen.
Figur 2 zeigt ein Fahrzeug 200 mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 100 in einer schematischen Darstellung. Das Fahrzeug 200 ist in einer Draufsicht dargestellt. In der Figur an der Seite hinten rechts im Fahrzeug 200 ist der Ladeanschluss 50 eingezeichnet, der wiederum mit der Leistungsverteilereinheit 30 elektrisch verbunden ist. Die Leistungsverteilereinheit 30 weist elektrische Verbindungen zu der Ladeeinheit 10 und dem elektrischen Energiespeicher 60 auf.
In Figur 3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 60 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 200 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Das Verfahren startet damit, dass eine an dem Ladeanschluss 50 anliegende erste Gleichspannung in Schritt S100 bestimmt wird und in Schritt S102 mit einer Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 verglichen wird. Die Bestimmung der anliegenden ersten Gleichspannung findet normalerweise anhand einer Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule statt, bei der die Ladesäule die maximal zur Verfügung stellbare Spannung als erste Gleichspannung dem Fahrzeug übermittelt.
Für den Fall, dass die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, also beispielsweise die am Ladeanschluss 50 verfügbare erste Gleichspannung 800 V bei einer Sollspannung des Energiespeichers 60 von ebenfalls 800 V beträgt, wird in Schritt S104 der erste und der zweite Schalter 32, 34 der Leistungsverteilereinheit 30 zum Verbinden des Ladeanschlusses 50 mit dem ersten Ausgang 36 und dem zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschlossen.
Die erste Gleichspannung wird damit in Schritt S106 über den ersten und zweiten Schalter 32, 34 an den ersten Ausgang 36 und den zweiten Ausgang 38 geschaltet.
Damit kann in Schritt S108 der elektrische Energiespeicher 60 mit der ersten Gleichspannung geladen werden.
Für den Fall, dass die verfügbare erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers 60 ist, also beispielsweise die am Ladeanschluss 50 verfügbare erste Gleichspannung 400 V bei einer Sollspannung des Energiespeichers von 800 V beträgt, wird in Schritt S110 der erste Schalter 32 zum Verbinden des ersten Pols 40 des Ladeanschlusses 50 mit dem ersten Ausgang 36 des elektrischen Energiespeichers und dem ersten Ausgang 20 der Ladeeinheit 10 geschlossen.
In Schritt S112 bleibt der zweite Schalter 34 der Leistungsverteilereinheit 30 geöffnet. Der Eingang 24 der Ladeeinheit 10 ist mit dem zweiten Pol 42 des Ladeanschlusses 50 verbunden. Sollte der zweite Schalter 34 im Vorfeld zu diesem Verfahren durch eine anderen Schritt geschlossen worden sein, wird der geschlossene Schalter 34 im Schritt S112 geöffnet.
In Schritt S114 wird der dritte Schalter 18 der Ladeeinheit 10 zum Verbinden des Eingangs 24 der Ladeeinheit 10 mit dem Eingang 26 des Gleichspannungswandlers 12 der Ladeeinheit 10 geschlossen.
Damit wird in Schritt S116 die durch die Ladeeinheit 10 umgewandelte zweite Gleichspannung an den ersten Ausgang 36 und den zweiten Ausgang 38 der Leistungsverteilereinheit 30 geschaltet. Damit kann in Schritt S118 der elektrischen Energiespeicher 60 mit der zweiten Gleichspannung geladen werden.
Bezugszeichenliste
10 Ladeeinheit
12 Gleichspannungswandler
14 Eingangskapazität
16 Ausgangskapazität
18 Schalter
20 Erster Ausgang Ladeeinheit
22 Zweiter Ausgang Ladeeinheit
24 Eingang Ladeeinheit
26 Eingang Gleichspannungswandler
30 Leistungsverteilereinheit
32 Schalter
34 Schalter
36 Erster Ausgang Leistungsverteilereinheit
38 Zweiter Ausgang Leistungsverteilereinheit
40 Erster Pol
42 Zweiter Pol
46 Sicherung
50 Ladeanschluss
52 Hochstrom-Steckverbinder
54 Steckverbinder
56 Steckverbinder
60 Energiespeicher
62 Schalter
64 Schalter
66 Batteriezellen
100 Ladevorrichtung
200 Fahrzeug

Claims

Patentansprüche Ladevorrichtung (100) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (60) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs (200), mit einem Ladeanschluss (50) zum elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung (100) mit einer externen Spannungsversorgung, einer Ladeeinheit (10) zum Umwandeln einer am Ladeanschluss (50) anliegenden ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung, welche zum Laden des elektrischen Energiespeichers (60) vorgesehen ist, einer Leistungsverteilereinheit (30) mit einem ersten und einem zweiten Ausgang (36, 38) zum Bereitstellen der am Ladeanschluss (50) anliegenden ersten Gleichspannung und/oder der von der Ladeeinheit (10) umgewandelten zweiten Gleichspannung an den an den Ausgängen (36, 38) angeschlossenen elektrischen Energiespeicher (60), wobei die Leistungsverteilereinheit (30) einen ersten elektrischen Anschluss (52) für den Ladeanschluss (50) und einen zweiten elektrischen Anschluss (56) für die Ladeeinheit (10) aufweist und wobei die Leistungsverteilereinheit (30) Schalter (32, 34) aufweist, mit welchen in einem ersten Ladezustand der Ladeanschluss (50) auf den ersten und zweiten Ausgang (36, 38) geschaltet ist, und in einem zweiten Ladezustand ein erster Ausgang (20) der Ladeeinheit (10) auf einen der Ausgänge (36, 38) der Leistungsverteilereinheit (30) und ein zweiter Ausgang (22) der Ladeeinheit (10) auf den anderen der Ausgänge (36, 38) der Leistungsverteilereinheit (30) geschaltet ist, dadruch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Ladezustand, insbesondere, in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss (50) kleiner als eine Sollspannung des elektrischen Energiespeichers (60) ist, der erste Ausgang (20) der Ladeeinheit (10) über den ersten Schalter (32) der Leistungsverteilereinheit (30) mit einem ersten Pol (40) des Ladeanschlusses (50) sowie direkt mit dem ersten Ausgang (36) der Leistungsverteilereinheit (30) verschaltet ist, wobei durch eine Verbindung des ersten Ausgangs (20) der Ladeeinheit (10) mit einer Ausgangskapazität (16) und einer Eingangskapazität (14), der erste Ausgang (20) der Ladeeinheit (10) gleichzeitig auch als ein Eingang der Ladeeinheit (10) genutzt ist, der zweite Ausgang (22) der Ladeeinheit (10) mit dem zweiten Ausgang (38) der Leistungsverteilereinheit (30) verschaltet ist, ein Eingang (24) der Ladeeinheit (10) mit einem zweiten Pol (42) des Ladeanschlusses (50) verschaltet ist, wobei ein Schalter (18) in der Ladeeinheit (10) vorgesehen ist, der den Eingang (24) der Ladeeinheit (10) an einen Eingang (26) eines Gleichspannungswandlers (12) der Ladeeinheit (10) durchschaltet. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Gleichspannungswandler (12) als Aufwärtswandler ausgebildet ist. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem ersten Ladezustand, insbesondere, in dem die erste Gleichspannung an dem Ladeanschluss (50) größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers (60) ist, der erste Schalter (32) und der zweite Schalter (34) geschlossen sind und der dritte Schalter (18) geöffnet ist, wobei die erste Gleichspannung zwischen dem ersten Ausgang (36) und dem zweiten Ausgang (38) des Leistungsverteilers (30) anliegt. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektrische Anschluss (52) der Leistungsverteilereinheit (30) einen zweipoligen Hochstrom-Steckverbinder aufweist. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite elektrische Anschluss (56) der Leistungsverteilereinheit (30) einen dreipoligen Steckverbinder oder zwei Steckverbinder, mit einmal einem Pol und einmal zwei Polen, aufweist. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Ladeeinheit (10) ein dritter elektrischer Anschluss (54) vorgesehen ist, der an den zweiten elektrischen Anschluss (56) der Leistungsverteilereinheit (30) angeschlossen ist, insbesondere wobei der dritte elektrische Anschluss (54) einen dreipoligen Steckverbinder oder zwei Steckverbinder, mit einmal einem Pol und einmal zwei Polen, aufweist. Ladevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Anschluss (56) der Leistungsverteilereinheit (30) und der dritte elektrische Anschluss (54) der Ladeeinheit (10) komplementär ausgeführt sind, so dass der zweite elektrische Anschluss (56) der Leistungsverteilereinheit (30) direkt ohne Verbindungseinrichtung mit dem dritten elektrischen Anschluss (54) der Ladeeinheit (10) verbindbar ist. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Ladezustand der positive Pol (40) der Pole (40, 42) des Ladeanschlusses (50) einen gemeinsamen Bezug der am Ladeanschluss (50) anliegenden ersten Gleichspannung und der an dem ersten Ausgang (36) und dem zweiten Ausgang (38) der Leistungsverteilereinheit (30) anliegenden zweiten Gleichspannung darstellt. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (60) eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs (200) mit einer Ladevorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens umfassend die Schritte
- Vergleichen einer an einem Ladeanschluss (50) zur Verfügung stellbaren ersten Gleichspannung mit einer Sollspannung des elektrischen Energiespeichers (60);
- Für den Fall, dass die erste Gleichspannung größer oder gleich der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers (60) ist, o Schließen eines ersten und eines zweiten Schalters (32, 34) einer Leistungsverteilereinheit (30) zum Verbinden des Ladeanschlusses (50) 21 mit einem ersten Ausgang (36) und einem zweiten Ausgang (38) der Leistungsverteilereinheit (30); o Schalten der ersten Gleichspannung an den ersten Ausgang (36) und den zweiten Ausgang (38) über den ersten und zweiten Schalter (32, 34); o Laden des elektrischen Energiespeichers (60) mit der ersten Gleichspannung;
- Für den Fall, dass die erste Gleichspannung kleiner als die Sollspannung des elektrischen Energiespeichers (60) ist, o Schließen des ersten Schalters (32) zum Verbinden eines ersten Pols (40) des Ladeanschlusses (50) mit dem ersten Ausgang (36) des elektrischen Energiespeichers und einem ersten Ausgang (20) einer Ladeeinheit (10); o Offen halten oder öffnen des zweiten Schalters (34) der Leistungsverteilereinheit (30) und Verbinden eines Eingangs (24) der Ladeeinheit (10) mit einem zweiten Pol (42) des Ladeanschlusses (50); o Schließen eines dritten Schalters (18) der Ladeeinheit (10) zum Verbinden des Eingangs (24) der Ladeeinheit (10) mit einem Eingang (26) eines Gleichspannungswandlers (12) der Ladeeinheit (10); o Schalten einer durch die Ladeeinheit (10) umgewandelten zweiten Gleichspannung an den ersten Ausgang (36) und den zweiten Ausgang (38) der Leistungsverteilereinheit (30); o Laden des elektrischen Energiespeichers (60) mit der zweiten Gleichspannung.
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