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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stromwandler zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Antriebsmaschine, die mit Energie aus einem elektrischen Energiespeicher betrieben werden kann. Zur Umsetzung einer Gleichspannung des Energiespeichers in eine oder mehrere phasenverschobene Wechselspannungen für die Antriebsmaschine ist ein Inverter vorgesehen. Der Energiespeicher kann eine Nennspannung von beispielsweise ca. 800 V aufweisen.
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Der Energiespeicher kann mit Energie aus einer externen Spannungsquelle aufgeladen werden, beispielsweise aus einer Ladestation. Wird dabei eine Wechselspannung verwendet, so kann sie für den Energiespeicher passend umgespannt und gleichgerichtet werden. Wird eine passende Gleichspannung bereitgestellt, so kann sie unmittelbar zum Aufladen des Energiespeichers verwendet werden. Wird eine Gleichspannung bereitgestellt, die wesentlich geringer als die Nennspannung des Energiespeichers ist, so muss sie passend hochgesetzt werden.
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Ein dedizierter Spannungswandler zum Hochsetzen kann aufwändig und kostenintensiv sein. Es wurde vorgeschlagen, eine bestehende Schaltung an Bord des Kraftfahrzeugs um zusätzliche Bauteile zu erweitern, damit sie auch als Hochsetzsteller arbeiten kann. Bekannte Schaltungen, die auf diese Weise erweitert wurden, können im Betrieb als Hochsetzsteller jedoch unausgewogen sein, sodass sie einzelne Bauelemente stark strapazieren können.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Ladeschaltung, die sowohl bei Betrieb zur Leistungsfaktorkorrektur als auch als Hochsetzsteller zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Ladeschaltung für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher umfasst eine Halbbrücke mit einem oberen und einem unteren Stromventil, die in Serie zwischen Anschlüssen eines Zwischenkreises verbunden sind, sodass sich zwischen den Stromventilen ein erster Anschlusspunkt ergibt; einen oberen und einen unteren Kondensator, die in Serie zwischen Anschlüssen des Zwischenkreises verbunden sind, sodass sich zwischen den Kondensatoren ein zweiter Anschlusspunkt ergibt; eine mit dem ersten Anschlusspunkt verbundene Induktivität; eine Schalteinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlusspunkt liegt; einen oberen und einen unteren Schalter, die in Serie über dem unteren Kondensator verbunden sind, sodass sich zwischen den Schaltern ein dritter Anschlusspunkt ergibt; und eine Steuervorrichtung. Dabei ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, in einem Hochsetzbetrieb die Schalteinrichtung periodisch zu öffnen und zu schließen; und parallel dazu die beiden Schalter abwechselnd zu öffnen und zu schließen; sodass eine zwischen der Induktivität und dem dritten Anschlusspunkt angelegte Eingangsspannung in eine höhere Ausgangs- bzw. Zwischenkreisspannung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers eingesetzt werden kann.
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Die Ladeschaltung kann von einer Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (power factor correction, PFC) ausgehen und nur wenige zusätzliche Bauteile erfordern. Eine Drossel, die für die PFC erforderlich ist, kann vorteilhaft auch für die Ladeschaltung genutzt werden. In einer Ausführungsform sind im Wesentlichen nur die beiden Schalter und die Steuervorrichtung zu ergänzen. Die Steuervorrichtung kann auch zur Steuerung der Leistungsfaktorkorrektur dienen, wobei eine existierende Steuervorrichtung angepasst oder erweitert werden kann, um die Schalter anzusteuern und den Hochsetzbetrieb zu ermöglichen.
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Die Ladeschaltung kann beispielsweise eine Verdoppelung der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung realisieren. Beispielsweise kann mittels der Ladeschaltung ein elektrischer Energiespeicher mit einer Nennspannung von ca. 800 V an einer extern am Kraftfahrzeug angelegten Gleichspannung von ca. 400 V aufgeladen werden. Andere Faktoren sind ebenfalls möglich, solange die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung ist. Ein zusätzlicher bzw. dedizierter Spannungswandler ist nicht erforderlich. So kann eine erhöhte Ladeleistung erzielt werden, sodass eine Ladezeit gegenüber einer Aufladung mit Wechselstrom geringerer Leistung reduziert sein. Die kombinierte Ladeschaltung kann als Brückentechnologie eingesetzt werden, bis Ladestationen, die ausreichend hohe Gleichspannungen bereitstellen, flächendeckend verfügbar sind.
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Weiter kann die Ladeschaltung alternativ zum Hochsetzbetrieb auch zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden. Dabei können die Stromventile abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, um am ersten Anschlusspunkt eine vorbestimmte Spannung bereitzustellen; und parallel dazu kann die Schalteinrichtung angesteuert werden, um einen Leistungsfaktor einer aufgenommenen elektrischen Leistung aus einem Wechselspannungsnetz zu korrigieren. Dabei wird der Leistungsfaktor so gesteuert, dass er sich möglichst 1 annähert, sodass sich die Blindleistung möglichst an 0 annähert. Die Leistungsfaktorkorrektur kann eingesetzt werden, damit der dem externen Netz entnommene sinusförmige Strom möglichst genau in Phase zur Netzspannung ist. Dadurch kann man einen korrigierten Leistungsfaktor in Höhe von 1 erreichen und eine Blindleistung minimiert sein. So kann der elektrische Energiespeicher alternativ auch aus einer Wechselspannung aufgeladen werden. Die Ladeschaltung kann als T-Type PFC realisiert sein und mittels der beiden Schalter zu einem 3-Level T-Type Hochsetzsteller bzw. DC/DC-Wandler erweitert werden.
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Die Ladeschaltung umfasst darüber hinaus ein Relais, um die Induktivitäten im Leistungsfaktorkorrekturbetrieb mit einer Wechselspannung und im Hochsetzbetrieb mit einer Eingangs-Gleichspannung zu verbinden. Ein niedriges Potential der Eingangs-Gleichspannung kann zum dritten Anschlusspunkt zwischen den Schaltern geführt sein. Ein hohes Potential der Eingangs-Gleichspannung kann im Leistungsfaktorkorrekturbetrieb von allen Induktivitäten getrennt sein. Das niedrige Potential kann auch als Minuspol und das hohe Potential als Pluspol bezeichnet werden. Ein leistungsfähiges Relais kann auch Schütz genannt werden. In einer Ausführungsform kann ein Relais mit mehreren Kontakten verwendet werden, um zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturbetrieb und dem Hochsetzbetrieb umzuschalten. Bevorzugt werden mehrere Relais verwendet, die unabhängig voneinander angesteuert werden können, um die verschiedenen Betriebsarten zu steuern. Dadurch können auch eine dritte oder eine weitere Betriebsart angesteuert werden, beispielsweise eine Trennung der Schaltung von der Ladebuchse.
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Eine Schaltfrequenz der Schalteinrichtung kann höher als eine Schaltfrequenz der Schalter sein, bevorzugt um ein Mehrfaches. Die Schalteinrichtung kann beispielsweise mit ca. 40-facher Schaltfrequenz der Schalter betrieben werden. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung ca. 200 kHz betragen, während die Schaltfrequenz der Schalter ca. 5 kHz betragen kann. Die Schaltfrequenz der Schalteinrichtung kann eine Umsetzung der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung steuern, während die Schaltfrequenz der Schalter unterschiedliche Zweige der Schaltung aktivieren kann.
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Im Hochsetzbetrieb können die Induktivität und die Schalteinrichtung mit dem oberen Kondensator und dem oberen Stromventil als erster Hochsetzsteller arbeiten, wenn der obere Schalter geschlossen und der untere geöffnet ist. Ferner können die Induktivität und die Schalteinrichtung mit dem unteren Kondensator und dem unteren Stromventil als zweiter Hochsetzsteller arbeiten, wenn der untere Schalter geschlossen und der obere geöffnet ist. Die beiden Hochsetzsteller können alternierend arbeiten, um die Kondensatoren abwechselnd aufzuladen. Die Kondensatoren können im Wesentlichen nur die Restwelligkeit der Ausgangsspannung aufnehmen, von einem Ladestrom des Energiespeichers sind sie praktisch nicht durchflossen.
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Die Stromventile können als Freilaufdioden realisiert sein. Die Freilaufdiode hat eine Kathode, die in Richtung eines hohen Potentials des Zwischenkreises orientiert ist. Alternativ kann ein Stromventil steuerbar sein und eine Freilaufdiode umfassen, sodass auch bei einem nicht geschlossenen Stromventil ein Stromfluss in Richtung der Diode möglich ist. In diesem Fall kann die Schaltung unidirektional nur als Hochsetzsteller betrieben werden. Ist ein Stromventil steuerbar ausgeführt, so kann die Schaltung zusätzlich auch als Tiefsetzsteller betrieben werden, um eine Gleichspannung des Energiespeichers auf eine niedrigere Gleichspannung umzusetzen.
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Ein steuerbares Stromventil kann beispielsweise als MOSFET realisiert sein, insbesondere in SiC-Technologie. Die Schalteinrichtung kann zwei antiseriell geschaltete Halbleiter umfassen, die beispielsweise als GaN HEMT oder SiC MOSFET realisiert sind. Die Schalter können ebenfalls als Halbleiter ausgeführt sein, beispielsweise als FET, insbesondere MOSFET.
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Es ist besonders bevorzugt, dass mehrere Halbbrücken mit zugeordneten Induktivitäten und Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die im Hochsetzbetrieb mehrphasig betrieben werden, um die Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung am Zwischenkreis umzusetzen. Im mehrphasigen Betrieb kann eine höhere DC-Ladeleistung für den Energiespeicher bereitgestellt werden. Es können drei Halbbrücken und drei Induktivitäten vorgesehen sein, die als 3-Level DC/DC-Wandler genutzt werden können. Gegenüber einer üblichen 3-Level T-Type Leistungskorrekturschaltung können als zusätzliche Bauteile im Wesentlichen nur die beiden Schalter erforderlich sein. Eine andere Anzahl Halbbrücken mit zugeordneten weiteren Bauteilen ist ebenfalls möglich.
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Durch den mehrphasigen und insbesondere dreiphasigen Betrieb der Ladeschaltung können Induktivitäten, die in der PFC erforderlich sind, in den Hochsetzstellern verwendet werden. Im mehrphasigen Betrieb kann durch jede Induktivität ein verringerter Strom fließen und eine Restwelligkeit an jeder Induktivität kann verringert sein. Die für die Leistungsfaktorkorrektur dimensionierten Induktivitäten können im Hochsetzbetrieb vorteilhaft passend für die Hochsetzsteller ausgenutzt werden. Die Schaltung kann ausgeglichen arbeiten und einzelne Bauelemente können nicht überlastet werden. Darüber hinaus kann eine übermäßige Erwärmung der Schalter vermieden werden. Von der Schaltung ausgehende Störungen können verringert sein.
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Die mehreren Phasen können für einen Betrieb der Ladeschaltung als Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur zum Aufladen des Energiespeichers von einer mehrphasigen Wechselspannung bereits vorhanden sein. Üblich sind dreiphasige Wechselspannungen, sodass die Ladeschaltung bevorzugt drei Phasen aufweist.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Phasen im mehrphasigen Hochsetzbetrieb zueinander phasenverschoben betrieben werden, was auch als interleaved bezeichnet werden kann. Eine Restwelligkeit eines Stroms kann auch Ripple oder Stromrippe genannt werden. Die Restwelligkeiten an den Induktivitäten können zueinander phasenverschoben sein. Bei der Überlagerung der phasenverschobenen Restwelligkeiten in den verschiedenen Hochsetzstellern kann eine partielle Auslöschung der Wechselanteile im Summenstrom erfolgen, sodass eine gesamte Restwelligkeit im Netzstrom signifikant reduziert sein kann. Im Eingangsstrom und/oder im Ausgangsstrom kann sich ein reduzierter Summenstromripple ergeben. Dadurch kann eine Aussendung von Störungen am HV-Eingang gesenkt sein, sodass sich eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ergeben kann. Ferner kann ein Zwischenkreiskondensator aufgrund der verringerten Restwelligkeit geringer dimensioniert werden. Es ist zu beachten, dass die Ladeschaltung auch mit weniger oder mehr als drei Phasen aufgebaut werden kann.
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Eine bekannte 3 Level T-Type PFC-Schaltung, die als 2 Level Hochsetzsteller betrieben wird, kann stark erhöhte Restwelligkeiten in einer Drossel aufweisen, weil die Induktivität der für PFC dimensionierten Drossel für den 2 Level Hochsetzsteller viel zu gering ist. Falls ein solcher Betrieb überhaupt möglich ist, dann häufig nur mit reduzierter Leistung. Es wird daher vorgeschlagen, eine 3 Level T-Type PFC zu einem 3 Level Hochsetzsteller zu erweitern. Sowohl die PFC als auch der Hochsetzsteller können als 3 Level Wandler arbeiten. Stromripple in Drosseln können im PFC-Betrieb und im Betrieb als Hochsetzsteller ähnlich groß sein. Der Hochsetzsteller kann daher mit größerer Leistung betrieben werden.
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Die Wechselspannung kann mehrere Phasen aufweisen und jeder Phase kann in der Ladeschaltung eine Halbbrücke zugeordnet sein. Im Leistungsfaktorkorrekturbetrieb können an den Phasen zueinander phasenverschobene Wechselspannungen anliegen. Die einzelnen Phasen der Netzspannung werden üblicherweise mittels Induktivitäten, die als Drosseln ausgebildet sein können, an die Halbbrücken angeschlossen. Die Ladeschaltung kann eine 3-Level T-Type PFC und einen 3-Level T-Type DC/DC-Wandler in einem umfassen. Eine Ansteuerung der Schalter, Stromventile und der Schalteinrichtung kann darüber entscheiden, ob die Ladeschaltung zur Leistungsfaktorkorrektur oder als Hochsetzsteller betrieben wird.
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Bevorzugt ist die Steuervorrichtung dazu eingerichtet, das Relais in Abhängigkeit eines zu steuernden Betriebs anzusteuern. Es können auch mehrere Relais eingesetzt und angesteuert werden, um die Ladeschaltung passend für Hochsetzbetrieb oder den Leistungsfaktorkorrekturbetrieb zu beschalten.
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Die Steuervorrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus eine Aufladung des Energiespeichers aus einer Wechselspannung mittels Leistungsfaktorkorrektur; und in einem zweiten Betriebsmodus eine Aufladung aus einer Gleichspannung mittels Hochsetzstellen zu realisieren. Konzeptionell kann die Erfindung eine bekannten Leistungsfaktorkorrektur durch Hinzufügen weniger Bauteile in einen Hochsetzsteller umgebaut werden. Die hinzugefügten Bauteile umfassen die genannten Schalter, die als Standardbauteile ohne besondere Anforderungen, beispielsweise bezüglich einer Schaltgeschwindigkeit, kostengünstig verfügbar sein können. Eine für die Leistungsfaktorkorrektur vorgesehene Steuervorrichtung kann mit geringem Aufwand dazu konfiguriert oder programmiert werden, alternativ auch die Hochsetzstellung zu steuern. Es ist besonders bevorzugt, dass die Leistungsfaktorkorrektur und der Hochsetzsteller jeweils in drei Leveln arbeiten.
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Eine elektrische Antriebsachse umfasst eine elektrische Antriebsmaschine und eine hierin beschriebene Ladeschaltung. Ferner kann die Antriebsachse ein Getriebe umfassen. Weiter optional kann die Antriebsachse einen Inverter umfassen. Optional ist eine weitere Antriebsmaschine an Bord des Kraftfahrzeugs vorgesehen, die an das Getriebe angekoppelt sein kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug eine hierin beschriebene elektrische Antriebsachse. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet sein, alternativ auch beispielsweise als Kraftrad, als Lastkraftwagen oder als Omnibus.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem und einer Ladeschaltung;
- 2 eine Ladeschaltung in einer einphasigen Ausführungsform;
- 3 eine Ladeschaltung in einer dreiphasigen Ausführungsform; und
- 4 beispielhafte Signalverläufe an einer Ladeschaltung
darstellt.
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1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 100 an Bord eines Kraftfahrzeugs 105. Das Antriebssystem 100 umfasst eine elektrische Antriebsmaschine 110, eine Ladebuchse 115, einen elektrischen Energiespeicher 120, eine Ladeschaltung 125 und einen Inverter 130. Das Antriebssystem 100 ist dazu eingerichtet, das Kraftfahrzeug 105 anzutreiben. Optional ist noch eine weitere Antriebsmaschine vorgesehen, insbesondere eine Brennkraftmaschine. Das Antriebssystem 100 kann eine elektrische Antriebsachse umfassen.
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Der elektrische Energiespeicher 120 ist bevorzugt elektrochemisch ausgeführt. Die Antriebsmaschine 120 kann beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgeführt sein, andere Bauformen sind jedoch ebenfalls möglich.
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Die Ladebuchse 115 ist dazu eingerichtet, mit einer Wechselspannung (AC) oder einer Gleichspannung (DC) verbunden zu werden, um Energie zum Aufladen des Energiespeichers 120 beispielsweise von einer Ladestation zu übernehmen. Dazu kann die Ladebuchse 115 einen AC-Teil und einen DC-Teil umfassen. Die Ladeschaltung 125 kann weiter bevorzugt in zwei verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. In einem Hochsetzbetrieb kann die Ladeschaltung eine niedrigere Gleichspannung, die an der Ladebuchse 115 anliegt, in eine höhere Gleichspannung zum Aufladen des Energiespeichers 120 umwandeln. In einem Leistungsfaktorkorrekturbetrieb kann eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt werden, um den Energiespeicher 120 aufzuladen. Eine mittels der Ladeschaltung 125 bereitgestellte Ausgangsspannung wird üblicherweise nicht direkt an den Energiespeicher 120 geleitet, sondern es ist ein DC/DC-Wandler zwischengeschaltet, der hier nicht dargestellt ist. Der DC/DC-Wandler kann eine galvanische Trennung der Ladeschaltung 125 vom Energiespeicher 120 realisieren.
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2 zeigt eine beispielhafte Ladeschaltung 125 in einer ersten, einphasigen Ausführungsform. Eine Steuervorrichtung 205 ist dazu eingerichtet, aktive Elemente der Ladeschaltung 125 passend anzusteuern. Die Ladeschaltung 125 kann mit der Ladebuchse 115 verbunden werden und stellt an einem Zwischenkreis 203 eine Spannung bereit, die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 120 verwendet werden kann. In einer einstufigen Ladeschaltung 125 mit PFC kann der Zwischenkreis 203 direkt an den elektrischen Energiespeicher 120 angelegt sein; in einer zweistufigen Ladeschaltung 125 mit PFC ist zusätzlich ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der die Spannung des Zwischenkreises 203 in eine andere Gleichspannung umwandelt, die an den elektrischen Energiespeicher 120 angelegt ist.
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Eine Halbbrücke 210 umfasst ein oberes Stromventil S1 und ein unteres Stromventil S2, die in Serie zwischen Potentialen des Zwischenkreises 203 verbunden sind, sodass zwischen ihnen ein erster Anschlusspunkt 215 gebildet ist. Die Stromventile S1, S2 umfassen je eine Diode, die mit ihren Kathoden jeweils in Richtung des hohen Potentials des Zwischenkreises 203 orientiert sind. Die Dioden können durch die Ausführung der Stromventile S1, S2 beispielsweise als MOSFET bedingt sein. Anstelle der Schalter S1 und S2 könnten für einen rein unidirektionalen Betrieb des Ladegeräts 125 auch Dioden eingesetzt werden.
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Ebenfalls zwischen Potentialen des Zwischenkreises 203 sind ein oberer Kondensator C1 und ein unterer Kondensator C2 in Serie verbunden, sodass zwischen ihnen ein zweiter Anschlusspunkt 220 gebildet ist. Die Kondensatoren C1, C2 sind als Zwischenkreiskondensatoren ausgebildet und können Kapazitäten von ca. 1 mF aufweisen. Über den unteren Kondensator C2 sind zwei Schalter S13, S14 in Serie miteinander verbunden, sodass zwischen ihnen ein dritter Anschlusspunkt 225 gebildet ist.
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Zwischen den Anschlusspunkten 215 und 220 ist eine (erste) Schalteinrichtung 230 vorgesehen, die zwei in Serie geschaltete Halbleiter S3, S4 umfassen kann, die bevorzugt einander entgegengesetzt, also antiseriell orientiert sind. Zwischen dem ersten Anschlusspunkt und einem hohen Potential L1/+HV_L einer von der Ladebuchse 115 für den Betrieb als Hochsetzsteller bereitgestellten Eingangsgleichspannung ist eine Induktivität L1 vorgesehen, die bevorzugt als Drossel ausgebildet ist. Bei der Eingangsspannung handelt es sich um Gleichspannung, die mit dem DC-Teil der Ladebuchse 115 verbunden ist und beispielsweise von einer DC-Ladestation bereitgestellt ist. Das niedrige Potential -HV_L ist mit dem dritten Anschlusspunkt 225 zwischen den Schaltern S13, S14 verbunden.
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In einem Hochsetzbetrieb kann die Ladeschaltung 125 als Hochsetzsteller betrieben werden. Ist der obere Schalter S13 geschlossen und der untere Schalter S14 geöffnet, so kann ein erster Hochsetzsteller aus der Induktivität L1, der Schalteinrichtung 230, dem oberen Stromventil S1 und dem oberen Kondensator C1 gebildet sein. Ist der obere Schalter S13 geöffnet und der untere Schalter S14 geschlossen, so kann aus der Induktivität L1, der Schalteinrichtung 230, dem unteren Stromventil S2 und dem unteren Kondensator C2 ein zweiter Hochsetzsteller gebildet sein. Die Schalter S13, S14 werden alternierend geöffnet und geschlossen, sodass die Hochsetzsteller abwechselnd arbeiten und die Kondensatoren C1, C2 abwechselnd aufgeladen werden können. An den Potentialen des Zwischenkreises 203 kann eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden, die wenigstens dem zweifachen der Eingangsspannung entspricht.
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3 zeigt eine Ladeschaltung 125 in einer zweiten, dreiphasigen Ausführungsform, die auf der Ausführungsform von 2 aufbaut. Die dargestellte Ladeschaltung 125 basiert auf einer 3-Level T-Type PFC, die zu einem 3 Level Hochsetzsteller erweitert ist. Zusätzlich zur Halbbrücke 210 sind zwei weitere Halbbrücken 305, 310 vorgesehen, welche Stromventile S5 und S6 bzw. S9 und S10 umfassen. Den Halbbrücken 305, 310 sind Schalteinrichtungen 315 und 320 zugeordnet, welche antiseriell geschaltete Halbleiter S7 und S8 bzw. S11 und S12 umfassen.
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Die dargestellte Ladeschaltung 125 umfasst drei Phasen, wobei jeder Phase eine Halbbrücke 210, 305, 310 zugeordnet ist. Im Betrieb als Hochsetzsteller sind Ansteuersignale an den Schalteinrichtungen 230, 315, 320 und an den Halbbrücken 210, 305, 310 üblicherweise um T/n phasenverschoben, wobei n die Anzahl der Phasen und T die Periodendauer der Taktfrequenz angibt. Im dreiphasigen Fall von 3 bedeutet das eine Phasenverschiebung von T/3 = 120°. Jede Phase kann im Hochsetzstellerbetrieb ähnlich wie die Ausführungsform von 2 arbeiten, um eine Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung umzuwandeln und am Zwischenkreis 203 bereitzustellen.
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Es ist bevorzugt, dass die Phasen im Hochsetzstellerbetrieb verschachtelt (interleaved) angesteuert werden, sodass sich Stromripple in den Drosseln L1-L3 überlagern. Ein Stromripple im Anschluss L1/+HV_L kann dadurch entscheidend kleiner als die Stromripple in den Drosseln L1-L3 sein. Eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der Ladeschaltung 125 kann dadurch signifikant verbessert sein. Die Eingänge der T-Type Hochsetzsteller werden dabei über die Drosseln L1-L3 phasenverschoben angesteuert, sodass die Stromripple durch die Drosseln L1-L3 zueinander verschoben sind. Vorliegend kann beispielsweise das Leg mit L1/S1/S2/S3/S4 phasenverschoben zum Leg mit L2/S5/S6/S7/S8 angesteuert werden.
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An der Ladebuchse 115 kann eine einphasige Wechselspannung über Anschlüsse L1 und N, eine dreiphasige Wechselspannung über die Anschlüsse L1-L3 und N oder eine Gleichspannung über die Anschlüsse L1/+HV_L und -HV_L bereitgestellt sein. Die Wechselspannung wird über einen AC-Teil der Ladebuchse 115 und die Gleichspannung über einen DC-Teil übernommen. Diese beiden Teile sind in der Ladebuchse 115 voneinander getrennt.
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Außer dem beschriebenen Hochsetzbetrieb mit Hochsetzstellern kann die Ladeschaltung 125 im Leistungsfaktorkorrekturbetrieb auch zum Aufladen des Energiespeichers 120 aus einer Wechselspannung eingesetzt werden. Zur Auswahl eines Betriebsmodus können ein oder mehrere Relais vorgesehen sein, deren Kontakte K1 bis K8 gesteuert werden können, wie in der folgenden Tabelle gezeigt ist. Dabei steht eine 1 für einen geschlossenen und eine 0 für einen offenen Kontakt.
| Kontakt | AC Laden 3 phasig | AC Laden 1 phasig | DC Laden HV_L → HV_H |
| K1 | 0 | 1 | 0 |
| K2 | 1 | 1 | 0 |
| K3 | 1 | 0 | 0 |
| K4 | 1 | 0 | 0 |
| K5 | 0 | 1 | 0 |
| K6 | 0 | 0 | 1 |
| K7 | 0 | 0 | 1 |
| K8 | 0 | 0 | 1 |
| K9 | 0 | 0 | 1 |
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Soll eine größere Leistung geschaltet werden, so kann zum Schalten ein Schütz verwendet werden. Ein Schütz umfasst wie ein Relais einen elektromagnetisch betätigten Schalter, ist aber üblicherweise auf eine größere zu schaltende Spannung und/oder einen größeren zu schaltenden Strom ausgelegt. In einer Ausführungsform sind K1-5 Relais und K6-9 Schütze. Für die Zwecke des vorliegenden Dokuments umfasst der Begriff des Relais auch ein Schütz.
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4 zeigt beispielhafte Signalverläufe an einer Ladeschaltung 125 in der einphasigen Ausführungsform von 2. In einer vertikalen Richtung sind Spannungen bzw. Ströme und in einer horizontalen Richtung eine Zeit angetragen.
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Ein erster Verlauf 405 zeigt einen Strom durch die Drossel L1.
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Ein zweiter Verlauf 410 zeigt eine Spannung am Zwischenkreis 203 der Ladeschaltung 125.
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Ein dritter Verlauf 415 zeigt eine Spannung am oberen Kondensator C1.
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Ein vierter Verlauf 420 zeigt eine Spannung am unteren Kondensator C2.
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Ein fünfter Verlauf 425 zeigt einen Ausgangsstrom am Zwischenkreis 203. Der dargestellte Strom kann beispielsweise durch die Klemme +HV_H fließen.
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Ein sechster Verlauf 430 zeigt ein Ansteuersignal für die Schalteinrichtung S1
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Ein siebter Verlauf 435 zeigt ein Ansteuersignal für die Schalteinrichtungen S3 und S4, hier als gemeinsames Ansteuersignal dargestellt.
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Ein achter Verlauf 440 zeigt ein Ansteuersignal von S2.
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Ein neunter Verlauf 445 zeigt ein Ansteuersignal für den Schalter S13. Ein hoher Pegel steht für einen geschlossenen Schalter S13, ein niedriger Pegel für einen geöffneten Schalter S13.
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Ein zehnter Verlauf 450 zeigt ein Ansteuersignal für den Schalter S14. Ein hoher Pegel steht für einen geschlossenen Schalter S14, ein niedriger Pegel für einen geöffneten Schalter S14.
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Bezugszeichen
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- 100
- Antriebssystem
- 105
- Kraftfahrzeug
- 110
- elektrische Antriebsmaschine
- 115
- Ladebuchse
- 120
- elektrischer Energiespeicher
- 125
- Ladeschaltung
- 130
- Inverter
- 203
- Zwischenkreis
- 205
- Steuervorrichtung
- 210
- (erste) Halbbrücke
- 215
- erster Anschlusspunkt
- 220
- zweiter Anschlusspunkt
- 225
- dritter Anschlusspunkt
- 230
- (erste) Schalteinrichtung
- 305
- (zweite) Halbbrücke
- 310
- (dritte) Halbbrücke
- 315
- zweite Schalteinrichtung
- 320
- dritte Schalteinrichtung
- S1, S5, S9
- oberes Stromventil
- S2, S6, S10
- unteres Stromventil
- S3, S4
- Halbleiter der ersten Schalteinrichtung
- S7, S8
- Halbleiter der zweiten Schalteinrichtung
- S11, S12
- Halbleiter der dritten Schalteinrichtung
- S13
- oberer Schalter
- S14
- unterer Schalter
- C1, C2
- Kondensator
- L1, L2, L3
- Induktivität
- K1-K9
- Kontakt
- 405 - 450
- Signalverläufe