DE102018107824B4 - Electric charging device - Google Patents
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Abstract
Elektrische Ladevorrichtung (10) mit
einer Stromrichteranordnung (12), die einen Gleichstromanschluss (14) und einen n-phasigen Wechselstromanschluss (16) aufweist, wobei der Gleichstromanschluss (14) mit dem elektrischen Energiespeicher (20) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (30) und der n-phasigen Wechselstromanschluss (16) mit dem Netzstrom (18) elektrisch verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Stromrichteranordnung (12) einen Transformator (32), mindestens zwei Gleichrichter (50, 52, 54, 56, 58, 60) und eine Schalteinrichtung (48) aufweist, wobei der Transformator eine n-phasige Primärspule (46) und mindestens zwei n-phasige Sekundärspulen (34, 36, 38, 40, 42, 44) aufweist, wobei die Primärspule (46) mit dem n-phasigen Wechselstromanschluss (16) und die mindestens zwei Sekundärspulen (34, 36, 38, 40, 42, 44) mit jeweils einem Gleichrichter (50, 52, 54, 56, 58, 60) verbunden sind, wobei die mindestens zwei Gleichrichter (50, 52, 54, 56, 58, 60) über die Schalteinrichtung (48) miteinander verschaltbar sind und die Schalteinrichtung (48) mit dem Gleichstromanschluss (14) verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung (48) unmittelbar über den Gleichstromanschluss (14) mit dem elektrischen Energiespeicher (20) elektrisch verbindbar ist.
Electric charging device (10) with
a power converter arrangement (12) having a DC connection (14) and an n-phase AC connection (16), wherein the DC connection (14) can be electrically connected to the electrical energy storage (20) of the electrically powered vehicle (30) and the n-phase AC connection (16) can be electrically connected to the mains current (18),
characterized by the fact that
The converter arrangement (12) comprises a transformer (32), at least two rectifiers (50, 52, 54, 56, 58, 60) and a switching device (48), wherein the transformer has an n-phase primary coil (46) and at least two n-phase secondary coils (34, 36, 38, 40, 42, 44), wherein the primary coil (46) is connected to the n-phase AC terminal (16) and the at least two secondary coils (34, 36, 38, 40, 42, 44) are each connected to a rectifier (50, 52, 54, 56, 58, 60), wherein the at least two rectifiers (50, 52, 54, 56, 58, 60) can be interconnected via the switching device (48) and the switching device (48) is connected to the DC terminal (14) is connected, wherein the switching device (48) can be directly electrically connected to the electrical energy storage device (20) via the DC connection (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Stromrichteranordnung, die einen Gleichstromanschluss und einen n-phasigen Wechselstromanschluss aufweist, wobei der Gleichstromanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs und der n-phasigen Wechselstromanschluss mit dem Netzstrom elektrisch verbindbar sind.The invention relates to an electric charging device for charging an electrical energy storage device of an electrically powered vehicle with a power converter arrangement having a DC connection and an n-phase AC connection, wherein the DC connection can be electrically connected to the electrical energy storage device of the electrically powered vehicle and the n-phase AC connection can be electrically connected to the mains power supply.
Derartige elektrische Ladevorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und weisen üblicherweise eine Stromrichteranordnung auf, die insbesondere dazu dient, einen mehrphasigen Wechselstrom, beispielsweise einen dreiphasigen Netzstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln sowie einen in dem Energiespeicher gespeicherten Gleichstrom in einen Wechselstrom für die Einspeisung ins Stromnetz umzuwandeln. Dabei ist das Spannungsniveau auf der Eingangs- und der Ausgangsseite veränderlich einstellbar.Such electrical charging devices are known from the prior art and typically feature a power converter arrangement, which serves in particular to convert multiphase alternating current, for example three-phase mains current, into direct current, and to convert direct current stored in the energy storage device into alternating current for feeding into the power grid. The voltage level on both the input and output sides is variably adjustable.
Die
Nachteilig an der in der
Ferner offenbaren die
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einstufige Ladevorrichtung bereitzustellen, welche unterschiedliche Spannungs- und Stromniveaus zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitstellt und eine galvanische Trennung gegenüber dem Stromnetz bildet.The object of the invention is therefore to provide a single-stage charging device which provides different voltage and current levels for charging the electrical energy storage device and forms a galvanic isolation from the power grid.
Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.This problem is solved by a charging device having the features of the main claim.
Dadurch, dass die Stromrichteranordnung einen Transformator, mindestens zwei Gleichrichter und eine Schalteinrichtung aufweist, wobei der Transformator eine n-phasige Primärspule und mindestens zwei n-phasigen Sekundärspulen aufweist, wobei die Primärspule mit dem n-phasigen Wechselstromanschluss und die mindestens zwei Sekundärspulen mit jeweils einem Gleichrichter verbunden sind, wobei die mindestens zwei Gleichrichter über die Schalteinrichtung miteinander verschaltbar sind und die Schalteinrichtung mit dem Gleichstromanschluss verbunden ist, wobei die Schalteinrichtung unmittelbar über den Gleichstromanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbindbar ist, kann der Netzstrom in unterschiedliche, zum Laden des Energiespeichers benötigte Gleichströme umgewandelt werden, so dass mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ladevorrichtung Energiespeicher mit unterschiedlichen Gleichspannungen und unterschiedlichen Stromstärken geladen werden können. Durch eine derartige Ausgestaltung der Ladevorrichtung können einfache und kostengünstige elektrische Bauteile eingesetzt werden, da ausgehend von der Sekundärseite des Transformators relativ niedrige elektrische Spannungen übertragen und umgewandelt werden. Außerdem entfällt durch eine derartige Ausgestaltung der Ladevorrichtung eine separate galvanische Trennung. Durch eine vordefinierte Streuinduktivität des Transformators kann auf eine nach dem Transformator angeordnete Drosselspule bzw. andere Induktivitäten verzichtet werden, um eine Gleichrichtung zu ermöglichen. Dadurch werden die Kosten der Ladevorrichtung gesenkt.By comprising a transformer, at least two rectifiers, and a switching device, the power converter arrangement includes an n-phase primary coil and at least two n-phase secondary coils. The primary coil is connected to the n-phase AC terminal, and the at least two secondary coils are each connected to a rectifier. The at least two rectifiers can be interconnected via the switching device, which is connected to the DC terminal and can be directly connected to the electrical energy storage device via the DC terminal. This allows the mains current to be converted into different DC currents required for charging the energy storage device. Therefore, with the charging device according to the invention, energy storage devices can be charged with different DC voltages and currents. This design of the charging device allows the use of simple and cost-effective electrical components, as relatively low electrical voltages are transmitted and converted from the secondary side of the transformer. Furthermore, this design of the charging device eliminates the need for separate galvanic isolation. Due to the defined stray inductance of the transformer, a choke coil or other inductors arranged after the transformer can be omitted to enable rectification. This reduces the cost of the charging device.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die mindestens zwei Gleichrichter miteinander in Reihe und parallel schaltbar. Durch eine Reihenschaltung der Gleichrichter kann die zum Laden des Energiespeichers zur Verfügung gestellte Gleichspannung variiert werden, wobei die Gleichspannung in Abhängigkeit davon variiert, wie viele Gleichrichter miteinander in Reihe geschaltet sind. In gleicher Weise kann durch eine Parallelschaltung der Gleichrichter die Stromstärke variiert werden, wobei hier entscheidend ist, wie viele Gleichrichter parallel miteinander geschaltet sind. Zusätzlich können die Gleichrichter variabel oder fix ausgeführt werden, wobei die fixen Gleichrichter die Wechselspannung in definierte, gleichbleibende Gleichspannungen umwandeln und die variablen Gleichrichter die Wechselspannung in veränderbare Gleichspannungen umwandeln. Es können fixe und variable Gleichrichter miteinander kombiniert werden, so dass die Ausgangs-Gleichspannung in Abhängigkeit davon variiert wird, wie viele Gleichrichter miteinander in Reihe geschaltet sind und welche Gleichspannungen die variablen Gleichrichter liefern. So kann auf eine einfache Weise der Gleichstrom an den angeschlossenen Energiespeicher angepasst werden.In a preferred embodiment, the at least two rectifiers can be connected in series and in parallel. Connecting the rectifiers in series allows the DC voltage provided for charging the energy storage device to be varied, with the DC voltage varying depending on how many rectifiers are connected in series. Similarly, connecting the rectifiers in parallel allows the current to be varied, with the number of rectifiers connected in parallel being the determining factor. Additionally, the rectifiers can be configured as variable or fixed, with fixed rectifiers converting the AC voltage into defined, constant DC voltages and variable rectifiers converting the AC voltage into variable DC voltages. Fixed and variable rectifiers can be combined so that the output DC voltage varies depending on how many rectifiers are connected in series and what DC voltages the variable rectifiers provide. This allows the DC current to be easily adapted to the connected energy storage device.
Vorzugsweise weist der Transformator sechs n-phasige Sekundärspulen und sechs Gleichrichter auf, wobei jede n-phasige Sekundärspule mit jeweils einem Gleichrichter verbunden ist. Dadurch wird die Netzspannung in sechs vergleichsweise kleine Wechselspannungen transferiert, welche durch die Gleichrichter in sechs relativ kleine Gleichspannungen umgewandelt werden. Auf diese Weise sind durch die Schalteinrichtung viele unterschiedliche Gleichströme und Gleichspannungen einfach einstellbar. Außerdem können die Gleichrichter kostengünstig ausgeführt werden, da die Gleichrichter relativ kleine Wechselspannungen in Gleichspannungen umwandeln. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die mindestens zwei Gleichrichter Feldeffekttransistoren auf, wobei bevorzugt Feldeffekttransistoren auf Silizium basierende MOSFETs eingesetzt werden, welche in einer „Active Front End Topologie“ miteinander verschaltet werden. Dadurch, dass die MOSFETs relativ kleine Wechselspannungen leiten, können MOSFETs mit einer niedrigen Spannungsfestigkeit eingesetzt werden, wobei derartige MOSFETs in sehr hohen Stückzahlen hergestellt werden und dadurch kostengünstig sind.Preferably, the transformer has six n-phase secondary windings and six rectifiers, with each n-phase secondary winding connected to a separate rectifier. This converts the mains voltage into six relatively small AC voltages, which are then converted into six relatively small DC voltages by the rectifiers. In this way, the switching device allows for the easy adjustment of many different DC currents and voltages. Furthermore, the rectifiers can be implemented cost-effectively, as they convert relatively small AC voltages into DC voltages. In a preferred embodiment, the at least two rectifiers comprise field-effect transistors, preferably silicon-based MOSFETs interconnected in an active front-end topology. Because the MOSFETs conduct relatively small AC voltages, MOSFETs with a low voltage rating can be used, and such MOSFETs can be manufactured in very high volumes, thus making them cost-effective.
Vorzugsweise ist die Stromrichtereinheit bidirektional ausgeführt. Durch eine bidirektionale Ausführung der Stromrichteranordnung kann der in dem Energiespeicher gespeicherte Strom in das Stromnetz eingespeist werden.Preferably, the power converter unit is designed to be bidirectional. A bidirectional design of the power converter arrangement allows the electricity stored in the energy storage device to be fed into the power grid.
Vorzugsweise ist die Ladevorrichtung in einer Ladestation zum Laden der elektrischen Energiespeicher der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge angeordnet, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs reduziert wird. Alternativ ist die Ladevorrichtung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet. Dadurch kann der Energiespeicher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an unterschiedlichen Ladestationen geladen werden, da die Anpassung des Netzstroms an den zum Laden des Energiespeichers benötigen elektrischen Strom im Fahrzeug erfolgt.Preferably, the charging device is arranged in a charging station for charging the electrical energy storage system of the electric vehicle, thereby reducing the vehicle's weight. Alternatively, the charging device is arranged within the electric vehicle itself. This allows the electric vehicle's energy storage system to be charged at different charging stations, as the adjustment of the grid current to the electrical current required for charging the energy storage system is handled within the vehicle.
Vorzugsweise weist die Stromrichteranordnung Kondensatoren auf.Preferably, the power converter arrangement includes capacitors.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, das zum Laden seines Energiespeichers mit einer Ladestation verbunden ist, und -
2 eine schematische Darstellung einer in der Ladestation aus1 angeordneten elektrischen Ladevorrichtung.
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1 a schematic representation of an electrically powered motor vehicle connected to a charging station for charging its energy storage, and -
2 a schematic representation of a charging station made of1 arranged electric charging device.
Der Energiespeicher 20 wird über die Ladestation 70 aufgeladen, wobei der von der Stromquelle 19 zur Verfügung gestellte Netzstrom 18 über eine in der Ladestation 70 angeordnete Ladevorrichtung 10 derart umgewandelt und angepasst wird, dass der Energiespeicher 20 durch diesen geladen werden kann.The energy storage device 20 is charged via the charging station 70, whereby the mains current 18 provided by the power source 19 is converted and adapted via a charging device 10 arranged in the charging station 70 in such a way that the energy storage device 20 can be charged by it.
An jeder Sekundärspule 34, 36, 38, 40, 42, 44 ist jeweils ein Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 angeschlossen, wobei die Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, sind. Die Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 wandeln die dreiphasigen Wechselströme in sechs gleich große Gleichströme UGa um.Each secondary coil 34, 36, 38, 40, 42, 44 is connected to a rectifier 50, 52, 54, 56, 58, 60, wherein the rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, 60 are field-effect transistors, in particular MOSFETs. The rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, 60 convert the three-phase alternating currents into six equal direct currents U <sub>a</sub> .
Die Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 sind über eine Schalteinrichtung 48 miteinander verschaltet. Durch die Schalteinrichtung 48 können die Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 in Reihe und parallel geschaltet werden, wobei zwei Gleichrichter 58, 60 fest miteinander in Reihe geschaltet sind. Für das Zuschalten der anderen Gleichrichter 50, 52, 54, 56 weist die Schalteinrichtung 48 zwölf Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11 auf. In
Die Funktionsweise der Ladevorrichtung 10 soll nachfolgend anhand von Beispielen erläutert werden.The functionality of the charging device 10 will be explained below using examples.
Soll der Energiespeicher 20 beispielsweise mit einer maximalen Gleichspannung von ca. 960 V geladen werden, werden alle Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60, welche jeweils eine Ausgangsspannung von 160 V aufweist, in Serie geschaltet, wobei die von dem Netzstrom 18 zur Verfügung gestellte Eingangsspannung des Transformators 32 480 V beträgt. Die Ausgangsspannungen des Transformators 32 beträgt je Sekundärspule 34, 36, 38, 40, 42, 44 60 V, wobei die Ausgangsspannungen des Transformators 32 über einen Hochsetzsteller auf 160 V erhöht werden. Dabei werden die Schalter S1, S3, S6, S9 betätigt. Durch das in Serie-Schalten der Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 werden die Gleichspannungen miteinander addiert, so dass der zum Laden des Energiespeichers 20 zur Verfügung stehende Gleichspannung die Summe aus allen Gleichspannungen ist. Bei einer zum Laden des Energiespeichers 20 benötigten niedrigeren Gleichspannung werden beispielsweise nur vier der Gleichrichter 54, 56, 58, 60 in Serie geschaltet, wobei die Schalter S5, S6, S10 betätigt werden.If, for example, the energy storage device 20 is to be charged with a maximum DC voltage of approximately 960 V, all rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, 60, each with an output voltage of 160 V, are connected in series, with the input voltage of the transformer 32, supplied by the mains current 18, being 480 V. The output voltages of the transformer 32 are 60 V per secondary coil 34, 36, 38, 40, 42, 44, and 60 V, with the output voltages of the transformer 32 being increased to 160 V by a boost converter. Switches S1, S3, S6, and S9 are actuated during this process. By connecting rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, and 60 in series, the DC voltages are added together, so that the DC voltage available for charging the energy storage device 20 is the sum of all DC voltages. For example, if a lower DC voltage is required to charge the energy storage device 20, only four of the rectifiers 54, 56, 58, and 60 are connected in series, with switches S5, S6, and S10 being actuated.
Auf die gleiche Weise kann auch die Stromstärke des zum Laden des Energiespeichers 20 zur Verfügung stehenden Gleichstroms verändert werden, wobei die einzelnen Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 parallel geschaltet werden. So variiert die Stromstärke des zum Laden des Energiespeichers 20 zur Verfügung stehenden Gleichstroms in Abhängigkeit davon, wie viele Gleichrichter 50, 52, 54, 56, 58, 60 miteinander parallel geschaltet sind.The current of the direct current available for charging the energy storage device 20 can also be changed in the same way by connecting the individual rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, 60 in parallel. Thus, the current of the direct current available for charging the energy storage device 20 varies depending on how many rectifiers 50, 52, 54, 56, 58, 60 are connected in parallel.
Zusätzlich ist die Ladevorrichtung 10 bzw. die Stromrichteranordnung 12 bidirektional ausgeführt, so dass beispielsweise bei Strombedarfsspitzen des Stromnetzes 18 das Stromnetz 18, auf den in dem Fahrzeug 30 angeordneten Energiespeicher 20 zurückzugreifen kann und diesem elektrische Energie entziehen kann.In addition, the charging device 10 or the power converter arrangement 12 is designed bidirectionally, so that, for example, in the event of peak electricity demand on the power grid 18, the power grid 18 can draw on the energy storage device 20 arranged in the vehicle 30 and extract electrical energy from it.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.Other constructive embodiments besides those described are also possible, which fall within the scope of protection of the main claim.
Claims (8)
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