DE102016122008A1

DE102016122008A1 - Allstrom-Ladegerät

Info

Publication number: DE102016122008A1
Application number: DE102016122008.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Fuchs; Christian Jürgens
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17
Also published as: CN108068650B; US20180138730A1; CN108068650A; US10283990B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs.
Ein Kraftfahrzeug, das zum Antreiben bzw. Fortbewegen mindestens einen Elektromotor aufweist sowie nutzt, wird als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug bezeichnet. Dabei ist der mindestens eine Elektromotor während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs aus mindestens einem elektrischen Energiespeicher, der auch als Batterie oder Akkumulator bezeichnet werden kann, mit elektrischer Energie zu versorgen. Dieser mindestens eine elektrische Energiespeicher kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) sein. Diese ist wiederum in einem Ladebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen. Die HV-Batterie kann über eine Ladedose aus einem externen Stromnetz aufgeladen werden. Da die Infrastruktur für das zugängliche Stromnetz jedoch je nach Örtlichkeit sehr unterschiedlich ausfällt, sind nach aktuellem Stand der Technik in jedem Fahrzeug ein HV-Booster zum Laden mit Gleichstrom (DC-Laden) und ein On-Board-Charger (OBC) zum Laden mit Wechselstrom (AC-Laden) vorgesehen. Die beiden Bauteile transformieren den ankommenden Strom auf den zum Laden der Batterie benötigten Gleichstrom, der beispielsweise eine Spannung von 800 V aufweist. Es wäre wünschenswert, anstelle zweier separater Einheiten die Funktionen des HV-Boosters und des On-Board-Chargers in einem einzigen Fahrzeugladegerät zu kombinieren.
In DE 10 2011 118 957 A1 ist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zwei Ladedosen beschrieben. Die Ladedosen können als reine AC- oder DC—Dose oder als kombinierte AC/DC-Dose ausgebildet sein.
Aus JP 2000/134720 A ist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bekannt, welches mit AC- oder DC-Strom geladen werden kann. Es sind jeweils separate Schaltungen für AC-und DC-Strom vorgesehen.
In DE 10 2013 225 493 A1 ist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug offenbart, das über einen On-Board-Charger die HV-Batterie mit Wechselstrom lädt. Zum Laden einer zweiten Niederspannungsbatterie (Low Voltage Batterie, LV-Batterie) ist ein DC/DC-Spannungswandler vorgesehen, der an den OBC angeschlossen ist.
EP 2 542 439 B1 beschreibt ebenfalls ein mit AC- oder DC-Strom aufladbares Fahrzeug, bei dem jeweils separate Schaltungen für AC- und DC-Strom vorgesehen sind. Die Spannung der DC-Stromquelle muss der für das Aufladen der HV-Batterie erforderlichen Spannung entsprechen.
Aus EP 2 875 984 A2 ( US 9,238,415 B2 ) ist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bekannt, welches gleichzeitig mit AC-und DC-Strom geladen werden kann. Es wird ein sogenanntes Inverterladesystem offenbart, in dem der Hauptladestrom von der DC-Stromquelle geliefert wird und die AC-Stromquelle einen Korrekturstrom liefert, der die Oberschwingungen im Ladestrom reduziert und einen hohen Leistungsfaktor erreichen lässt. Die Spannung der DC-Stromquelle muss der für das Aufladen der HV-Batterie erforderlichen Spannung entsprechen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladegerät zur Verfügung zu stellen, das die Funktionen des HV-Boosters und des On-Board-Chargers in einer Schaltung kombiniert.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs für ein Ladegerät gelöst. Ausgestaltungen des Ladegeräts gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Das erfindungsgemäße Ladegerät weist zwei Eingänge (AC bzw. DC) auf, wobei dem AC-Anschluss ein Eingangsfilter und ein Gleichrichter nachgeschaltet sind. Anschließend folgt ein Umschalter, an dem der DC-Strom direkt anliegt und der zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) umgeschaltet werden kann. Zuletzt ist ein Hochsetzsteller vorgesehen, welcher die nötige Spannung, z.B. 800 V, für die HV-Batterie generiert. Wird eine Batterie verwendet, deren Nennspannung weniger als das $\sqrt{2}$
-fache der eingesetzten Netzspannung ± Toleranz beträgt, kommt anstelle des Hochsetzstellers ein Hoch/Tiefsetzsteller zum Einsatz. Bei einer Netzspannung von 400 V wäre dies bei einer Nennspannung von ≤ 600 V der Fall. Dabei sind Varianten mit oder ohne galvanische Trennung möglich, wobei die galvanische Trennung z.B. über einen Transformator im AC-Abschnitt oder im Hochsetzsteller bzw. Hoch-/ Tiefsetzsteller dargestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Ladegerät kann in einer Ausführungsform als Eingangsstrom einbis dreiphasigen Wechselstrom im Spannungsbereich von 150 bis 600 V oder Gleichstrom im Spannungsbereich von 400 bis 800 V verarbeiten. In einer Ausführungsform liefert das Ladegerät als Ausgangsstrom Gleichstrom mit einer Spannung von 800 V. In einer anderen Ausführungsform liefert das Ladegerät als Ausgangsstrom Gleichstrom mit einer Spannung von weniger als 600 V. Die angegebenen Spannungsbereiche sind beispielhaft zu verstehen und entsprechen aktuell üblichen Spannungsbereichen. Es sind jedoch auch andere Bereiche möglich; es gibt hier keine technischen Einschränkungen.
In einer Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine Ladedose für einbis dreiphasigen Wechselstrom auf, die verbunden ist mit einem Eingangsfilter und einem Gleichrichter. Der Gleichrichter ist mit einem Umschalter verbunden. Das Ladegerät weist außerdem eine Ladedose für Gleichstrom auf, die ebenfalls mit dem Umschalter verbunden ist. Dem Umschalter ist ein Hochsetzsteller nachgeschaltet, der den eingehenden Gleichstrom auf eine Ausgangsspannung von mindestens 600 V bringt, um die angeschlossene HV-Batterie aufzuladen. In einer Ausführungsform ist im Hochsetzsteller ein Überbrückungsschalter vorgesehen, der geschlossen wird, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie bereitstellen kann. Dadurch wird die Effizienz des Ladevorgangs erhöht, wenn kein Hochsetzbetrieb notwendig ist. Beträgt die Nennspannung der HV-Batterie weniger als 600 V, wird der Hochsetzsteller durch einen Hoch-/Tiefsetzsteller ersetzt, der die für das Laden der HV-Batterie erforderliche Ausgangsspannung erzeugt. Die für diese Ausführungsform angegebenen Spannungswerte sind bezogen auf eine Netzspannung von AC 400 V. Bei Verwendung einer anderen Netzspannung müssen die Werte entsprechend angepasst werden.
In einer anderen Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine galvanische Trennung im AC-Pfad auf. In dieser Ausführungsform ist zwischen den Gleichrichter und den Umschalter ein getakteter Transformator geschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine galvanische Trennung im DC/DC-Steller auf, d.h., einen getakteten Transformator im Hochsetzsteller bzw. Hoch-/Tiefsetzsteller. In dieser Ausführungsform ist ein Überbrücker vorgesehen, der den Gleichstromeingang des Umschalters mit dem Ausgang des Hochsetzstellers bzw. Hoch-/ Tiefsetzstellers verbindet. Der Überbrücker wird geschlossen, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation mit hoher Leistung verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie bereitstellen kann. Die Gegenwart des Überbrückers hat den Vorteil, dass der DC/DC-Steller nur für die Umwandlung von dessen Eingangsspannung in die Nennspannung der HV-Batterie ausgelegt werden muss und nicht auch für die Durchleitung eines Gleichspannungs-Ladestroms, der bereits die Nennspannung der HV-Batterie aufweist.
Das erfindungsgemäße Ladegerät ist zum Laden eines elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Dieses Ladegerät ist in einem Kraftfahrzeug einzusetzen und zum Laden eines elektronischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs zu nutzen.
Dieses Ladegerät umfasst elektronische Bauelemente, bspw. Dioden wie Gleichrichterdioden, Induktivitäten wie Spulen, Kapazitäten wie Kondensatoren, Widerstände, Umschalter und Halbleiterschalter, z.B. bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren. Beispiele sind Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und bipolare Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). In einigen Ausführungsformen enthält das Ladegerät zudem mindestens einen Transformator. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Laden eines elektronischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, bei dem das erfindungsgemäße Ladegerät zum Einsatz kommt.
Zum Laden eines als HV-Batterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs, das üblicherweise als sogenanntes Plug-in-Fahrzeug bezeichnet wird und als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet ist, wird der elektrische Energiespeicher über das vorgestellte Ladegerät mit einer stationären Stromquelle verbunden. Die stationäre Stromquelle kann beispielsweise das stationären Stromnetz oder ein Energiespeicher sein, Z.B. eine Batterie. Das in dem Kraftfahrzeug angeordnete Ladegerät ist dazu ausgebildet, im Rahmen des Verfahrens den Ladevorgang bzw. Ladebetrieb zum Laden des elektrischen Energiespeichers mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stromquellen zu ermöglichen und einen großen Bereich unterschiedlicher Eingangsspannungen zu verarbeiten. So lassen sich Wechselstromquellen mit einer bis zu drei Phasen und einer Spannung beispielsweise im Bereich von 150 bis 600 V, sowie Gleichstromquellen mit einer Spannung beispielsweise im Bereich von 400 bis 800 V als Stromquelle für den Ladevorgang nutzen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts;
2 zeigt einen Schaltplan der Ausführungsform von 1;
3 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts;
4 zeigt einen Schaltplan der Ausführungsform von 3;
5 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts;
6 zeigt einen Schaltplan der Ausführungsform von 5.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen dieselben Komponenten.
In der in 1 abgebildeten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine Ladedose 1 für ein- bis dreiphasigen Wechselstrom auf, die verbunden ist mit einem Eingangsfilter 3 und einem Gleichrichter 4. Der Gleichrichter 4 ist mit einem Umschalter 5 verbunden. Das Ladegerät weist außerdem eine Ladedose 2 für Gleichstrom auf, die ebenfalls mit dem Umschalter 5 verbunden ist. Dem Umschalter 5 ist ein Hochsetzsteller 6 nachgeschaltet, der den eingehenden Gleichstrom auf eine Ausgangsspannung von mindestens 600 V bringt, um die angeschlossene HV-Batterie 7 aufzuladen. In einer Ausführungsform ist im Hochsetzsteller 6 ein Überbrückungsschalter 8 vorgesehen, der geschlossen wird, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie 7 bereitstellen kann. Dadurch wird die Effizienz des Ladevorgangs erhöht, wenn kein Hochsetzbetrieb notwendig ist. Beträgt die Nennspannung der HV-Batterie weniger als 600 V, wird der Hochsetzsteller 6 durch einen Hoch-/Tiefsetzsteller ersetzt. Der hier angegebene Spannungsgrenzwert von 600 V ist beispielhaft zu verstehen und bezieht sich auf eine Wechselspannung von 400 V als Netzspannung. Bei Verwendung anderer Netzspannungen ist dieser Wert entsprechend anzupassen.
In 2 ist ein schematisiertes Schaltbild dieser Ausführungsform dargestellt. Der Ladedose 1 für ein- bis dreiphasigen Wechselstrom ist ein Netzfilter 3 nachgeschaltet, das mit LC-Gliedern 9 realisiert ist. Der gefilterte Wechselstrom wird im Gleichrichter 4 in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichrichter 4 ist mit sechs Gleichrichterdioden 10 realisiert. Der Umschalter 5 ist einerseits mit dem Gleichrichter 4 und andererseits mit der Ladedose 2 für Gleichstrom verbunden. Der je nach Stellung des Umschalters 5 über den Gleichrichter 4 oder die Ladedose 2 zugeführte Gleichstrom wird im Hochsetzsteller 6 auf die zum Laden der HV-Batterie 7 erforderliche Spannung gebracht. In der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst der Hochsetzsteller 6 eine Induktivität 11, eine Freilaufdiode 10 und einen bipolaren Transistor 12. Überbrückungsschalter 8 im Hochsetzsteller 6 ermöglicht das Überbrücken des Hochsetzstellers 6, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie 7 bereitstellen kann.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine galvanische Trennung im AC-Pfad auf. In dieser Ausführungsform ist zwischen den Gleichrichter 4 und den Umschalter 5 ein getakteter Transformator 14 geschaltet.
In 4 ist ein Schaltbild dieser Ausführungsform dargestellt. Der Ladedose 1 für einbis dreiphasigen Wechselstrom ist ein Netzfilter 3 nachgeschaltet, das mit LC-Gliedern 9 realisiert ist. Der gefilterte Wechselstrom wird im Gleichrichter 4 in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichrichter 4 ist mit sechs Gleichrichterdioden 10 realisiert. Dem Gleichrichter nachgeschaltet ist ein getakteter Transformator 13, welcher einen bipolaren Transistor 13, einen Transformator 14 (bzw. eine Drossel mit zwei Wicklungen) und eine Diode 10 umfasst. Der Umschalter 5 ist einerseits mit dem getakteten Transformator 13 und andererseits mit der Ladedose 2 für Gleichstrom verbunden. Der je nach Stellung des Umschalters 5 über den Gleichrichter 4 oder die Ladedose 2 zugeführte Gleichstrom wird im Hochsetzsteller 6 auf die zum Laden der HV-Batterie 7 erforderliche Spannung gebracht. In der in 4 dargestellten Ausführungsform umfasst der Hochsetzsteller 6 eine Induktivität 11, eine Freilaufdiode 10 und einen bipolaren Transistor 12. Überbrückungsschalter 8 im Hochsetzsteller 6 ermöglicht das Überbrücken des Hochsetzstellers 6, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie 7 bereitstellen kann.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ladegerät eine galvanische Trennung im DC/DC-Steller, d.h., im Hochsetzsteller (bzw. Hoch-/Tiefsetzsteller) 6 auf. In dieser Ausführungsform ist ein Überbrücker 8 vorgesehen, der den Gleichstromeingang des Umschalters 5 mit dem Ausgang des Hochsetzstellers (bzw. Hoch-/Tiefsetzstellers) 6 verbindet. Der Überbrücker 8 wird geschlossen, wenn das Ladegerät mit einer DC-Ladestation mit hoher Leistung verbunden ist, welche die Nennspannung der HV-Batterie 7 bereitstellen kann.
In 6 ist ein schematisiertes Schaltbild dieser Ausführungsform dargestellt. Der Ladedose 1 für ein- bis dreiphasigen Wechselstrom ist ein Netzfilter 3 nachgeschaltet, das mit LC-Gliedern 9 realisiert ist. Der gefilterte Wechselstrom wird im Gleichrichter 4 in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichrichter 4 ist mit sechs Gleichrichterdioden 10 realisiert. Der Umschalter 5 ist einerseits mit dem Gleichrichter 4 und andererseits mit der Ladedose 2 für Gleichstrom verbunden. Der je nach Stellung des Umschalters 5 über den Gleichrichter 4 oder die Ladedose 2 zugeführte Gleichstrom wird im Hochsetzsteller 6 auf die zum Laden der HV-Batterie 7 erforderliche Spannung gebracht. In der in 6 dargestellten Ausführungsform umfasst der Hochsetzsteller 6 einen bipolaren Transistor 12, einen Transformator 14 und zwei Dioden 10. Überbrücker 8 verbindet den Gleichstromeingang des Umschalters 5 mit dem Ausgang des Hochsetzstellers 6 bzw. verbindet die Ladedose 2 direkt mit der HV-Batterie 7.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011118957 A1 [0003]
JP 2000134720 A [0004]
DE 102013225493 A1 [0005]
EP 2542439 B1 [0006]
EP 2875984 A2 [0007]
US 9238415 B2 [0007]

Claims

Ladegerät zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, das mindestens eine Ladedose (1) für ein- bis dreiphasigen Wechselstrom, eine Ladedose (2) für Gleichstrom, einen mit der Ladedose (1) verbundenen Gleichrichter (4), einen mit dem Gleichrichter (4) und der Ladedose (2) verbundenen Umschalter (5) und einen mit dem Umschalter (5) verbundenen DC/DC-Wandler (6) aufweist.
Ladegerät nach Anspruch 1, bei dem zwischen der Ladedose (1) und dem Gleichrichter (4) ein Netzfilter (3) angeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der DC/DC-Wandler (6) ein Hochsetzsteller ist.
Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der DC/DC-Wandler (6) ein Hoch-/Tiefsetzsteller ist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens ein Überbrückungsschalter (8) parallel zum DC/DC-Wandler (6) geschaltet ist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine galvanische Trennung im Wechselstrompfad realisiert ist.
Ladegerät nach Anspruch 6, bei dem die galvanische Trennung durch einen zwischen den Gleichrichter (4) und den Umschalter (5) geschalteten getakteten Transformator (13) realisiert ist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine galvanische Trennung im Gleichstrompfad realisiert ist.
Ladegerät nach Anspruch 8, bei dem die galvanische Trennung durch einen Transformator (14) im DC/DC-Wandler (6) realisiert ist.
Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das in einem Kraftfahrzeug einzusetzen ist.
Verfahren zum Laden eines als HV-Batterie (7) ausgebildeten elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs, bei dem der elektrische Energiespeicher über ein Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer stationären Stromquelle verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die stationäre Stromquelle das stationäre Stromnetz ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das stationäre Stromnetz ein- bis dreiphasigen Wechselstrom mit einer Spannung im Bereich von 150 bis 600 V bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die stationäre Stromquelle Gleichstrom mit einer Spannung im Bereich von 400 bis 800 V bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Ladegerät den Eingangsstrom umwandelt in Gleichstrom mit der Nennspannung der HV-Batterie (7).