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DE102022001418A1 - Ladeeinrichtung für ein Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs aus einer Wechselspannung, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladeeinrichtung - Google Patents

Ladeeinrichtung für ein Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs aus einer Wechselspannung, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Ladeeinrichtung Download PDF

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DE102022001418A1
DE102022001418A1 DE102022001418.1A DE102022001418A DE102022001418A1 DE 102022001418 A1 DE102022001418 A1 DE 102022001418A1 DE 102022001418 A DE102022001418 A DE 102022001418A DE 102022001418 A1 DE102022001418 A1 DE 102022001418A1
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DE
Germany
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voltage
charging device
intermediate circuit
vehicle
converter
Prior art date
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Application number
DE102022001418.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Akin Candir
Urs Boehme
Martin Lienau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft Ladeeinrichtung (3) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) aus einer Wechselspannung (UAC), mit- einer Eingangsseite (6) zum Bereitstellen der Wechselspannung (UAC),- einer Ausgangsseite (7) zum Bereitstellen einer Gleichspannung (UDC) aus der Wechselspannung (UAC) für den elektrischen Energiespeicher (4),- einem Gleichrichter (8) zum Gleichrichten der Wechselspannung (UAC) in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1),- einem Gleichspannungswandler (9) zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung (UZ1) in die Gleichspannung (UDC) oder zum Wandeln einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2), wobei- einen Zwischenkreisabgriff (15), welcher zwischen dem Gleichrichter 8) und dem Gleichspannungswandler (9) angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung (UZ2) für ein elektrisches Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einen elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1).Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus einer Wechselspannung. Mit einer Ladeseite der Ladeeinrichtung kann die Wechselspannung bereitgestellt werden. Eine Ausgangsseite der Ladeeinrichtung ist ausgelegt, um eine Gleichspannung aus der Wechselspannung für den elektrischen Energiespeicher bereitzustellen. Des Weiteren weist die Ladeeinrichtung einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung mit einer ersten Zwischenkreisspannung auf. Ebenfalls gehört zu der Ladeeinrichtung ein Gleichspannungswandler zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung in die Gleichspannung oder zum Wandeln einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers in eine zweite Zwischenkreisspannung.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei mit einem Gleichrichter der Ladeeinrichtung eine Wechselspannung, welche an einer Eingangsseite der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung gleichgerichtet wird und in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die erste Zwischenkreisspannung mit einem Gleichspannungswandler der Ladeeinrichtung in eine Gleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs umgewandelt wird. In einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung wird eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit dem Gleichspannungswandler in eine zweite Zwischenkreisspannung umgewandelt.
  • Beispielsweise wird in Plug-in-Fahrzeugen eine Abgasnachbehandlung benötigt, welche einen zusätzlichen Leistungsbedarf von zirka fünf Kilowatt erfordert. Zudem können Fahrzeuge auf das autonome Fahrlevel FAP6 gehoben werden, wozu ein weiterer Leistungsbedarf notwendig ist. Die Energiebereitstellung soll durch zwei separate DC-DC-Wandler aus der Batterie des Fahrzeugs erfolgen. Hierzu benötigt das Fahrzeug zusätzlichen Bauraum, welcher nur bedingt vorhanden ist. Bordlader, insbesondere galvanisch isolierte Bordlader (Phasenmodulladebordlader), bestehen aus drei einzelnen, eigenständigen Ladegeräten pro Phase. Es wird dabei die Sternspannung als Eingangsspannung abgegriffen, also die Spannung zwischen L1 und N beziehungsweise L2 und N und L3 und N.
  • In dem ersten Schritt erfolgen eine Gleichrichtung der AC-Eingangsspannung und eine Regelung eines Eingangsstroms, der von seinem Spitzenwert einem vorgegebenen Wert entspricht und dessen Strom in Phase mit der Spannung eingestellt wird. Dies wird beispielsweise als PFC („Power Factor Correction“) bezeichnet. Bei einem Bordlader mit Abgriff der Sternpunktspannung wird meist eine Ausgangsspannung der PFC von beispielsweise 400 Volt bis 450 Volt eingeregelt. Als nächstes folgt ein großer Kondensator, wie beispielsweise ein Bulk-Kondensator, dessen Aufgabe es ist, die schwankende Eingangsleistung zu glätten und eine möglichst stabile Ausgangsleistung des Bordladers zu ermöglichen. Nach dem Bulk-Kondensator erfolgt die galvanische Trennung durch einen isolierenden DC-DC-Wandler. Sofern das Fahrzeug eine HV-Spannung im 400-Volt-Bereich besitzt, bietet sich ein Übersetzungsverhältnis von beispielsweise eins zu eins an. Liegt die HV-Spannung im 800-Volt-Bereich, so wird ein Übersetzungsverhältnis von zirka eins zu zwei gewählt. Für eine PFC kommen unterschiedliche Schaltungen infrage, wie PFC unidirektional mit Brückengleichrichter und Boost-Konverter, Totem Pole PFC unidirektional Boost PFC oder Totem Pole PFC bidirektional Boost PFC. Hierbei können immer nur die Phase und N als Eingangsspannung verwendet werden. Heutzutage ist es üblich, die PFC als Boost-Wandler mit Gleichrichtung auszuführen. Dabei wird die Ausgangsspannung auf einen Wert oberhalb der maximalen AC-Eingangsspannung angehoben.
  • In Fahrzeugen wird beispielsweise eine Buck-PFC verwendet, das heißt eine PFC, deren Ausgangsspannung niedriger ist im Vergleich zu der maximalen AC-Eingangsspannung.
  • Als galvanisch getrennter Wandler stehen ebenfalls mehrere Schaltungstopologien zur Auswahl. Die am häufigsten verwendete Schaltung ist die sogenannte LLC-Topologie („Logical Link Control“). Des Weiteren ist auch die Dual Active Bridge oder auch die Phase Shift-Full Bridge bekannt. Häufig wird in Bordladern als isolierende DC-DC-Wandler eine LLC-Topologie verwendet. Wäre dieser DC-DC-Wandler bidirektional gefordert, so können die Dioden D1 bis D4 des Gleichrichters durch Halbleiterschalter ersetzt werden.
  • Beispielsweise sind auch Bordlader mit Abgriff der verketteten Spannung bekannt. Solche bestehen aus einer einzigen Wandlerphase. die PFC (Leistungsfaktor Korrekturfilter) greift am Eingang alle drei Phasenspannungen und den Nullleiter ab. Die Ausgangsspannung der PFC beträgt mindestens die werteverkettete Spannung multipliziert mit Wurzel 2. Um auch den gewünschten Strom einstellen zu können, ist es notwendig, diese Spannung noch zu boostern beziehungsweise hochzusetzen. Demzufolge beträgt die Ausgangsspannung beispielsweise einen Wert von 600 Volt oder höher. Der in diesem Wandler vorgesehene Balg-Kondensator wird theoretisch bei einem 3-phasigen AC-Laden nicht benötigt, da die Eingangsleistung zeitlich konstant ist. Er wird jedoch trotzdem benötigt, da der Lader in der Regel auch einen einphasigen Ladebetrieb ermöglichen muss und somit eine Glättung der schwankenden Eingangsleistung erforderlich ist. Vorteilhaft ist jedoch, dass in dieser Topologie nur ein Bulk-Kondensator im gesamten Gerät verbaut ist, während in der Topologie mit drei eigenständigen Phasen dieser Kondensator in Summe dreimal verbaut ist. Nach dem Kondensator folgt auch hier ein galvanisch getrennter DC-DC-Wandler. Er verfügt bei einem 400-Volt-Fahrzeug über ein Übersetzungsverhältnis von zirka zwei zu eins bis drei zu zwei. In einem 800-Volt-Fahrzeug wäre es zirka drei zu vier bis eins zu eins. Als PFC kommen bei einem solchen Wandler beispielsweise eine B6-Brücke (Drei-Phasen-Inverter) oder ein „VIENNA RECTIFIR“ zum Einsatz. Eine Buck-Boost-PFC ist in Fahrzeugen üblicherweise nicht vorgesehen. Als galvanisch getrennter Wandler bestehen ebenfalls mehrere Schaltungstopologien zur Auswahl. Die am häufigsten verwendete Schaltung ist die sogenannte LLC-Topologie. Des Weiteren sind auch die Dual Active Bridge oder auch die Phase Shift-Full Bridge bekannt. Der galvanisch getrennte Wandler ist auf die Gesamtleistung des On-Bord-Laders auszulegen. Es können auch mehrere galvanisch getrennte DC-DC-Wandler parallel betrieben werden.
  • Beispielsweise zeigen die DE 10 2019 001 196 A1 , die DE 10 2019 003 459 A1 , die DE 10 2019 005 732 A1 , die DE 10 2018 006 409 A1 oder die DE 10 2018 000 491 A1 beispielhafte Bordnetze und Ladesysteme von Fahrzeugen mit einem On-Bord-Lader zum Laden einer Fahrzeugbatterie an einem Wechselstromanschluss.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ladeeinrichtung („On-BordLader“) für elektrisch betriebene Fahrzeuge funktioneller zu gestalten, sodass dieser für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Ladeeinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus einer Wechselspannung, mit
    • - einer Eingangsseite zum Bereitstellen der Wechselspannung,
    • - einer Ausgangsseite zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus der Wechselspannung für den elektrischen Energiespeicher,
    • - einem Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung in eine erste Zwischenkreisspannung,
    • - einem Gleichspannungswandler zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung in die Gleichspannung oder zum Wandeln einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers in eine zweite Zwischenkreisspannung,
    • - einen Zwischenkreisabgriff, welcher zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichspannungswandler angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung für ein elektrisches Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder einen elektrischen Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
  • Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung können beispielsweise Bordlader umfangreicher und insbesondere vielseitiger im Fahrzeug eingesetzt werden. Da beispielsweise bei Plug-in-Fahrzeugen aufgrund beispielsweise von Abgasvorschriften notwendig sein kann, zusätzliche elektrische Leistung für eine Katalysator-Heizung oder ein zusätzliches Gebläse bereitzustellen, ist ein höherer Leistungsbedarf erforderlich. Dies kann durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung erreicht werden, da beispielsweise solche Verbraucher mittels des Zwischenkreisabgriffs elektrisch versorgt werden können. Beispielsweise kann es sich bei der zweiten Zwischenkreisspannung beziehungsweise ersten Zwischenkreisspannung um eine LV-Spannung, also eine Niedervolt-Spannung, handeln. Da beispielsweise die Heizelemente (wie die Katalysator-Heizung) über sehr hohe Temperaturen verfügen und eine elektrische Isolation hier kritisch gesehen wird, ist eine Niederspannung vorteilhaft. Aufgrund der trotzdem noch hohen Leistung wäre hier eine Spannungslage von 48 Volt beispielsweise zu favorisieren, um die Ströme noch etwas geringer zu halten und die Kabelquerschnitte beziehungsweise Kontaktierungselemente nicht zu groß werden zu lassen. Mithilfe des Zwischenkreisabgriffs der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung kann beispielsweise eine solche 48-Volt- und/oder 12-Volt-Spannung bereitgestellt werden.
  • Vorteilhaft kommt die vorgeschlagene Ladeeinrichtung auch dann zum Tragen, wenn im Fahrzeug Weiterentwicklungen von autonomen Fahrfunktionen eingesetzt werden. Diese benötigen ein redundantes LV-Bordnetz, also ein Niedervoltbordnetz. Dieses Bordnetz muss aus Sicherheitsgründen aus einem weiteren galvanisch isolierenden DC-DC-Wandler aus dem Hauptbordnetz beziehungsweise Oberbordnetz des Fahrzeugs versorgt werden. Solche Zusatzfunktionen beziehungsweise Zusatzleistungen stellen einen erheblichen Zusatzbedarf an Bauraum und Kosten dar. Hierzu greift die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ein, da durch den erfindungsgemäßen Zwischenabgriff für das elektrische Bordnetz und/oder für elektrische Verbraucher die zweite Zwischenkreisspannung, insbesondere eine 48-Volt- oder 12-Volt-Spannung, bereitgestellt werden kann.
  • Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung eine, insbesondere maximale, Synergie zwischen einem Bordlader und einem LV-DC-DC-Wandler erreicht werden. Alle neuen erforderlichen Funktionen können durch eine Mehrfachnutzung der Ladeeinrichtung erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung hat den Vorteil, dass diese im Vergleich zu einem verteilten HV-System bestehend aus OBC („On-Board-Charger“) und separater DC-DC-Wandler einen geringeren Bauraumbedarf aufweist. Somit können auch Kosteneinsparungen vorgenommen werden. Insbesondere kann durch die vorgeschlagene Ladeeinrichtung eine Gewichtseinsparung im Fahrzeug erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung kann ein Bordlader („On-Bord-Loader“) so angepasst werden, dass dieser eine Wechselspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung (LV-DC-Spannung) wandeln kann. Somit kann beim Laden des Fahrzeuges auch ein LV-Bereich (Lower Voltage) elektrisch versorgt werden. Über einen bidirektionalen Teil der Ladeeinrichtung kann dann auch im Fahrbetrieb aus einem HV-Bereich (High Voltage) der LV-Bereich des Bordnetzes elektrisch versorgt werden. Insbesondere kann mithilfe der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ein Bordlader bereitgestellt werden, bei welchem die PFC nicht wie üblich die AC-Spannung auf ein höheres DC-Spannungsniveau anhebt, sondern die AC-Spannung auf ein LV-Spannungsniveau (zum Beispiel 48 Volt) absenkt, also im Buck-Betrieb. Der Ausgang der Buck-PFC ist über den internen Zwischenkreis im Bordlader beziehungsweise der Ladeeinrichtung mit einem bidirektional galvanisch isolierenden Wandler verbunden. Der interne Abgriff kann bei Bedarf mit einem LV-Bordnetz über Schaltelemente verbunden werden oder getrennt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei
    • - mit einem Gleichrichter der Ladeeinrichtung eine Wechselspannung, welche an einer Eingangsseite der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung gleichgerichtet wird,
    • - in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die erste Zwischenkreisspannung mit einem Gleichspannungswandler der Ladeeinrichtung in eine Gleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs umgewandelt wird, und
    • - in einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit dem Gleichspannungswandler in eine zweite Zwischenkreisspannung umgewandelt wird,
    • - in dem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die zweite Zwischenkreisspannung einem elektrischen Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder einem elektrischen Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereitgestellt wird.
  • Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit der vorher geschilderten Ladeeinrichtung durchgeführt werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise ein Teilbordnetz, Niedervoltbordnetz oder LV-Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder elektrische Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einer LV-Spannung elektrisch versorgt werden. Dies kann insbesondere in einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges durchgeführt werden, sodass beispielsweise im Fahrbetrieb des Fahrzeuges durch die zweite Zwischenkreisspannung zusätzliche elektrische Verbraucher und/oder Funktionen im Fahrzeug elektrisch versorgt werden können. Somit kann auf zusätzliche Kapazitäten bezüglich des elektrischen Energiespeichers und/oder zusätzliche komplexe Schaltungen verzichtet werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Ladeeinrichtung sind als vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen. Insbesondere weist die Ladeeinrichtung Mittel auf, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung;
    • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1;
    • 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1; und
    • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1, bei welchem es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug, ein Plug-in-Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln kann. Das Fahrzeug 1 weist ein elektrisches Bordnetz 2 auf, mit welchem beispielsweise das Fahrzeugsystem und/oder Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs 1 elektrisch versorgt und insbesondere gesteuert werden können. Beispielsweise dient das elektrische Bordnetz 2 zum elektrischen Versorgen einer Antriebseinheit, wie eines Elektromotors des Fahrzeugs 1.
  • Bei dem Bordnetz 2 kann es sich um ein Haupt-Bordnetz oder um ein übergeordnetes Bordnetz des Fahrzeugs 1 handeln.
  • Insbesondere weist das Fahrzeug 1 eine Ladeeinrichtung 3 auf. Bei der Ladeeinrichtung 3 kann es sich um ein integriertes Ladegerät, On-Bord-Charger, On-Bord-Lader oder um eine elektrische Ladeeinheit des Fahrzeugs 1 handeln. Mithilfe der Ladeeinrichtung 3 kann primär ein elektrischer Energiespeicher 4 des Fahrzeugs 1 aus einer Wechselspannung UAC elektrisch geladen werden. Hierzu kann die Ladeeinrichtung 3, welche Bestandteil des elektrischen Bordnetzes 2 sein kann, an einen Wechselspannungsanschluss 5 angeschlossen werden. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Wechselstromladesäule handeln. Ebenso denkbar ist, dass es sich bei dem Wechselspannungsanschluss 5 um ein Spannungsnetz handelt. Beispielsweise kann die Wechselspannung UAC einer Eingangsseite 6 der Ladeeinrichtung 3 zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann die Wechselspannung UAC 110 Volt oder 230 Volt betragen. Mithilfe der Ladeeinrichtung 3 kann die Wechselspannung UAC in eine Gleichspannung UDC gewandelt werden. Diese kann wiederum an einer Ausgangsseite 7 der Ladeeinrichtung 3 bereitgestellt werden, sodass mithilfe der Gleichspannung UDC der elektrische Energiespeicher 4 geladen werden kann. Bei dem elektrischen Energiespeicher 4 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie, Hochvoltbatterie oder um Batteriesysteme sowie Batterieanordnungen des Fahrzeuges 1 handeln. Insbesondere weist die Gleichspannung UDC ein Spannungslevel von größer 60 Volt, beispielsweise 400 Volt, auf.
  • Mithilfe eines Gleichrichters 8 kann die Wechselspannung UAC in eine erste Zwischenkreisspannung UZ1 gleichgerichtet beziehungsweise gewandelt werden. Insbesondere kann hierzu der Gleichrichter 8 einen Leistungsfaktorkorrekturfilter und einen Abwärtswandler aufweisen. Somit kann der Gleichrichter 5 als Buck-PFC-Wandler beziehungsweise Buck-PFC-Einheit bezeichnet werden. Somit handelt es sich bei der ersten Zwischenkreisspannung UZ1 um eine Gleichspannung. Des Weiteren weist die Ladeeinrichtung 3 einen Gleichspannungswandler 9 auf. Mit diesem kann beispielsweise die erste Zwischenkreisspannung UZ1 in die Gleichspannung UDC gewandelt werden. Der Gleichspannungswandler 9 kann beispielsweise als galvanisch isolierender DC-DC-Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler 9 bidirektional, also als bidirektionaler isolierender DC-DC-Wandler, ausgebildet sein. Somit kann des Weiteren der Gleichspannungswandler 9 dazu verwendet werden, um eine Batteriespannung UBatt des elektrischen Energiespeichers 4 in eine zweite Zwischenkreisspannung UZ2 umzuwandeln. Insbesondere wird in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 die Wechselspannung UAC in die Gleichspannung UDC umgewandelt. Bei dem ersten Betriebszustand handelt es sich beispielsweise um einen Ladebetrieb beziehungsweise Ladezustand des Fahrzeugs 1. In einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 kann wiederum die Batteriespannung UBatt in die zweite Zwischenkreisspannung UZ2 gewandelt werden. Somit kann je nach Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 und insbesondere je nach Betriebszustand des Fahrzeugs 1 die Ladeeinrichtung 3 und insbesondere der Gleichspannungswandler 9 bidirektional, also in beide Richtungen wandelbar, betrieben werden.
  • Beispielsweise ist die Eingangsseite 6 der Ladeeinrichtung 3 mit einer Eingangsseite 10 des Gleichrichters 8 elektrisch verbunden. Eine Ausgangsseite 11 des Gleichrichters 8 ist mit der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 elektrisch verbunden und die Ausgangsseite 7 der Ladeeinrichtung 3 ist mit einer Ausgangsseite 13 des Gleichspannungswandlers 9 elektrisch verbunden.
  • Um, wie bereits eingangs erwähnt, die Ladeeinrichtung 3 in ihrem Funktionsumfang beziehungsweise Anwendungsgebiet vielfältiger zu nutzen beziehungsweise zu erweitern, ist zwischen der Ausgangsseite 11 des Gleichrichters 8 und der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 ein, insbesondere elektrischer, Zwischenkreis 14 angeordnet beziehungsweise geschalten. Dieser Zwischenkreis 14 kann zur Bereitstellung der beiden Zwischenkreisspannungen UZ1 und UZ2 dienen. Insbesondere kann es sich bei der ersten Zwischenkreisspannung und der zweiten Zwischenkreisspannung UZ1, UZ2 um ein und dieselbe Spannung handeln. Insbesondere kann die erste und zweite Zwischenkreisspannung UZ1, UZ2 denselben Spannungswert aufweisen.
  • Der Zwischenkreis 14 weist insbesondere einen Zwischenkreisabgriff 15 auf. Mit diesem kann insbesondere die zweite Zwischenkreisspannung UZ2 für ein elektrisches Bordnetz 16 und/oder einen elektrischen Verbraucher 17 zur Verfügung beziehungsweise bereitgestellt werden. Bei dem elektrischen Bordnetz 16 handelt es sich um ein gegenüber dem Bordnetz 2 separates beziehungsweise verschiedenes Bordnetz. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Bordnetz 16 um ein Teilbordnetz, Niedervoltbordnetz oder ein LV-Bordnetz. Das Bordnetz 16 ist zum Bordnetz 2 separat ausgebildet. Bei dem elektrischen Verbraucher 17 kann es sich wiederum um einen elektrischen Zusatzverbraucher des LV-Bordnetzes handeln. Insbesondere kann mithilfe der zweiten Zwischenkreisspannung UZ2 die Abgas-Nachbehandlung des Fahrzeugs 1 und/oder das LV-Bordnetz für autonome Fahrfunktionen elektrisch versorgt werden.
  • Bei dem Zwischenabgriff 15, welcher insbesondere zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9 verschaltet ist, kann mittels Schaltelemente 18, 19 mit dem Zwischenkreis 14 elektrisch verbunden sein, wobei die Schaltelemente 18, 19 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 schaltbar ist. Insbesondere handelt es sich bei den Schaltelementen 18, 19 um einen jeweiligen Schalter für einen positiven und negativen Strompfad zwischen dem Gleichrichter 8 und Gleichspannungswandler 9. Insbesondere handelt es sich bei den Schaltelementen 18, 19 um einen Wechselschalter. Insbesondere kann die Ladeeinrichtung 3 als HV-LV-DC-DC-Wandler verwendet werden. Hierzu können beispielsweise die Zwischenkreisspannungen UZ1, UZ2 12 Volt oder 48 Volt aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung kann eine maximale Synergie der Komponenten des AC-Bordladers und der zusätzlichen LV-Leistungsbereitstellung zur Erfüllung von Abgasvorschriften oder zum Aufbau eines redundanten 12-Volt-Bordnetzes erzielt werden.
  • Die Ladeeinrichtung 3 wird beispielsweise als isolierender Bordlader mit Subkomponenten verwendet. Dies kann während der Fahrt des Fahrzeugs 1 erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei dem Bordnetz 16 um ein 48-Volt-Bordnetz für die Abgasnachbehandlung oder um ein redundantes 12-Volt-Bordnetz für autonome Fahrfunktionen handeln. Diese können mit der Zwischenkreisspannung UZ2 versorgt werden.
  • Bei einem 3-phasigen AC-Laden steht die Leistung der elektronischen Komponenten der Ladeeinrichtung 3 ausschließlich der Ladefunktion zur Verfügung. Beim Laden mit weniger als drei Phasen kann gegebenenfalls eine Leistung für die Zusatzfunktionen genutzt werden.
  • Insbesondere ist in der 1 der Fall dargestellt, bei welchem an der Eingangsseite 6 eine Sternpunktspannung abgegriffen wird. Insbesondere regelt der Gleichrichter an der AC-Eingangsseite 6 den Sollstrom und regelt auf der Ausgangsseite 11 auf eine Spannung im LV-Spannungsbereich, also die Zwischenkreisspannung UZ1. Bevorzugt ist hier ein 48-Volt-Spannungsbereich vorgesehen, um die auftretenden Ströme möglichst klein zu halten. Nach dem internen LV-Zwischenkreis, also dem Zwischenkreis 14, folgt ein bidirektionaler LV-HV-DC-DC-Wandler (typischerweise zum Wandeln von 48 Volt auf 400 Volt), der an seinen Ausgangsklemmen, also einem Ausgang 13, mit einem HV-System des Fahrzeuges 1 und/oder mit dem elektrischen Energiespeicher 4 elektrisch verbunden ist.
  • Über galvanisch trennende Schaltelemente (Schaltelemente 18, 19) ist es möglich, auf den internen LV-Zwischenkreis (Zwischenkreis 14) zwischen PFC und isolierendem DC-DC-Wandler zuzugreifen. Hier werden die Verbraucher für die Abgas-Nachbehandlung oder das LV-Bordnetz (Bordnetz 16) für die autonomen Fahrfunktionen angeschlossen.
  • Insbesondere ist in der dargestellten 1 ein einphasiger Aufbau dargestellt. Bei einem ersten Betriebszustand, also beim AC-Laden, werden die beiden Schalter (Schaltelement 18, 19) geschlossen, sodass der Ausgang beziehungsweise die Ausgangsseite 11 der Buck-PFC mit der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 verbunden ist. Die Schaltelemente 18, 19 trennen dabei die Verbraucher 17 beziehungsweise das Bordnetz 16 vom AC-Netz. Die Buck-PFC beziehungsweise der Gleichrichter 8 regelt dabei auf eine definierte LV-Ausgangsspannung von beispielsweise 48 Volt, also die erste Zwischenkreisspannung UZ1. Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) setzt dies auf eine HV-Spannung, insbesondere die Gleichspannung UDC, hoch. Diese kann zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 beziehungsweise einer HV-Fahrzeug-Batterie verwendet werden. In dem zweiten Betriebszustand, also beispielsweise beim Fahren beziehungsweise Fortbewegen des Fahrzeuges 1, oder Nachladen einer LV-Batterie, werden die Schaltelemente 18, 19 geöffnet, sodass der Ausgang der Buck-PFC (Ausgangsseite 11) vom internen LV-Zwischenkreis (Zwischenkreis 14) galvanisch getrennt ist. Damit wird sichergestellt, dass die Kontakte der AC-Ladedose (Wechselspannungsanspruch 5) nicht unter Spannung stehen. Da es sich jedoch um LV-Spannung handelt, wäre diese Maßnahme nicht zwingend notwendig. Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) ist über das Schaltelement 18, 19 auf seiner LV-Seite (Eingangsseite 12) mit dem LV-Bordnetz (Bordnetz 16) verbunden und speist nun aus der HV-Batterie (elektrischer Energiespeicher 4).
  • Des Weiteren ist es ebenfalls denkbar, dass pro Phase eines Wechselspannungsnetzes (L1, L2, L3) je eine Ladeeinrichtung 3 vorgesehen ist. Somit ist das Gezeigte in der 1 pro Phase anwendbar. Somit kann bei einem 3-phasigen Aufbau, welcher aus drei einzelnen AC-Ladephasen (Rails) besteht, jede Wechselspannung einer jeweiligen Phase in eine Gleichspannung gewandelt werden und wiederum pro Phase ein Zwischenabgriff bereitgestellt werden, um verschiedene LV-Bordnetze beispielsweise versorgen zu können. Beispielsweise können somit drei verschiedene LV-Bordnetze versorgt werden. Beispielsweise könnten diese Bordnetze durch Parallelschaltung kombiniert werden oder als eigenständige unabhängige Bordnetze versorgt werden.
  • Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Ladeeinrichtung 3 aus 1. Hier ist der Unterschied beziehungsweise die Modifikation, dass anstelle von zwei Umschaltelementen (Schaltelemente 18, 19) eine feste Verbindung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9 vorhanden ist. Das LV-Bordnetz (Bordnetz 16) kann über eigene Schaltelemente 20, 21 zugeschaltet oder galvanisch getrennt werden. Somit besteht hier die Verbindung zwischen der Eingangsseite 6 und der Ausgangsseite 7 immer und die Schaltelemente 20, 21 sind hier von außerhalb, sodass hier im Vergleich zu der 1 der Zwischenabgriff 15 mehr getrennt von dem Zwischenkreis 14 ausgestaltet ist. Bei einem AC-Laden werden die Schaltelemente 20, 21 geöffnet, sodass der Ausgang 11 mit der Eingangsseite 12 elektrisch verbunden ist. Die Schaltelemente 20, 21 trennen dabei den Verbraucher 17 beziehungsweise das Bordnetz 16 vom AC-Netz. Der Gleichrichter 8 regelt dabei auf eine definierte LV-Ausgangsspannung (erste Zwischenkreisspannung UZ1). Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) setzt dies auf eine HV-Spannung (Gleichspannung UDC) hoch, um den elektrischen Energiespeicher 4 laden zu können.
  • Bei einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges 1 werden die Schaltelemente 20, 21 geschlossen. Die Ausgangsseite 11 ist trotzdem mit dem internen LV-Zwischenkreis verbunden. Durch die sperrenden Halbleiter der PFC (Gleichrichter 8) ist sichergestellt, dass die Spannung auf unter 60 Volt begrenzt ist und von der HV-Spannung beziehungsweise Gleichspannung UDC des elektrischen Energiespeichers 4 galvanisch getrennt sind. Der isolierende DC-DC-Wandler ist über die Schaltelemente 20, 21 auf seiner LV-Seite (Eingangsseite 12) mit dem Bordnetz 16 beziehungsweise Verbraucher 17 gekoppelt und speist nun aus dem elektrischen Energiespeicher 4. Wie bereits vorstehend zu 1 erläutert, kann die Ausführung gemäß der 2 ebenfalls für einen 3-phasigen Aufbau verwendet werden. Hierbei besteht eine permanente Verbindung zwischen einem jeweiligen Gleichrichter und Gleichspannungswandler. Somit weist wiederum jede Phase eine eigene Ladeeinrichtung 3 auf. Somit können mehrere LV-Bordnetze versorgt werden, wobei diese durch Parallelschaltung kombiniert werden oder als eigenständige unabhängige Bordnetze versorgt werden.
  • In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ladeeinrichtung 3 dargestellt. Hier gilt ebenfalls gleichermaßen das bereits Gesagte zu den vorherigen Fig. Hierbei wird nun an dem Wechselspannungsanspruch 5 eine verkettete Spannung, also an drei Phasen L1, L2, L3 abgegriffen. Somit ist hier ein 3-phasiger Aufbau dargestellt, um eine verkettete Spannung (Innenleiterspannung) der drei AC-Phasen (L1, L2, L3) abzugreifen. Hierbei sind die Schaltelemente 18, 19 ähnlich wie in der 1 angeordnet. Beim AC-Laden werden die Schaltelemente 18, 19 so geschalten, dass die Ausgangsseite 11 mit der Eingangsseite 12 elektrisch verbunden ist. Der Zwischenkreisabgriff 15 ist dabei vom AC-Netz getrennt. Beim zweiten Betriebszustand, also beim Fahren, werden die Schaltelemente 18, 19 so geschalten, dass die Ausgangsseite 11 von der Eingangsseite 12 galvanisch getrennt sind. Damit wird sichergestellt, dass die Kontakte der AC-Ladedose beziehungsweise Wechselspannungsanspruch 5 nicht unter Spannung stehen. Somit wird in diesem Fall ein Leistungsfluss von dem elektrischen Energiespeicher 4 hin zum Zwischenkreisabgriff 15 und somit beispielsweise zum Bordnetz 16 erreicht.
  • In der 4 ist nun wieder ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie bereits in der 2 dargestellt. Hierbei werden nicht mehr die Schaltelemente 18, 19, welche den Gleichspannungswandler 9 von dem Gleichrichter 8 trennen können, verwendet, sondern die Schaltelemente 20, 21, welche bezüglich des Zwischenkreises 14 nach außen bezogen sind. Somit besteht hier auch bei einem 3-phasigen Aufbau eine permanente Verbindung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9.
  • Hierbei wird in der 4 wiederum die verkettete Spannung bezüglich der drei Phasen L1, L2 und L3 abgegriffen. Mithilfe der Schaltelemente 20, 21 können insbesondere das Bordnetz 16 und der Verbraucher 17 je nach Anwendungsfall zugeschaltet werden oder galvanisch getrennt werden von dem Zwischenkreis 14. Beim AC-Laden beziehungsweise dem ersten Betriebszustand werden die Schaltelemente 20, 21 so geschalten, dass das Bordnetz 16 und der Verbraucher 17 von dem Zwischenkreis 14 galvanisch getrennt sind. Beim Fahren beziehungsweise bei einem Fortbewegen des Fahrzeugs 1 werden die Schaltelemente 20, 21 so geschalten, dass ein Stromfluss von dem elektrischen Energiespeicher 4 über den Gleichspannungswandler 9 hin zum Bordnetz 16 und/oder Verbraucher 17 realisiert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisch betriebenes Fahrzeug
    2
    elektrisches Bordnetz
    3
    Ladeeinrichtung
    4
    elektrischer Energiespeicher
    5
    Wechselspannungsanschluss
    6
    Eingangsseite der Ladeeinrichtung
    7
    Ausgangsseite der Ladeeinrichtung
    8
    Gleichrichter
    9
    Gleichspannungswandler
    10
    Eingangsseite des Gleichrichters
    11
    Ausgangsseite des Gleichrichters
    12
    Eingangsseite des Gleichspannungswandlers
    13
    Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers
    14
    Zwischenkreis
    15
    Zwischenkreisabgriff
    16
    elektrisches Bordnetz
    17
    elektrischer Verbraucher
    18, 19
    Schaltelemente
    20,21
    Schaltelemente
    UBatt
    Batteriespannung
    UAC
    Wechselspannung
    UDC
    Gleichspannung
    UZ1, UZ2
    Zwischenkreisspannungen
    L1, L3, L3
    Phasen
    N
    Neutralleiter
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019001196 A1 [0008]
    • DE 102019003459 A1 [0008]
    • DE 102019005732 A1 [0008]
    • DE 102018006409 A1 [0008]
    • DE 102018000491 A1 [0008]

Claims (6)

  1. Ladeeinrichtung (3) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) aus einer Wechselspannung (UAC), mit - einer Eingangsseite (6) zum Bereitstellen der Wechselspannung (UAC), - einer Ausgangsseite (7) zum Bereitstellen einer aus der Wechselspannung (UAC) umgewandelte Gleichspannung (UDC) für den elektrischen Energiespeicher (4), - einem Gleichrichter (8) zum Gleichrichten der Wechselspannung (UAC) in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1), - einem Gleichspannungswandler (9) zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung (UZ1) in die Gleichspannung (UDC) oder zum Wandeln einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2), gekennzeichnet, durch - einen Zwischenkreisabgriff (15), welcher zwischen dem Gleichrichter 8) und dem Gleichspannungswandler (9) angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung (UZ2) für ein elektrisches Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einen elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1).
  2. Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Eingangsseite (6) der Ladeeinrichtung (3) mit einer Eingangsseite (10) des Gleichrichters (8) elektrisch verbunden ist, - eine Ausgangseite (11) des Gleichrichters (8) mit einer Eingangsseite (12) des Gleichspannungswandlers (9) elektrisch verbunden ist, und - die Ausgangsseite (7) der Ladeeinrichtung (3) mit einer Ausgangsseite (13) des Gleichspannungswandlers (9) elektrisch verbunden ist.
  3. Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsseite (11) des Gleichrichters (8) und der Eingangsseite (12) des Gleichspannungswandlers (9) ein Zwischenkreis (14) angeordnet ist, mit welchem die Zwischenkreisspannungen (UZ1, UZ2) bereitstellbar sind.
  4. Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreisabgriff (15) mittels Schaltelemente (18, 19, 20, 21) mit dem Zwischenkreis (14) verbunden ist, wobei die Schaltelemente (18, 19, 20, 21) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) schaltbar ist.
  5. Ladeeinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gleichspannungswandler (9) als galvanisch isolierter DC-DC-Wandler ausgebildet ist, und - der Gleichrichter (8) ein Leistungsfaktorkorrekturfilter und einen Abwärtswandler aufweist.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung (3) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), wobei - mit einem Gleichrichter (8) der Ladeeinrichtung (3) eine Wechselspannung (UAC), welche an einer Eingangsseite (6) der Ladeeinrichtung (3) bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1) generiert wird, - in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) die erste Zwischenkreisspannung (UZ1) mit einem Gleichspannungswandler (9) der Ladeeinrichtung (3) in eine Gleichspannung (UDC) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) umgewandelt wird, und - in einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) eine Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) mit dem Gleichspannungswandler (9) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) die zweite Zwischenkreisspannung (UZ2) einem elektrischen Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einem elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) bereitgestellt wird.
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