WO2024114981A1 - Ladegerät zum aufladen einer batterie eines fahrzeugs und verfahren zum betrieb des ladegerätes - Google Patents

Abstract

Ladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs, mit einer Eingangsschaltung (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss (300) und mit einem bidirektionalen Gleichspannungswandler (450), der dazu eingerichtet ist, an einem ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers (450) anschließbaren Hochvoltnetz (400) eine Ladespannung bereitzustellen, wobei ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers (450) eine Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung (452) für das Ladegerät (500) angeschlossen ist, zur Versorgung der Steuereinrichtung (452) aus dem anschließbaren Hochvoltnetz (400).

Description

Beschreibung

Titel

Ladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs und Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem Ladegerät, ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium.

Stand der Technik

Ladegeräte für ein Fahrzeug oder Verfahren zum Betrieb eines Ladegerätes, beispielsweise in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dienen zum Nachladen von Batterien, bevorzugt Akkumulatoren oder Traktionsbatterien, aus einer elektrischen Energiequelle, bevorzugt einer externen Wechselstromquelle oder dem öffentlichen Wechselstromnetz. Dabei wandelt das Ladegerät einen sinusförmigen Wechselstrom der externen Energiequelle in einen Gleichstrom um.

Ladegeräte weisen bevorzugt eine zweistufige Leistungselektronik auf. Eine erste Stufe, die so genannte Power-Factor-Correction-Stufe, die PFC-Stufe, wandelt die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung. Eine zweite Stufe besteht aus einem Gleichspannungswandler oder DC/DC Wandler, der eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt und die Spannungsebenen anpasst. Bevorzugt wird mittels einer elektrischen Schaltung und einer Regelung die Ausgangsspannung und/ oder der Ausgangsstrom zum Aufladen der Batterie eingestellt. Zwischen beiden Stufen ist ein Zwischenkondensator angeordnet, der die Leistungspulsation in der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Energiequelle puffert. Dieser Zwischenkreis kann mittels mindestens einem Elektrolytkondensator realisiert sein. Diese Topologien ermöglichen die Aufrechterhaltung eines nahezu sinusförmigen Eingangsstroms auf der Netzseite zur Erfüllung netzseitiger Normen, eine galvanische Trennung zwischen Netz und Fahrzeug zur Erfüllung von Sicherheitsanforderungen und eine Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms auf der Seite der Batterie, um die Belastung der Batterie im Ladebetrieb zu minimieren.

In einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb ist die Batterie weiter mit einem Wechselrichter verbunden zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschine mit Energie. Parallel zum Wechselrichter ist meist ein Gleichspannungswandler angeschlossen, zur Versorgung eines Niederspannungsnetzes, oder eines Bordnetzes, des Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte mit Energie. Nicht zuletzt zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen umfasst ein Verbraucher in einem Hochvoltnetz, wie ein Wechselrichter, ein DC/DC Wandler oder Gleichspannungswandler, zwischen den Hochvoltanschlüssen Kondensatoren, die während des Betriebes auftretende rasche Änderungen der Hochvoltspannung filtern.

Bei einem Unfall oder vor der Durchführung einer Reparatur an dem Fahrzeug muss die elektrische Ladung in den Kondensatoren des Hochvolt- oder Hochspannungsnetz des Fahrzeugs zuverlässig entladen werden, damit bei Berührung von oder Kontakt mit Leitungen oder Komponenten des Hochspannungsnetzes eine Personengefährdung zuverlässig ausgeschlossen ist. Wie aus der Druckschrift EP 2 516 197 B1 bekannt, sind meist in einzelnen Komponenten des Hochvoltnetzes, bspw. in Wechselrichtern, entsprechende Entladeschaltungen dezentral vorgesehen. Die Entladeschaltungen umfassen hierzu zusätzliche Bauteile, die den benötigten Bauraum und das Gewicht nachteilig vergrößern. Daher besteht Bedarf an Lösungen, die derartige Entladeschaltungen zumindest zum Teil zentralisieren, zum Teil oder vollständig ersetzen oder die Entladung des Hochvoltnetzes beschleunigen.

Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft ein Ladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs. Das Ladegerät umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung mit n- Phasen, wobei n größer gleich 1 ist, und eine daran angeschlossene Eingangsschaltung zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem mindestens zweipoligen Zwischenanschluss. Eine derartige Eingangsschaltung umfasst eine Gleichrichterschaltung zur Wandlung der eingangsseitigen Wechselspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung. Bevorzugt umfasst die Eingangsschaltung dabei auch eine PFC-Stufe. Eine bevorzugte Topologie für eine derartige Eingangsschaltung ist eine 3L TNPC, eine Vienna Rectifier oder eine (totem-Pole) PFC- Schaltung. Zwischen den positiven Zwischenanschluss und den negativen Zwischenanschluss ist mindestens ein Zwischenkondensator geschaltet. Ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ist eingangsseitig an den Zwischenanschluss angeschlossen. Der bidirektionale Gleichspannungswandler ist dazu eingerichtet ist, in einem Ladebetrieb die an dem Zwischenanschluss anliegende Gleichspannung in eine Ladespannung zu wandeln und an einem ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anschließbaren Hochvoltnetz bereitzustellen, bevorzugt an einer anschließbaren Batterie bereitzustellen. Das Hochvoltnetz, oder ein mit dem Hochvoltnetz verbundener Verbraucher, umfasst mindestens einen Hochvoltkondensator, der zwischen die Potentiale des anschließbaren Hochvoltnetzes geschaltet ist. Weiter umfasst das Ladegerät eine Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers eingerichtet ist. Bevorzugt umfasst dabei die Ansteuerung die Regelung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers, die Ansteuerung der Leistungsschalter des Gleichspannungswandlers und/ oder die Durchführung von Diagnosen und Diagnoseverfahren des Gleichspannungswandlers. Ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers ist eine Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung angeschlossen oder geschaltet. Bevorzugt ist die interne Versorgungsspannung eine Betriebsspannung für die Steuereinrichtung. Die interne Versorgungsspannung entspricht bevorzugt einer Bordnetzspannung eines Fahrzeugs und beträgt beispielsweise 5, 12, 24 oder 48 Volt. Bevorzugt wird mittels der internen Versorgungsspannung eine Redundanz für eine externe Versorgungsspannung bereitgestellt. Bevorzugt entsprechen folglich die elektrischen Parameter der internen Versorgungsspannung denen einer möglichen externen Versorgungsspannung. Die Schaltungseinrichtung ist dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Bevorzugt ist die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung in einem Entladebetrieb aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Entsprechend wird für die Entladung der Kapazitäten im Hochvoltnetz die Energie aus dem Hochvoltnetz genutzt zur Erzeugung der internen Versorgungsspannung mittels der Schaltungseinrichtung für die Steuereinrichtung.

Bevorzugt umfasst das Ladegerät einen Terminalanschluss, zum Anschluss einer externen Versorgungsspannung zur Versorgung der Steuereinrichtung in dem Ladegerät. Bevorzugt ist die externe Versorgungsspannung eine Betriebsspannung für die Steuereinrichtung. Die externe Versorgungsspannung entspricht bevorzugt einer Bordnetzspannung eines Fahrzeugs und beträgt beispielsweise 5, 12, 24 oder 48 Volt.

Somit wird ein Ladegerät bereitgestellt, welches eine Schaltungseinrichtung umfasst, welche aus einer ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung eine interne Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung des Ladegerätes erzeugt. Folglich ist die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Dabei wird eine ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegende elektrische Ladung zumindest teilweise reduziert oder es werden Ladung speichernde Kapazitäten, bevorzugt aus dem anschließbaren Hochvoltnetz, entladen. Bevorzugt ist die anliegende elektrische Ladung in mindestens einer Kapazität, in einem Hochvoltkondensator des anschließbaren Hochvoltnetzes oder in mindestens einer Kapazität einer Komponente des anschließbaren Hochvoltnetzes gespeichert. Bevorzugt wird die Steuereinrichtung in einem Entladebetrieb mittels der Schaltungseinrichtung zum Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung versorgt. Die Versorgung der Steuereinrichtung erfolgt aus der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung. Bevorzugt erfolgt dies in Abhängigkeit eines Signals oder Fehlersignals, welches ein Entladen der hochvoltführenden Bauteile des Ladegerätes oder des Hochvoltnetzes anfordert. Bevorzugt wird dieses Signal innerhalb des Ladegerätes ermittelt oder von einem externen Steuergerät des Fahrzeugs ermittelt und von dem Ladegerät, bevorzugt der Steuereinrichtung, empfangen. Bevorzugt wird dieses Signal ermittelt, erzeugt und versendet in Abhängigkeit einer Fehlfunktion, eines Fehlers im Bereich der externen Versorgungsspannung, eines Kurzschlusses, eines Isolationsfehlers, einer Diagnose, einer Durchführung einer Reparatur, eines Abstellens oder Parkens des Fahrzeugs oder der Detektion, dass ein Stecker, bevorzugt ein Signalstecker, nicht am Ladegerät angesteckt ist In einem Entladebetrieb steuert die Steuereinrichtung den Gleichspannungswandler derart an, dass die ausgangsseitig anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss transportiert wird und somit der Zwischenkondensator aufgeladen wird. Zur Gewährleistung der Funktionalität, selbst bei einem Fehler im Bereich der externen Versorgungsspannung, bevorzugt am Terminalanschluss, wird in dem Entladebetrieb die Steuereinrichtung des Ladegeräts über die Schaltungseinrichtung aus der ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anliegenden elektrischen Ladung mittels der internen Versorgungsspannung versorgt.

Vorteilhaft wird ein Ladegerät bereitgestellt, welches ein zuverlässiges Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes ermöglicht. Hierzu wird in dem Entladebetrieb mittels Rückwärtsbetrieb des bidirektionalen Gleichspannungswandlers des Ladegerätes die ausgangsseitig anliegende Ladung auf die Eingangsseite übertragen und damit der Zwischenkondensator aufgeladen. Darüber hinaus wird über die Bereitstellung einer internen Versorgungsspannung die Zuverlässigkeit des Ladegerätes, bevorzugt für den Entladebetrieb, erhöht.

Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein ein- oder mehrphasiges, bevorzugt dreiphasiges, Wechselspannungsnetz, bevorzugt des öffentlichen Niederspannungsnetzes, bevorzugt zur Versorgung von Haushalten, Industrie und/ oder Infrastruktur. Bevorzugt ist dies in einer nordamerikanischen Region oder japanischen Region ein einphasiges Wechselspannungsnetz mit 120 oder 240 Volt. Bevorzugt ist dies in einer chinesischen oder europäischen Region ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit ungefähr 230 Volt. Für den Ladebetrieb des Ladegerätes wird das Ladegerät bevorzugt mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz über die n-phasige Eingangsanschlusseinheit verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Bevorzugt umfasst die n- phasige Eingangsanschlusseinheit einen Neutralleiteranschluss zum Anschließen eines Neutralleiters des anzuschließenden Wechselspannungsnetzes. Eine zu ladende Batterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Eine Gleichrichtungsschaltung ist bevorzugt ein Gleichrichter zur Wandlung des Wechselstroms in einen Gleichstrom. Ein High-Side-Schalter oder ein Low- Side-Schalter einer Halbleiterbrücke ist bevorzugt ein Leistungshalbleiterschalter, welcher bevorzugt eine intrinsische oder extrinsische Diode umfasst, bevorzugt ist es ein IGBT oder MOSFET, bevorzugt basierend auf Si, SiC oder GaN-Tech- nologie. Bevorzugt bedeutet die Formulierung, Verbinden von bspw. einem Mittenabgriff mit einer Anschlussleitung, das Anschließen, Kontaktieren oder Verbinden der Bauteile mittels einer elektrisch leitfähigen Leitung oder einer galvanischen Verbindung. Die Formulierung sperren, verhindern, entkoppeln oder einen Stromfluss unterbinden bedeutet das Auftrennen einer elektrisch leitfähigen Leitung oder Verbindung. Bevorzugt wird die Formulierung geschaltet gleichbedeutend mit elektrisch verbunden verwendet, wobei schaltbar verbunden bedeutet, dass eine elektrische Verbindung, bevorzugt mittels eines Schalters oder Schaltelementes, herstellbar oder trennbar ist. Bevorzugt wird die Formulierung angeordnet verwendet um die Position einer elektrischen Komponente, bevorzugt eines Schalters oder Schaltelementes, innerhalb der Schaltungstopologie zu definieren, wobei dies eine elektrische Verbindung mit den daneben angeordneten elektrischen Komponenten umfasst.

In einer Ausgestaltung wird die Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung bei Nichtverfügbarkeit der anschließbaren externen Versorgungsspannung betrieben.

Eine Nichtverfügbarkeit der anschließbaren externen Versorgungsspannung kann unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise kann ein Fehler im Bordnetzsystem des Fahrzeugs vorliegen, die Energieversorgung im Bordnetzsystem ist gestört oder die Kabel- oder Steckerverbindung kann mechanisch zerstört sein. Durch den Betrieb der Schaltungseinrichtung wird vorteilhaft die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Entladefunktion des Ladegerätes erhöht. In einer Ausgestaltung umfasst die Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung eine Schaltung zur Erzeugung mindestens einer Hilfsspannung. Bevorzugt wird mittels der Hilfsspannung die Steuereinrichtung des Ladegerätes versorgt, bevorzugt die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Gleichspannungswandlers. Bevorzugt wird eine Vielzahl an Hilfsspannungen erzeugt zur Versorgung der unterschiedlichen Spannungsverbraucher innerhalb des Ladegerätes, bevorzugt Controllerschaltungen, Treiber-Schaltungen, die Leistungsschalter des Ladegerätes oder Diagnoseschaltungen.

Vorteilhaft wird ein Ladegerät mit einer Schaltungseinrichtung zur Versorgung mindestens einer Steuereinrichtung bereitgestellt.

In einer Ausgestaltung umfasst die Schaltungseinrichtung zur Erzeugung der internen Versorgungsspannung mindestens einen, bevorzugt potentialgetrennten, zweiten Gleichspannungswandler.

Vorteilhaft wird ein Ladegerät mit einer Schaltungseinrichtung bereitgestellt, die einen sicheren Betriebs des Fahrzeugs ermöglicht.

In einer Ausgestaltung umfasst der bidirektionale Gleichspannungswandler mindestens eine LLC, CLLC, oder Dual Active Bridge Schaltung. Ebenso kann eine Schaltungstopologie des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit oder ohne galvanischer Trennung in Abhängigkeit der Rahmenbedingung der Anwendung verwendet werden.

Vorteilhaft werden geeignete Schaltungstypen zur Verwendung in einem bidirektionalen Gleichspannungswandler bereitgestellt.

Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Ladegerät, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Traktionsbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst. Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einem Ladegerät bereitgestellt, welcher dazu eingerichtet ist, mittels des Ladegerätes in einem Entladebetrieb die Kapazitäten oder Kondensatoren des an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes zu entladen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.

Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebstrang mit einer verbesserten Entladefunktionalität bereitgestellt.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes. Das Verfahren umfasst den Schritt: Betreiben der Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung während eines Entladebetriebes.

Bevorzugt nach dem Empfangen eines Signals oder Fehlersignals zum Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung versorgt die Schaltungseinrichtung die Steuereinrichtung mit elektrischer Energie. Bevorzugt erfolgt weiter ein Ansteuern des Gleichspannungswandlers mittels der Steuereinrichtung in einem Entladebetrieb derart, dass die ausgangsseitig anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss transportiert wird und der Zwischenkondensator aufgeladen wird.

Vorteilhaft wird ein Verfahren zum Betrieb des Ladegerätes bereitgestellt, welches ein zentrales Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes ermöglicht. Hierzu wird zunächst die Ladung aus dem Hochvoltnetz in den Zwischenkondensator übertragen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.

Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen. Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Ladegerätes entsprechend auf den Antriebsstrang, das Fahrzeug bzw. auf das Verfahren und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät mit einer Steuereinrichtung.

Figur 2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,

Figur 3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt ein Ladegerät 500, bevorzugt zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs. Das Ladegerät 500 umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer beispielhaft dargestellten dreiphasigen Wechselspannung, eine Eingangsschaltung 200 zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem mindestens zweipoligen Zwischenanschluss 300. Zwischen den positiven Zwischenanschluss 310 und den negativen Zwischenanschluss 320 ist mindestens ein Zwischenkondensator CZ geschaltet. Weiter ist an den Zwischenanschluss 300 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 450 angeschlossen. Die Gleichspannung an dem Zwischenanschluss 300, die eingangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegt, wird in einem Ladebetrieb in eine Ladespannung gewandelt und ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 bereitgestellt, zum Versorgen eines ausgangsseitig an den Gleichspannungswandler 450 anschließbaren Hochvoltnetzes 400 und/ oder zum Laden einer ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anschließbaren Batterie 470, bevorzugt einer Traktionsbatterie oder Hochvolt- Batterie. Das Hochvoltnetz 400 umfasst mindestens einen Hochvoltkondensator CHV, eine Kapazität im Hochvoltnetz 400. Der Hochvoltkondensator CHV ist beispielhaft für mindestens eine der Kapazitäten der an dem Hochvoltnetz 400 angeschlossenen Komponenten dargestellt. Bevorzugt umfasst das Hochvoltnetz 400 mehrere Verbraucher. So ist bevorzugt parallel zu der Batterie 470 ein dritter Gleichspannungswandler 460, bevorzugt ein Tiefsetzsteller, angeschlossen, zur Wandlung der Ladespannung in eine Niedervoltspannung zum Laden einer Niedervoltbatterie 462 und zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte eines Fahrzeugs. Die Niedervoltbatterie 462, wie bevorzugt auch weitere Niederspannungsverbraucher 480, sind an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen.

Bei einem Unfall oder vor der Durchführung einer Reparatur an dem Fahrzeug müssen die Kapazitäten oder Kondensatoren der an das Hochvoltnetzes 400 angeschlossenen Verbraucher oder des Hochvoltnetz - oder Hochspannungsnetz - des Fahrzeugs zuverlässig entladen werden. Damit wird eine Personengefährdung, die bei Berührung von oder Kontakt mit Leitungen oder Komponenten des Hochspannungsnetzes entstehen könnte, zuverlässig ausgeschlossen. Erfindungsgemäß ist hierzu ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 eine Schaltungseinrichtung 402 zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung für eine Steuereinrichtung 452 für das Ladegerät 500 angeschlossen. Somit wird die Möglichkeit bereitgestellt, dass die Steuereinrichtung 452 aus dem anschließbaren Hochvoltnetz 400 versorgt werden kann. Die Steuerungen des Ladegerätes 500, insbesondere die Steuereinrichtung 452, kann ausschließlich mittels der Schaltungseinrichtung 402 versorgt werden. Bevorzugt umfasst die Schaltungs- einrichtung hierzu zusätzlich einen Energiespeicher, bevorzugt einen Kondensator oder eine Batterie (nicht dargestellt), die direkt aus dem Hochvoltnetz 400 aufgeladen werden. Alternativ wird die Steuereinrichtung 452 mittels einer externen Versorgungsspannung versorgt, die bevorzugt über einen Terminalanschluss T30 bereitgestellt werden kann. Bevorzugt ist ein Terminalanschluss T30 über einen Stecker oder Signalstecker mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden und versorgt bevorzugt die Steuereinrichtung 452 mit einer externen Versorgungsspannung, bevorzugt einer Bordnetzspannung des Fahrzeugs. Die Steuereinrichtung 452 kann jedoch auch dann aus dem anschließbaren Hochvoltnetz 400 versorgt werden, falls eine externe Versorgungsspannung, bevorzugt fehlerbedingt, nicht verfügbar ist. Mittels der, bevorzugt zusätzlichen oder redundanten, Schaltungseinrichtung 402 ist somit eine zuverlässige Versorgung der Steuereinrichtung 452 zur Entladung gewährleistet, solange ein zu entladendes Hochvoltnetz 400 an das Ladegerät 500 angeschlossen ist. Der Gleichspannungswandler 450 wird mittels der Steuereinrichtung 452 in einem Entladebetrieb derart betrieben, dass die ausgangsseitig im Hochvoltnetz 400 anliegende Ladung, bevorzugt aus dem Hochvoltkondensator CHV, in Richtung des Zwischenanschluss 300 transportiert wird und der Zwischenkondensator CZ aufgeladen wird. Bevorzugt empfängt oder ermittelt die Steuereinrichtung 452 ein Signal, bevorzugt ein Fehlersignal, worauf die Steuereinrichtung 452 mit dem Entladebetrieb ein Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegenden elektrischen Ladung ausführt. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine erste Messeinrichtung (in der Figur 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Messwert zu ermitteln, der die ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegende Spannung charakterisiert. Dies könnte eine erste Messeinrichtung zur direkten Ermittlung der Spannung ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer elektrischer Parameter (Strom, Spannung) eingangs- und oder ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers und mittels einer angepassten Berechnung die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anliegende Spannung als erster Messwert ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender erster Messwert oder der Spannungswert zu der Steuereinrichtung 452, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz oder Bordnetz des Fahrzeugs, übertragen werden. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine zweite Messeinrichtung (in der Figur 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Messwert zu ermitteln, der eine am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegende Spannung charakterisiert Dies könnte eine zweite Messeinrichtung zur direkten Ermittlung der Spannung am zweipoligen Zwischenanschluss 300 sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer elektrischer Parameter (Strom, Spannung) eingangs- und oder ausgangsseitig des Ladegerätes 500 und mittels einer angepassten Berechnung die am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegende Spannung als zweiter Messwert ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender zweiter Messwert oder der Spannungswert zu der Steuereinrichtung 452, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz oder Bordnetz des Fahrzeugs, übertragen werden. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 452 dazu eingerichtet, den Gleichspannungswandler 450 derart anzusteuern, dass in einem ersten Schritt zunächst die Ladung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz 400 in den Zwischenkondensator CZ übertragen wird und in einem zweiten Schritt anschließend zurück in den Hochvoltkondensator CHV. Bei der Durchführung der beiden Schritte verringert sich die Menge der gespeicherten Ladung im Hochvoltnetz 400, da die Übertragung der Ladung durch den Gleichspannungswandler 450 ausreichend verlustbehaftet ist. Bevorzugt wird der Gleichspannungswandler 450 bei dem Durchführen mindestens eines der beiden Schritte im Entladebetrieb derart angesteuert, dass die Verluste des Gleichspannungswandlers 450 größer sind als in dem Ladebetrieb, der Diese beiden Schritte werden nacheinander so oft wiederholt, bis der Hochvoltkondensator CHV oder das Hochvoltnetz 400 so weit entladen ist, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile, bevorzugt des Hochvoltnetzes 400, eine Personengefährdung ausgeschlossen ist. Als Abbruchkriterien für den ersten und den zweiten Schritt werden der erste und zweite Messwert ermittelt, und mit vorgebbaren ersten und zweiten Schwellwerten verglichen. Der erste und zweite Schwellwert wird bei jeder Wiederholung derart kleiner vorgegeben, dass mit Durchführung eines ersten oder zweiten Schrittes jeweils eine signifikante Entladung des Systems aus Ladegerät und Hochvoltnetz erfolgt. Als Abbruchkriterium für den gesamten Entladevorgang wird ein dritter Messwert analog dem ersten Messwert ermittelt, und mit einem vorgebbaren dritten Schwellwert verglichen. Der dritte Schwellwert wird derart vorgegeben, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile, bevorzugt des Hochvoltnetzes, eine Personengefährdung ausgeschlossen ist. Das Abbruchkriterium für den gesamten Ladevorgang wird bevorzugt so gewählt, dass ein aus den einschlägigen internationalen Normen zur Hochvolt-Sicherheit abgeleiteter Wert bei einem Abbruch gewährleistet wird.

In einer Ausgestaltung umfasst das Entladen den weiteren Schritt: Entladen des Zwischenkondensators mittels einer Entladeschaltung. Bevorzugt wird mittels dem Zuschalten parasitärer Widerstände oder eines Entladewiderstands an den Zwischenkondensator dieser entladen. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein zentrales Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes ermöglicht. Hierzu wird zunächst die Ladung aus dem Hochvoltnetz in den Zwischenkondensator übertragen, welcher mittels einer Entladeschaltung entladen wird. Bevorzugt kann dieses Entladen des Zwischenkondensators auch parallel zu den Schritten zum Entladen des Hochvoltnetzes und/ oder dem Zurückspeisen der Ladung in das Hochvoltnetz erfolgen und das Verfahren vorteilhaft beschleunigen. Bevorzugt können die vorgestellten Entladeverfahren mit weiteren Entladeverfahren kombiniert werden, bevorzugt mit Strompulsen durch Leistungshalbleiter oder dem Verschieben von Ladung aus dem Hochvoltnetz in Speicher, die galvanisch vom Hochvoltnetz abtrennbar sind und damit eine Personengefährdung auszuschließen ist.

Eine beispielhafte Eingangsschaltung 200, eine beispielhafte PFC-Stufe, des Ladegerätes 500 umfasst eine erste 210, eine zweite 220 und eine dritte 230 Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke 210, 220, 230 umfasst jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter 211 , 213, 215 und einem Low-Side-Schalter 212, 214, 216. Jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High- Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss L1 , L2, L3 der Eingangsanschlusseinheit 100 über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung 110, 120, 130 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke 210 über die erste Drossel 202 über die erste Anschlussleitung 110 mit dem ersten Eingangsanschluss L1 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke 220 über die zweite Drossel 204 über die zweite Anschlussleitung 120 mit dem zweiten Eingangsanschluss L2 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke 230 über die dritte Drossel 206 über die dritte Anschlussleitung 130 mit dem dritten Eingangsanschluss L3 verbindbar. Die Halbbrücken 210, 220, 230 sind parallel geschaltet. Deren Enden sind mit dem zweipoligen Zwischenanschluss 300 verbunden. Die High-Side-Schalter sind mit einem positiven Zwischenanschluss 310 und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss 320 verbunden.

Die Figur 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 700 mit einem Antriebsstrang 600 mit einem Ladegerät 500. Die Eingangsanschlusseinheit 100 des Ladegerätes 500 ist bevorzugt über eine elektrische Verbindung über einen Laderanschluss 105 mit einer externen Energiequelle verbindbar. Bevorzugt wird eine externe Energiequelle über eine Wallbox mit dem Laderanschluss 105 verbunden. Diese Verbindung wird bevorzugt für den Ladebetrieb eingesetzt. Jedoch ist auch ein Rückspeisebetrieb möglich, bei dem Energie aus der Batterie 470 zurück zu der externen Energiequelle gespeist wird. Das Fahrzeug 700 ist hier nur beispielhaft mit vier Rädern dargestellt, wobei die Erfindung gleichermaßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 600 umfasst mindestens ein Ladegerät 500 mit einer Steuereinrichtung 452. Das Ladegerät 500 umfasst eine Schaltungseinrichtung 402 (in dieser Abbildung nicht dargestellt) zur Erzeugung einer internen Versorgungspannung für die Steuereinrichtung 452. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine Batterie 470, einen Wechselrichter 472 und oder eine elektrische Maschine 474. Bevorzugt sind beliebige weitere Verbraucher, die bevorzugt weitere Kapazitäten zwischen den Hochvoltanschlüssen umfassen, an das Hochvoltnetz 400 des Antriebsstrangs 600 angeschlossen. Lediglich beispielhaft ist hier das Ladegerät 500 innerhalb des Fahrzeugs dargestellt. Das Ladegerät kann ebenso als eigenständiges Ladegerät 500 ausgestaltet sein, bevorzugt als Ladesäule oder Wallbox, und außerhalb eines Fahrzeugs angeordnet sein.

Figur 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 800 zum Betrieb eines Ladegeräts 500. Das Verfahren 800 startet mit dem Schritt 805. In Schritt 810 wird für einen Entladebetrieb die Schaltungseinrichtung 402 zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung betrieben. Hierzu wird die Schaltungseinrichtung 402 entsprechend angesteuert, bevorzugt werden entsprechende Schalteinrichtungen innerhalb der Schaltungseinrichtung 402 geschlossen. Bevorzugt wird die Schaltungseinrichtung 402 zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung bei Nichtverfügbarkeit einer anschließbaren externen Versorgungsspannung betrieben. Mit Schritt 815 endet das Verfahren.

Claims

Ladegerät zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs, wobei das Ladegerät (500) eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit (100) zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer gleich 1 ist, und eine Eingangsschaltung (200) zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss (300) umfasst, wobei zwischen den positiven Zwischenanschluss (310) und den negativen Zwischenanschluss (320) ein Zwischenkondensator (CZ) geschaltet ist, wobei ein bidirektionaler Gleichspannungswandler (450) eingangsseitig an den Zwischenanschluss (300) angeschlossen ist, der dazu eingerichtet ist, in einem Ladebetrieb die an dem Zwischenanschluss (300) anliegende Gleichspannung in eine Ladespannung zu wandeln und an einem ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers (450) anschließbaren Hochvoltnetz (400) bereitzustellen, wobei das Ladegerät (500) eine Steuereinrichtung (452) zur Ansteuerung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers (450) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers (450) eine Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung (452) für das Ladegerät (500) angeschlossen ist, zur Versorgung der Steuereinrichtung (452) aus dem anschließbaren Hochvoltnetz (400). Ladegerät nach Anspruch 1 , wobei die Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung betrieben wird bei Nichtverfügbarkeit einer anschließbaren externen Versorgungsspannung. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung einer internen Versor- gungsspannung eine Schaltung zur Erzeugung mindestens einer Hilfsspannung umfasst. Ladegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung der internen Versorgungsspannung mindestens einen potentialgetrennten zweiten Gleichspannungswandler umfasst. Antriebsstrang (600) eines Fahrzeugs (700) mit einem Ladegerät (500) nach einem der bisherigen Ansprüche, wobei der Antriebstrang (600) insbesondere eine Traktionsbatterie (470), einen Wechselrichter (472) und/ oder eine elektrische Maschine (474) umfasst. Fahrzeug (700) mit einem Antriebsstrang (600) nach Anspruch 5. Verfahren (800) zum Betrieb eines Ladegerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit dem Schritt:

Betreiben (810) der Schaltungseinrichtung (402) zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung während eines Entladebetriebes. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung (452) diese veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 7 auszuführen. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung (452) diese veranlassen, das Verfahren (800) nach Anspruch 7 auszuführen.