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WO2020064432A1 - Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen energiespeicher - Google Patents

Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen energiespeicher Download PDF

Info

Publication number
WO2020064432A1
WO2020064432A1 PCT/EP2019/074851 EP2019074851W WO2020064432A1 WO 2020064432 A1 WO2020064432 A1 WO 2020064432A1 EP 2019074851 W EP2019074851 W EP 2019074851W WO 2020064432 A1 WO2020064432 A1 WO 2020064432A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rectifier
connection
circuit
smoothing capacitors
configuration device
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/074851
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Pfeilschifter
Martin GÖTZENBERGER
Manuel Brunner
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Priority to US17/278,620 priority Critical patent/US11472305B2/en
Priority to CN201980062712.7A priority patent/CN112714992A/zh
Priority to KR1020217011763A priority patent/KR102586728B1/ko
Publication of WO2020064432A1 publication Critical patent/WO2020064432A1/de

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00Converter types
    • B60L2210/30AC to DC converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2207/00Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/20Charging or discharging characterised by the power electronics converter
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    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Vehicles with an electric drive i.e. purely electric vehicles and hybrid vehicles, have one
  • electrical energy storage in particular in the form of an accumulator.
  • vehicles of this type that have an AC connection.
  • This alternating current connection is intended to use energy from an alternating current network, for example a public supply network, for charging the vehicle.
  • Such vehicles are also called
  • the energy storage device must be charged with DC voltage for technical reasons, so that rectification is necessary, and on the other hand, adjustments may be necessary between the operating or nominal voltage of the energy storage device on the one hand and the level of the AC voltage or the rectified voltage generated from it on the other hand.
  • the charging circuit described here comprises two smoothing capacitors, which can be connected to one another in parallel or in series using a configuration device.
  • a rectifier is connected to the AC connection and thus (rectifying) connects the AC connection to the smoothing capacitors.
  • the AC connection and thus the rectifier can be operated with different numbers of (different) phases, for example single-phase or three-phase.
  • chaining factors which are known to directly depend on the number of phases, i.e. the number of currents used, which are out of phase with one another). Consequently, due to the different chaining factors, there are also different voltage levels at the smoothing capacitors if the rectifier or the AC connection are operated with different numbers of phases.
  • the smoothing capacitors Due to the optional parallel or serial configuration of the smoothing capacitors, it is possible to design the smoothing capacitors inexpensively (namely with a relatively low nominal voltage) and yet adjust and thus optimize them depending on the voltage to be smoothed or the operation of the rectifier.
  • a parallel configuration is preferably provided in order to achieve a high capacity, while in multi-phase operation (of the AC connection or the rectifier) and thus If the voltage is increased (rectified) compared to single-phase operation, the serial configuration is used so that each capacitor is only supplied with part of the total voltage for smoothing.
  • a diode circuit is provided in order to connect the neutral conductor of the AC connection to suit every configuration.
  • the neutral conductor connection of the AC connection is connected to the configuration device via this.
  • the configuration device itself connects the rectifier to the smoothing capacitors and is thus connected to the smoothing capacitors.
  • the diode circuit allows the derivation of asymmetrical components of the phases of the AC connection and thus serves for filtering.
  • the diode circuit is used to derive undesired components.
  • the diode circuit serves to connect the neutral conductor as a surge arrester or as a return conductor. While one, several or all of the phase connections of the AC connection are supplied with one phase or with the same phase of the AC system, the N conductor forms the return conductor, as is the case with conventional single-phase consumers of a 230 V AC network.
  • the diodes of the diode circuit thereby allow a connection to the (parallel) connected smoothing capacitors to complete this return path (or forward path).
  • the diode circuit has at least one diode which is provided between the neutral conductor connection and the configuration device.
  • the diode circuit has at least one diode connected in series (the series connection relating to the connection relative to the neutral conductor connection).
  • the diode circuit can have a plurality of diodes which are connected in series starting from the neutral conductor connection to the configuration device.
  • at least two diodes, based on the neutral conductor connection are preferably connected in the opposite direction between the neutral conductor connection and the configuration device (serial).
  • the aforementioned connection of the neutral conductor connection via the diode circuit enables the smoothing to be divided tion capacitors, in particular in order to be able to work even at high voltages with capacitors whose maximum voltage is lower than the maximum rectified voltage. Splitting in series connection results in only a portion of the rectified voltage for the individual smoothing capacitors.
  • the smoothing capacitors can thus be designed for a lower nominal voltage or maximum voltage, which can save costs.
  • the diode circuit enables a switch-free connection of the neutral conductor connection.
  • connection is used with multi-phase use of the AC connection or the rectifier for the derivation of asymmetrical components, while in single-phase operation (the AC connection or the rectifier) the diode circuit provides a connection between the configuration device (and thus ultimately an energy storage connection) and the individual phase potential serves.
  • a charging circuit for a vehicle-side electrical energy store is therefore described, the charging circuit having an AC connection, at least two smoothing capacitors, a configuration device and a rectifier.
  • the AC connection is connected to the configuration device via the rectifier.
  • the configuration device connects the rectifier to the smoothing capacitors.
  • the configuration device is provided between the rectifier and the smoothing capacitors.
  • the rectifier is thus connected to the smoothing capacitors via the configuration device.
  • the configuration device is set up to connect the smoothing capacitors to one another either in parallel or in serial configuration.
  • the smoothing capacitors are thus connected to the configuration device in such a way that in a first circuit state the smoothing capacitors are connected in parallel with one another and in a second state (corresponding to the serial configuration) are connected in series with one another.
  • the AC connector has a neutral connector. This is connected to the configuration device via a diode circuit.
  • the neutral conductor connection is thus connected to the smoothing capacitors via the diode circuit.
  • the configuration device is provided between
  • the diode circuit preferably has a plurality of diodes. These are connected to different connection points of the configuration device (such as switches with each other). One, several or all of the diodes of the diode circuit is or are connected to the neutral conductor connection. This at least one diode is connected in series between the neutral conductor connection and the configuration device, in particular connection points within the configuration device.
  • the diode circuit is preferably designed as a rectifier circuit.
  • the diode circuit can have a diode bridge circuit, for example in the form of a half bridge, which can have an intermediate point to which the neutral conductor is connected.
  • the rectifier circuit, which is formed by the diode circuit can have an AC side, for example in the form of the connection point. This AC side is connected to the neutral conductor connection.
  • the rectifier circuit formed by the diode circuit can have a DC side which is connected to the configuration device (and thus also to the capacitors).
  • the rectifier circuit is, in particular, a full-wave rectifier circuit.
  • the diode circuit can have at least two diodes.
  • the different diodes are preferably connected to different smoothing capacitors.
  • the various diodes are related to the neutral conductor connection in different directions (related to the forward direction or the
  • a first diode of the two diodes can connect the neutral conductor connection with a first of the smoothing Connect capacitors.
  • a second diode of the at least two diodes can connect the neutral conductor connection to a second of the smoothing capacitors. Seen from the neutral conductor connection, the forward directions of the two diodes are opposite to each other. As a result, both half-waves are conducted by the diodes, with the different diodes
  • the configuration device has at least one first switch. In the closed state, this connects the smoothing capacitors in parallel.
  • the at least one first switch therefore establishes the parallel connection between the smoothing capacitors.
  • the configuration device can have at least one second switch which connects the smoothing capacitors (in the closed state in series with one another). In the closed state, the at least one second switch connects the smoothing capacitors in series.
  • the configuration device preferably has two first switches and a second switch.
  • the first two switches can also be referred to as parallel switching elements since, in the closed state, these connect the smoothing capacitors to one another in a parallel circuit.
  • the confi guration device can also have a second switch, which can also be referred to as a serial switching element, since in the closed state this connects the smoothing capacitors in series.
  • the two first switches and the one second switch (that is to say the two parallel switching elements and the serial switching element) are connected to one another in series, in particular in a series circuit. This series circuit is connected to different potentials of the rectifier. In other words the two first switches and the second switch are connected to one another in a series circuit which is parallel to the
  • Rectifier is connected.
  • the switches are connected to one another in a series circuit which is connected to different potentials of the rectifier.
  • the first switches are connected to one another as part of the series connection via the second switch.
  • the first switches thus have connections which are connected directly to the different potentials of the rectifier.
  • potentials of the rectifier refer to DC voltage potentials, that is to say to the DC voltage side of the rectifier.
  • the second switch connects the first two switches together. Since the second switch is connected between the first switches and the first switches are connected directly to the two potentials, the second switch is not connected directly to the potentials, but rather via the first switches.
  • the potentials of the rectifier correspond to the rectified voltage, which results from the voltage at the AC connection and the relevant chaining factor.
  • the different potentials are in particular a positive and a negative potential, but can also be a ground potential and a positive potential.
  • the switches of the configuration device are semiconductor switches, for example MOSFETs.
  • the switches of the configuration device can also be designed as electromechanical switches.
  • the first switch and the at least one second switch are closed alternately. While the first switches are closed, the at least one second switch is open. If the at least one second switch is closed, the first switches are open.
  • the charging circuit can further comprise an additional diode circuit. This connects the neutral conductor connection to different potentials of the rectifier.
  • the additional diode circuit is the Neutral conductor connection with the DC voltage side of the
  • the additional diode circuit can be designed like the aforementioned diode circuit and connected to the neutral conductor. In contrast to the diode circuit, the additional diode circuit is connected to the potentials of the rectifier (and not to connection points in the configuration device).
  • the configuration device itself is also provided as a series circuit, the ends of which are connected to the potentials on the DC voltage side of the rectifier.
  • the diode circuit is connected to connection points within the configuration device (and not to the ends), while the additional diode circuit is connected to the ends of the configuration device.
  • the additional diode circuit can be designed as a rectifier circuit. Their
  • the additional diode circuit can have at least two diodes which are connected to different potentials (the direct current side) of the rectifier.
  • the diodes of the additional diode circuit are connected in different directions (starting from the neutral conductor connection) (the direction refers to the forward direction or the blocking direction of the diodes).
  • the additional diode circuit has a connection point between the at least two diodes of the additional diode circuit. The neutral conductor connection is connected to this connection point.
  • the neutral conductor In single-phase operation, if the neutral conductor is used as a return conductor (or forward conductor), the current carrying capacity of the additional diode circuit supports the diode circuit.
  • the switching elements of the configuration device are semiconductor switching elements, a forward voltage drops across them. Since the additional diode circuit is connected directly (and not via switching elements of the configuration device) to the potentials of the rectifier, the diodes of the additional diode circuit relieve the diodes of the diode circuit. As a result, the diodes of the diode circuit in the Using the neutral conductor as a return line does not carry the current or only partially, while the additional diode circuit realizes the remaining part of the current transmission.
  • additional diode circuit denotes that diode circuit which corresponds to the potentials of the
  • the charging circuit preferably has a control device which is connected in a driving manner to the configuration device.
  • the configuration device is equipped with switches.
  • the control device is connected to the switches.
  • a parallel configuration state for charging control device
  • the control device is set up to close only the switch or switches of the configuration device via which the smoothing capacitors are each connected between two different potentials of the rectifier.
  • the control device is set up in the parallel configuration state to close only the switch or switches of the configuration device which, in the closed state, connects the smoothing capacitors in parallel with one another (and thus also connects with the two different potentials).
  • each of the smoothing capacitors is individually connected between the two different potentials and thus receives the full potential difference or voltage between the two different potentials.
  • the control device is also set up in a serial configuration state (of the control device) to close only the switch or switches of the configuration device which connects or connect the smoothing capacitors in series.
  • the control device is set up in the parallel configuration state the switch or switches in the open Provide state that are closed in the serial configuration state.
  • the control device is also set up to provide in the serial configuration state the switch or switches in the open state, which are closed in the parallel configuration state. The control device is thus set up to alternately close the switches responsible for the parallel configuration state and the switches responsible for the serial configuration state (or to open all switches).
  • the controller can be set up to determine a single-phase and a multi-phase occupancy state of the AC connection.
  • the control is set up, a single-phase and a multi-phase usage state of the
  • control device is set up to detect a signal that represents a single-phase or a multi-phase desired state of the charging circuit.
  • control device is set up, a single-phase and a multi-phase state (the AC connection or the
  • the controller can be set up to connect the smoothing capacitors to one another in one of the single-phase states in a parallel configuration.
  • the control device is also set up to connect the smoothing capacitors to one another in a serial configuration in one of the multiphase states.
  • control device can be designed with a rectified voltage that is present on the DC side of the rectifier and above a predetermined one
  • Threshold is to connect the smoothing capacitors in series with one another (by means of the configuration device) and, at a voltage which is not above the threshold value, to connect the smoothing capacitors in parallel with one another (likewise by means of the configuration device).
  • This makes it possible for even higher voltages, which do not result from an increased chaining factor (ie a chaining factor> 1), to connect the smoothing capacitors in series (so that only a part of the rectified voltage per capacitor is obtained).
  • the control device can therefore have a comparator which compares the rectified voltage of the rectifier with the threshold value.
  • the threshold value is preferably a predetermined margin below a maximum voltage of the capacitors, which is determined by the design of the capacitor.
  • the charging circuit has a plurality of direct voltage converters. These each have a clocked switch unit and an intermediate circuit capacitor.
  • the intermediate circuit capacitor of a first of the DC voltage converters is formed by a first of the smoothing capacitors.
  • the intermediate circuit capacitor of a second of the DC-DC converter is formed to a second of the smoothing capacitors.
  • the smoothed switching unit comprises at least one controllable switch, in particular two controllable switches, these switches being used for alternately connecting an element.
  • the DC-DC converter can, for example, have an inductance (or a capacitor) as a temporary storage element.
  • Each DC-DC converter preferably has a converter inductance which is connected upstream or downstream of the clocked switch unit.
  • the DC-DC converter can be designed as a step-up converter, step-down converter or as a synchronous converter.
  • DC-DC converters are preferably constructed in the same way.
  • the DC-DC converters have connections that are connected to a DC connection.
  • the DC connection is set up to connect the energy storage (to the charging circuit).
  • the connections of the DC-DC converters are connected to each other in parallel. This means that the DC-DC converters work in parallel when charging and the currents emitted add up at the DC connection.
  • a plus and a minus connection are provided as connections, where both DC / DC converters are connected to the positive their positive potential. The same applies to the negative connection or to a ground connection.
  • the rectifier can be a controllable rectifier.
  • the controllable rectifier can be connected directly to the AC connection.
  • the rectifier unit in this case comprises transistors, but not dedicated energy stores such as coils.
  • the rectifier can be a power factor correction filter.
  • This has a controllable rectifier unit which is connected to the AC connection via inductors (such as coils).
  • the inductors form temporary energy stores within the scope of the power factor correction filter.
  • Each phase of the AC connection is connected to the inductor with its own (connected in series)
  • Rectifier unit connected.
  • a vehicle electrical system can be provided which has the charging circuit and an energy store which is connected to the charging circuit via the direct current connection. If no DC voltage converters are provided, then the DC connection (for connecting the energy store) is connected directly to the DC voltage side of the rectifier, that is to say to the potentials between which the intermediate smoothing capacitors are located.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a charging circuit which is connected to an (on-board) energy store.
  • the charging circuit LS comprises an AC connection WA with three phase connections LI to L3 and with a neutral conductor connection N. These are connected to an AC side of a rectifier GR.
  • the rectifier GR comprises a rectifier unit GE with diodes and three upstream (phase-specific) inductors II to 13.
  • the inductors II to 13 connect the AC connection WA with the rectifier unit GE and in particular connect the various phase connections LI - L3 of the AC connection to the rectifier unit GE.
  • the rectifier unit GE comprises only rectifier elements in the form of diodes or in particular in the form of controllable transistors.
  • the inductors II to 13 connected in phase form a power factor correction filter, that is to say a rectifier GR, which, in addition to the rectification function, also realizes functions such as harmonic attenuation and / or power factor correction and / or step-up points.
  • a power factor correction filter that is to say a rectifier GR, which, in addition to the rectification function, also realizes functions such as harmonic attenuation and / or power factor correction and / or step-up points.
  • the rectifier GR comprises a DC side GS that is opposite the AC side.
  • the rectifier GR thus connects the AC connection WA to two individual ends of two smoothing capacitors CI and C2.
  • a diode circuit DS is provided which has a first diode D1 and a second diode D2. These are connected in series via a connection point, the neutral conductor connection N being connected to the connection point. From this connection point, the diodes D1 and D2 (in opposite pass directions) are connected to a configuration device KV.
  • the configuration device KV comprises a series connection of two switches S1 and S3 and a switch S2. These switches are connected in series. The resulting series circuit is connected to the DC side of the rectifier GR. In particular, this series connection of the switches S1 to S3 is connected at one end to the positive potential P + and the negative potential P-. The positive potential P + and the negative potential P- are the DC potentials of the rectifier GR and the DC side GS of the rectifier GR.
  • the series connection of the switches S1 to S3 and thus the configuration device KV is connected in parallel (with the ends of the configuration device KV) to the potentials P-, P +.
  • the switch S2 connects the switches S1 and S3 with each other.
  • the switches are S1 and S3 each firmly connected to one of the two potentials, the switch S1 being connected to the positive potential P + and the switch S3 being connected to the negative potential P-.
  • the series connection of the diodes D1 and D2 is connected in parallel with the switch S2, which is connected in series between the switches S1 and S3.
  • the diode circuit DS is connected in parallel with the switch S2.
  • the diode circuit D2 forms a diode bridge for full-wave rectification, in particular for single-phase operation.
  • the connection point of the diodes of the diode circuit DS is connected to the neutral conductor N.
  • connection point between the switch S1 and the switch S2 is connected to a first smoothing capacitor CI.
  • the connection point between the switches S2 and S3 is connected to the second smoothing capacitor C2.
  • the smoothing capacitors CI and C2 are thus only connected in series when S2 is closed. If the switches S1 and S3 are closed, the capacitors CI and C2 are connected to one another in parallel.
  • a chaining factor of 1 results and the capacitors CI and C2 can be connected in parallel to increase the capacitance. If the AC connection WA is used in three phases (the phase connections LI to L3 being connected to different phases of a three-phase system), then a chaining factor> 1 results and the capacitors CI and C2 are connected in series by the configuration device KV.
  • each of the capacitors CI and C2 can be designed with a lower nominal voltage than the maximum voltage in three-phase operation.
  • the smoothing capacitors preferably have the same (nominal) capacitance and / or the same nominal voltage.
  • the neutral conductor N can be connected to a corresponding connection of the three-phase system, while the phase connections LI to L3 or only the phase connection L2 (or only the phase connection LI and L2) are connected to one and the same phase of the connectable network. In this case, a chaining factor of 1 results.
  • phase connection LI to L3 is connected to the same phase of an AC network that can be connected, then the relevant connections LI, L2, L3 are connected accordingly. Since no phase-shifted phase currents are used or no phase-shifted phase connections are connected, this is also referred to as single-phase operation.
  • the connections LI, L2 and L3 are preferably connected to the same phase (ie connected to one another), so that all phases of the rectifier GR can contribute to the current flow.
  • the smoothing capacitors CI and C2 or the DC voltage side of the rectifier GR are connected directly to the energy store ES, the DC connection GA of the charging circuit LS.
  • the energy store ES is not necessarily part of the charging circuit, but can be a further component of the vehicle electrical system in which the charging circuit is provided.
  • a DC voltage converter unit WE which comprises two DC voltage converters GW1, GW2.
  • Each of the DC-DC converters GW1, GW2 comprises a switch unit SEI, SE2. In this are clocked
  • the intermediate circuit capacitors belonging to the DC-DC converter are realized by the capacitors CI and C2.
  • the first DC voltage converter GW is thus formed from the capacitor CI as an intermediate circuit capacitor and the switch unit SEI. Accordingly, the DC voltage converter GW2 is formed by the switch unit SE2 and the capacitor C2.
  • a control device C is connected in a driving manner to the switches S1 to S3. Furthermore, this control device C can have an input at which the control device can detect signals relating to the number of active (different) phases of the rectifier GR.
  • control device C is set up to detect the voltage on the DC side of the rectifier and to derive therefrom whether the voltage is greater than a threshold value in order in this case to configure the configuration device KV for serial operation (the capacitors CI and C2 ) to be provided. If the voltage is lower than the threshold value, the configuration device for connecting these capacitors in parallel is set to increase the total capacitance of the capacitors CI and C2.
  • the DC voltage converter unit WE is only shown schematically.
  • the DC voltage converters GW1, GW2 or switch units SEI, SE2 present there are connected to one another in parallel at the output, that is to say on the side of the DC connection GA.
  • a serial connection of the transducers is also conceivable.
  • Galvanically conductive or galvanically isolating or isolating transducers can be provided as transducers GW1, GW2. This depends in particular on the circuitry on the side of the DC connection GA.
  • An additional diode circuit Z with the diodes D3 and D4 enables the diode circuit DS to be supported in the parallel state of the configuration device KV.
  • the diodes D3 and D4 are connected in series with each other, the resulting connection point being connected to the neutral conductor N.
  • the connection point between the diodes D3 and D4 is connected to the connection point between the diodes Dl and D2.
  • the diodes are D3 and D4 also connected to the DC side of the rectifier GR.
  • the diode D3 connects the neutral conductor connection N to the positive potential P +.
  • the diode D4 connects the neutral conductor connection N to the negative potential P-.
  • the diodes D3 and D4 (like the diodes Dl and D2) are connected in the reverse direction with respect to the potentials P- and P +.
  • FIG. 1 can be viewed as a vehicle electrical system, which comprises the charging circuit LS and the energy store ES connected to it.
  • the energy storage ES can be an accumulator, in particular a lithium-based accumulator.
  • the energy store ES is preferably a traction accumulator.
  • the charging circuit is designed in particular for an output of at least 1 kW, 5 kW, 10 kW or 50 kW. This affects the performance when connected to a three-phase system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Eine Ladeschaltung (LS) für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (ES) weist auf: einen Wechselstromanschluss (WA), mindestens zwei Glättungskondensatoren (C1, C2), eine Konfigurationsvorrichtung (KV) und einen Gleichrichter (GR). Über den Gleichrichter (GR) ist der Wechselstromanschluss (WA) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung (KV) verbindet den Gleichrichter (GR) mit den Glättungskondensatoren (C1, C2). Die Konfigurationsvorrichtung (KV) ist eingerichtet, die Glättungskondensatoren (C1, C2) wahlweise in paralleler oder serieller Konfiguration miteinander zu verbinden. Der Wechselstromanschluss weist einen NeutralleiteranSchluss (N) auf. Dieser ist über eine Diodenschaltung (DS) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden.

Description

Beschreibung
Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen Ener giespeicher
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, das heißt rein elektrisch fahrende Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, weisen einen
elektrischen Energiespeicher auf, insbesondere in Form eines Akkumulators. Um diesen mit externen Mitteln laden zu können, gibt es derartige Fahrzeuge, die über einen Wechselstroman schluss verfügen. Dieser Wechselstromanschluss ist dafür vorgesehen, Energie von einem Wechselstromnetz, etwa einem öffentlichen Versorgungsnetz, zum Laden des Fahrzeugs zu verwenden. Derartige Fahrzeuge werden auch als
„Plug-In-Fahrzeuge" bezeichnet .
Zum einen muss aus technischen Gründen der Energiespeicher mit Gleichspannung geladen werden, sodass eine Gleichrichtung erforderlich ist, und zum anderen können Anpassungen erfor derlich sein zwischen der Betriebs- oder Nennspannung des Energiespeichers einerseits und der Höhe der Wechselspannung bzw. der aus dieser erzeugten gleichgerichteten Spannung an dererseits. Zudem ist es wünschenswert, dass der Energiespeicher des Fahrzeugs gleichermaßen mit einphasiger oder mehrphasiger Wechselspannung geladen werden kann, um die durch den höheren Verkettungsfaktor von Drehstrom ermöglichte, geringere Ladezeit realisieren zu können.
Neben diesen Anforderungen sind die Kosten für Halbleiter und andere Bauelemente zu berücksichtigen, die sowohl hinsichtlich der Stromtragfähigkeit als auch der Spannungsfestigkeit für entsprechende Ladeschaltungen geeignet sind. Es besteht ins besondere im Hinblick auf diese Kosten die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein Energiespeicher eines Fahrzeugs geladen werden kann unter Verwendung von kosten günstigen Bauteilen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ladeschaltung in Anspruch 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
Die hier beschriebene Ladeschaltung umfasst zwei Glättungs kondensatoren, die mittels einer Konfigurationsvorrichtung wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden können. Ein Gleichrichter ist an dem Wechselstromanschluss angeschlossen und verbindet so (gleichrichtend) den Wechsel stromanschluss mit den Glättungskondensatoren. Der Wechsel stromanschluss und somit auch der Gleichrichter kann mit un terschiedlichen Anzahlen an (verschiedenen) Phasen betrieben werden, beispielsweise einphasig oder dreiphasig. Es geben sich somit unterschiedliche Verkettungsfaktoren (die in bekann terweise direkt von der Phasenanzahl, d.h. der Anzahl genutzter, zueinander phasenversetzter Ströme, abhängen) . Folglich ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Verkettungsfaktoren auch unterschiedliche Spannungshöhen an den Glättungskondensatoren, wenn der Gleichrichter bzw. der Wechselstromanschluss mit verschiedenen Anzahlen an Phasen betrieben werden.
Durch die wahlweise parallele oder serielle Konfiguration der Glättungskondensatoren ist es möglich, die Glättungskonden satoren kostengünstig (nämlich mit relativ geringer Nenn spannung) auszulegen und dennoch abhängig von der zu glättenden Spannung bzw. dem Betrieb des Gleichrichters einzustellen und somit zu optimieren. Bei einphasiger Spannung, das heißt bei einphasigem Betrieb (entsprechend einer geringen gleichge richteten Spannung) , wird vorzugsweise eine parallele Konfi guration vorgesehen, um so eine hohe Kapazität zu erreichen, während bei einem mehrphasigen Betrieb (des Wechselstroman schlusses bzw. des Gleichrichters) und somit einer im Vergleich zum einphasigen Betrieb erhöhten (gleichgerichtete) Spannung die serielle Konfiguration verwendet wird, sodass jeder Kondensator nur mit einem Teil der gesamten Spannung zur Glättung beauf schlagt wird. Um den Neutralleiter des Wechselstromanschlusses zu jeder Konfiguration passend anzuschließen, ist eine Diodenschaltung vorgesehen. Über diese ist der Neutralleiteranschluss des Wechselstromanschlusses mit der Konfigurationsvorrichtung verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung selbst verbindet den Gleichrichter mit den Glättungskondensatoren und ist somit mit den Glättungskondensatoren verbunden. Im mehrphasigen Betrieb erlaubt die Diodenschaltung die Ableitung von asymmetrischen Komponenten der Phasen des Wechselstromanschlusses und dient somit zur Filterung. Im mehrphasigen Betrieb bzw. in serieller Konfiguration dient die Diodenschaltung somit zur Ableitung von unerwünschten Komponenten.
Im asymmetrischen Betrieb, das heißt beispielsweise bei ein phasigem Betrieb, dient die Diodenschaltung zur Anbindung des Neutralleiters als Ableiter bzw. als Rückleiter. Während eine, mehrere oder alle Phasenanschlüsse des Wechselstromanschlusses mit einer Phase bzw. mit derselben Phase des Wechselstromsystems beaufschlagt sind, bildet der N-Leiter den Rückleiter, wie bei üblichen einphasigen Verbrauchern eines 230 Volt-Wechsel- stromnetzes. Die Dioden der Diodenschaltung erlauben dadurch eine Verbindung mit den (parallel) geschalteten Glättungs kondensatoren, um diesen Rückleitungspfad (oder Hinleitungs pfad) zu vervollständigen. Die Diodenschaltung weist mindestens eine Diode auf, die zwischen den Neutralleiteranschluss und der Konfigurationsvorrichtung vorgesehen ist. Insbesondere weist die Diodenschaltung hierzu mindestens eine in Reihe geschaltete Diode auf (wobei die Reihenschaltung sich auf die Verschaltung relativ zu dem Neutralleiteranschluss bezieht) . Die Dioden schaltung kann mehrere Dioden aufweisen, die ausgehend vom Neutralleiteranschluss zu der Konfigurationsvorrichtung hin seriell geschaltet sind. Hierbei sind vorzugsweise mindestens zwei Dioden, bezogen auf den Neutralleiteranschluss, in ent gegengesetzter Richtung zwischen Neutralleiteranschluss und Konfigurationsvorrichtung (seriell) geschaltet.
Die vorangehend erwähnte Anbindung des Neutralleiteranschlusses über die Diodenschaltung ermöglich die Aufteilung der Glät- tungskondensatoren, insbesondere um auch bei hohen Spannungen mit Kondensatoren arbeiten zu können, deren Maximalspannung niedriger ist als die maximale gleichgerichtete Spannung. Durch Aufteilen in serieller Schaltung ergeben sich für die einzelnen Glättungskondensatoren nur ein Anteil der gleichgerichteten Spannung. Die Glättungskondensatoren können dadurch für eine geringere Nennspannung oder Maximalspannung ausgelegt werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Die Diodenschaltung ermöglicht eine schalterfreie Anbindung des Neutralleiteran schlusses. Die Anbindung dient bei mehrphasiger Nutzung des Wechselstromanschlusses bzw. des Gleichrichters zur Ableitung von asymmetrischen Komponenten, während bei einem einphasigen Betrieb (des Wechselstromanschlusses bzw. des Gleichrichters) die Diodenschaltung eine Verbindung zwischen Konfigurations vorrichtung (und somit letztendlich einem Energiespeicheran schluss) und dem einzelnen Phasenpotential dient.
Es wird daher eine Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher beschrieben, wobei die La deschaltung einen Wechselstromanschluss, mindestens zwei Glättungskondensatoren, eine Konfigurationsvorrichtung und einen Gleichrichter aufweist. Der Wechselstromanschluss ist über den Gleichrichter mit der Konfigurationsvorrichtung verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung verbindet den Gleichrichter mit den Glättungskondensatoren. Mit anderen Worten ist zwischen dem Gleichrichter und den Glättungskondensatoren die Konfigura tionsvorrichtung vorgesehen. Über die Konfigurationsvorrichtung ist der Gleichrichter somit mit den Glättungskondensatoren verbunden. Die Konfigurationsvorrichtung ist eingerichtet, die Glättungskondensatoren wahlweise in paralleler oder in serieller Konfiguration miteinander zu verbinden. Die Glättungskonden satoren sind somit an der Konfigurationsvorrichtung derart angeschlossen, dass in einem ersten Schaltungszustand die Glättungskondensatoren parallel zueinander geschaltet sind, und in einem zweiten Zustand (entsprechend der seriellen Konfi guration) zueinander in Serie geschaltet sind. Der Wechselstromanschluss weist einen Neutralleiteranschluss auf. Dieser ist über eine Diodenschaltung mit der Konfigura tionsvorrichtung verbunden. Der Neutralleiteranschluss ist somit über die Diodenschaltung mit den Glättungskondensatoren verbunden. Zwischen dem Neutralleiteranschluss und den Glät tungskondensatoren ist die Konfigurationsvorrichtung vorge sehen .
Die Diodenschaltung weist vorzugsweise mehrere Dioden auf. Diese sind mit unterschiedlichen Verbindungspunkten der Konfigura tionsvorrichtung (etwa von Schaltern untereinander) verbunden. Eine, mehrere oder alle Dioden der Diodenschaltung ist oder sind mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Diese mindestens eine Diode ist in Serie zwischen dem Neutralleiteranschluss und der Konfigurationsvorrichtung, insbesondere von Verbindungspunkten innerhalb der Konfigurationsvorrichtung, angeschlossen.
Vorzugsweise ist die Diodenschaltung als Gleichrichterschaltung ausgebildet. Die Diodenschaltung kann hierbei eine Dio- den-Brückenschaltung aufweisen, etwa in Form einer Halbbrücke, die einen Zwischenpunkt aufweisen kann, an dem der Neutralleiter angeschlossen ist. Die Gleichrichterschaltung, die von der Diodenschaltung gebildet wird, kann eine Wechselstromseite aufweisen, etwa in Form des Verbindungspunkt. Diese Wechsel stromseite ist mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Die von der Diodenschaltung ausgebildete Gleichrichterschaltung kann eine Gleichstromseite aufweisen, die mit der Konfigurations vorrichtung (und somit auch mit den Kondensatoren) verbunden ist . Die Gleichrichterschaltung ist insbesondere eine Vollwel- len-GleiehrichterSchaltung .
Die Diodenschaltung kann mindestens zwei Dioden aufweisen. Die unterschiedlichen Dioden sind vorzugsweise mit verschiedenen Glättungskondensatoren verbunden. Die verschiedenen Dioden sind bezogen auf den Neutralleiteranschluss in unterschiedlichen Richtungen (bezogen auf die Durchlassrichtung oder die
Sperrrichtung) angeschlossen. Eine erste Diode der zwei Dioden kann den Neutralleiteranschluss mit einem ersten der Glät- tungskondensatoren verbinden. Eine zweite Diode der mindestens zwei Dioden kann den Neutralleiteranschluss mit einem zweiten der Glättungskondensatoren verbinden. Vom Neutralleiteranschluss aus gesehen sind die Durchlassrichtungen der zwei Dioden entgegengesetzt zueinander. Dadurch werden beide Halbwellen von den Dioden geleitet, wobei die unterschiedlichen Dioden
Halbwellen unterschiedlicher Polarität (an die Kondensatoren) leiten. Die Verbindung zwischen den Glättungskondensatoren und den Dioden ergibt eine Reihenschaltung der jeweiligen Diode mit dem Glättungskondensator. Dies erlaubt eine besonders kos tengünstige Darstellung der Diodenschaltung, die gleichermaßen für ein- und für mehrphasiges Laden ausgebildet ist.
Die Konfigurationsvorrichtung weist mindestens einen ersten Schalter auf. Dieser verbindet im geschlossenen Zustand die Glättungskondensatoren parallel miteinander. Der mindestens eine erste Schalter stellt daher die Parallelverbindung zwischen den Glättungskondensatoren her. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Konfigurationsvorrichtung mindestens einen zweiten Schalter aufweisen, der die Glättungskondensatoren (in geschlossenem Zustand seriell miteinander verbindet) . Im ge schlossenen Zustand verbindet somit der mindestens eine zweite Schalter die Glättungskondensatoren seriell miteinander.
Vorzugsweise weist die Konfigurationsvorrichtung zwei erste Schalter und einen zweiten Schalter auf. Die zwei ersten Schalter können auch als Parallelschaltelemente bezeichnet werden, da diese in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren miteinander in einer Parallelschaltung verbindet. Die Konfi gurationsvorrichtung kann ferner einen zweiten Schalter auf weisen, der auch als Seriellschaltelement bezeichnet werden kann, da dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskon densatoren seriell miteinander verbindet. Die zwei ersten Schalter und der eine zweite Schalter (das heißt die zwei Parallelschaltelemente und das Seriellschaltelement) sind seriell miteinander verbunden, insbesondere in einer Serien schaltung. Diese Serienschaltung ist an unterschiedliche Po tentiale des Gleichrichters angeschlossen. Mit anderen Worten sind die zwei ersten Schalter und der zweite Schalter in einer Serienschaltung miteinander verbunden, die parallel zum
Gleichrichter angeschlossen ist. Die Schalter sind in einer Serienschaltung miteinander verbunden, die an unterschiedliche Potentiale des Gleichrichters angeschlossen ist.
Die ersten Schalter sind im Rahmen der Serienschaltung über den zweiten Schalter miteinander verbunden. Die ersten Schalter weisen somit Anschlüsse auf, die direkt mit den unterschiedlichen Potentialen des Gleichrichters verbunden sind. Mit Potentialen des Gleichrichters wird in diesem Kontext auf Gleichspan nungspotentiale Bezug genommen, das heißt auf die Gleich spannungsseite des Gleichrichters. Der zweite Schalter verbindet die beiden ersten Schalter miteinander. Da der zweite Schalter zwischen den ersten Schaltern angeschlossen ist und die ersten Schalter direkt mit den beiden Potentialen verbunden sind, ist der zweite Schalter nicht direkt, sondern über die ersten Schalter mit den Potentialen verbunden. Die Potentiale des Gleichrichters entsprechen der gleichgerichteten Spannung, die sich aus der Spannung am Wechselstromanschluss und dem be treffenden Verkettungsfaktor ergibt. Die unterschiedlichen Potentiale sind insbesondere ein positives und ein negatives Potential, können jedoch auch ein Massepotential und ein po sitives Potential sein.
Die Schalter der Konfigurationsvorrichtung sind Halbleiter schalter, beispielsweise MOSFETs. Alternativ können die Schalter der Konfigurationsvorrichtung jedoch auch als elektromecha nische Schalter ausgebildet sein. Die ersten Schalter und der mindestens eine zweite Schalter werden alternierend geschlossen. Während die ersten Schalter geschlossen sind, ist der mindestens eine zweite Schalter geöffnet. Ist der mindestens eine zweite Schalter geschlossen, sind die ersten Schalter geöffnet.
Die Ladeschaltung kann ferner eine Zusatz-Diodenschaltung umfassen. Über diese ist der Neutralleiteranschuss mit un terschiedlichen Potentialen des Gleichrichters verbunden. Mit anderen Worten ist über die Zusatz-Diodenschaltung der Neutralleiteranschluss mit der Gleichspannungsseite des
Gleichrichters verbunden. Die Zusatz-Diodenschaltung kann wie die vorangehend erwähnte Diodenschaltung ausgebildet sein und mit dem Neutralleiter verbunden sein. Im Unterschied zu der Diodenschaltung ist die Zusatz-Diodenschaltung mit den Po tentialen des Gleichrichters verbunden (und nicht mit Ver bindungspunkten der innerhalb der Konfigurationsvorrichtung) . Die Konfigurationsvorrichtung selbst ist auch als Reihen schaltung vorgesehen, deren Enden mit den Potentialen an der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden sind. Die Diodenschaltung ist mit Verbindungspunkten innerhalb der Konfigurationsvorrichtung (und nicht mit den Enden) verbunden, während die Zusatz-Diodenschaltung mit den Enden der Konfi gurationsvorrichtung verbunden ist. Die Zusatz-Diodenschaltung kann als Gleichrichterschaltung ausgebildet sein. Deren
Wechselstromseite ist mit dem Neutralleiteranschluss verbunden, während die Gleichstromseite hiervon mit den Potentialen des Gleichrichters verbunden ist. Die Zusatz-Diodenschaltung kann mindestens zwei Dioden aufweisen, die mit unterschiedlichen Potentialen (der Gleichstromseite) des Gleichrichters verbunden ist. Die Dioden der Zusatz-Diodenschaltung sind (ausgehend vom Neutralleiteranschluss) in unterschiedlichsten Richtungen angeschlossen (wobei sich die Richtung auf die Durchlassrichtung oder auf die Sperrrichtung der Dioden bezieht) . Die Zu satz-Diodenschaltung weist einen Verbindungspunkt zwischen den mindestens zwei Dioden der Zusatz-Diodenschaltung auf. An diesem Verbindungspunkt ist der Neutralleiteranschluss angeschlossen.
Im einphasigen Betrieb, wenn der Neutralleiter als Rückleiter (oder Hinleiter) verwendet wird, dann unterstützt die Strom tragfähigkeit der Zusatz-Diodenschaltung die Diodenschaltung. Insbesondere wenn die Schaltelemente der Konfigurationsvor richtung Halbleiterschaltelemente sind, dann fällt an ihnen eine Durchlassspannung ab. Da die Zusatz-Diodenschaltung direkt (und nicht über Schaltelemente der Konfigurationsvorrichtung) mit den Potentialen des Gleichrichters verbunden sind, entlasten die Dioden der Zusatz-Diodenschaltung die Dioden der Dioden schaltung. Dadurch müssen die Dioden der Diodenschaltung bei der Verwendung des Neutralleiters als Rückleitung den Strom nicht oder nur teilweise tragen, während die Zusatz-Diodenschaltung den verbleibenden Teil der Stromübertragung realisiert.
Mit dem Begriff „Zusatz-Diodenschaltung" wird diejenige Dio denschaltung bezeichnet, welche mit den Potentialen der
Gleichstromseite des Gleichrichters (direkt) verbunden ist, während der Begriff „Diodenschaltung" (ohne „Zusatz") aus schließlich die Schaltung bezeichnet, welche den Neutrallei teranschluss mit der Konfigurationsvorrichtung bzw. mit deren Zwischenpunkten verbindet.
Die Ladeschaltung weist vorzugweise eine Steuereinrichtung auf, die ansteuernd mit der Konfigurationsvorrichtung verbunden ist. Die Konfigurationsvorrichtung ist mit Schaltern ausgestattet. Die Steuereinrichtung ist ansteuernd mit den Schaltern ver bunden. In einem Parallelkonfigurationszustand (für Lade steuervorrichtung) ist die Steuereinrichtung eingerichtet, nur den oder die Schalter der Konfigurationsvorrichtung zu schließen, über die die Glättungskondensatoren jeweils zwischen zwei verschiedenen Potentialen des Gleichrichters verbunden sind. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung eingerichtet, in dem Parallelkonfigurationszustand nur den oder die Schalter der Konfigurationsvorrichtung zu schließen, welche in ge schlossenem Zustand die Glättungskondensatoren miteinander parallel verbindet (und somit auch mit den zwei verschiedenen Potentialen verbindet) . Im Parallelkonfigurationszustand ist jeder der Glättungskondensatoren für sich zwischen den zwei verschiedenen Potentialen angeschlossen und erhält somit die volle Potentialdifferenz bzw. Spannung zwischen den zwei verschiedenen Potentialen.
Die Steuerungseinrichtung ist ferner eingerichtet, in einem Seriellkonfigurationszustand (der Steuereinrichtung) nur den oder die Schalter der Konfigurationsvorrichtung zu schließen, die die Glättungskondensatoren in Reihe miteinander verbindet oder verbinden. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, im Parallelkonfigurationszustand den oder die Schalter in offenem Zustand vorzusehen, die im Seriellkonfigurationszustand ge schlossen sind. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, im Seriellkonfigurationszustand den oder die Schalter in offenem Zustand vorzusehen, die im Parallelkonfigurationszustand ge schlossen sind. Die Steuereinrichtung ist somit eingerichtet, die für den Parallelkonfigurationszustand zuständigen Schalter und die für den Seriellkonfigurationszustand zuständigen Schalter wechselweise zu schließen (oder alle Schalter zu öffnen) .
Die Steuerung kann eingerichtet sein, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Belegungszustand des Wechselstromanschlusses zu ermitteln. Alternativ ist die Steuerung eingerichtet, einen einphasigen und einen mehrphasigen Nutzungszustand des
Gleichrichters zu ermitteln. Weiterhin alternativ ist die Steuereinrichtung eingerichtet, ein Signal zu erfassen, das einen einphasigen oder einen mehrphasigen Sollzustand der Ladeschaltung wiedergibt. Mit anderen Worten ist die Steuer einrichtung eingerichtet, einen einphasigen und einen mehr phasigen Zustand (des Wechselstromanschlusses oder des
Gleichrichters) zu unterscheiden. Ferner kann die Steuerung eingerichtet sein, die Glättungskondensatoren in eine der einphasigen Zustände in paralleler Konfiguration miteinander zu verbinden. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, in einem der mehrphasigen Zustände die Glättungskondensatoren miteinander in serieller Konfiguration zu verbinden.
Alternativ kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, bei einer gleichgerichteten Spannung, die an der Gleichstromseite des Gleichrichters anliegt, und über einem vorgegebenen
Schwellenwert liegt, die Glättungskondensatoren seriell mit einander zu verbinden (mittels der Konfigurationsvorrichtung) , und bei einer Spannung, die nicht über dem Schwellenwert liegt, die Glättungskondensatoren parallel miteinander zu verbinden (ebenfalls mittels der Konfigurationsvorrichtung) . Dadurch ist es möglich, dass auch erhöhte Spannungen, die sich nicht durch einen erhöhten Verkettungsfaktor (d.h. einen Verkettungsfaktor > 1) ergeben, die Glättungskondensatoren seriell geschaltet werden (um so pro Kondensator nur einen Teil der gleichge richteten Spannung zu erhalten) . Die Steuereinrichtung kann daher einen Vergleicher aufweisen, der die gleichgerichtete Spannung des Gleichrichters mit dem Schwellenwert vergleicht. Der Schwellenwert liegt vorzugsweise um eine vorbestimmte Marge unter einer Maximalspannung der Kondensatoren, die sich durch die Auslegung des Kondensators bestimmt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ladeschaltung mehrere Gleichspannungswandler aufweist. Diese weisen jeweils eine getaktete Schaltereinheit sowie einen Zwischenkreiskondensator auf. Der Zwischenkreiskondensator eines ersten der Gleich spannungswandler wird von einem ersten der Glättungskonden satoren gebildet. Der Zwischenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspannungswandler wird zu einem zweiten der Glättungs kondensatoren gebildet. Dadurch werden die Glättungskonden satoren als Zwischenkreiskondensatoren von verschiedenen Gleichspannungswandlern verwendet. Die geglättete Schalteinheit umfasst mindestens einen steuerbaren Schalter, insbesondere zwei steuerbare Schalter, wobei diese Schalter zur wechselnden Anbindung eines Elements dienen. Der Gleichspannungswandler kann beispielsweise als temporäres Speicherelement eine Induktivität (oder einen Kondensator) aufweisen. Vorzugsweise weist jeder Gleichspannungswandler eine Wandlerinduktivität auf, die der getakteten Schaltereinheit vor- oder nachgeschaltet ist. Die Gleichspannungswandler können als Hochsetzsteller, Tiefsetz steller oder als Synchronwandler ausgebildet sein. Die
Gleichspannungswandler sind vorzugsweise in gleicher Weise aufgebaut .
Die Gleichspannungswandler weisen Anschlüsse auf, die an einen Gleichstromanschluss angeschlossen sind. Der Gleichstroman schluss ist eingerichtet zum Anbinden des Energiespeichers (an die Ladeschaltung) . Die Anschlüsse der Gleichspannungswandler sind hierbei parallel miteinander verbunden. Somit arbeiten die Gleichspannungswandler beim Laden parallel und die abgegebenen Ströme addieren sich am Gleichstromanschluss. Als Anschlüsse sind beispielsweise ein Plus- und ein Minusanschluss vorgesehen, wobei am Plusanschluss beide Gleichspannungswandler ange schlossen sindbzw. deren positives Potential. Gleiches gilt auch für den negativen Anschluss oder für einen Masseanschluss.
Der Gleichrichter kann ein steuerbarer Gleichrichter sein. Der steuerbare Gleichrichter kann direkt mit dem Wechselstroman schluss verbunden sein. Die Gleichrichtereinheit umfasst hierbei Transistoren, jedoch keine dedizierten Energiespeicher wie Spulen .
Alternativ kann der Gleichrichter ein Leistungsfaktorkorrek turfilter sein. Dieser weist eine steuerbare Gleichrich tereinheit auf, die über Induktivitäten (etwa Spulen) mit dem Wechselstromanschluss verbunden sind. Die Induktivitäten bilden hierbei im Rahmen des Leistungsfaktorkorrekturfilters temporäre Energiespeicher. Jede Phase des Wechselstromanschlusses ist über eine eigene (seriell geschaltete) Induktivität mit der
Gleichrichtereinheit verbunden.
Es kann ein Fahrzeugbordnetz vorgesehen sein, das die La deschaltung und einen Energiespeicher aufweist, der über den Gleichstromanschluss der Ladeschaltung mit dieser verbunden ist . Falls keine Gleichspannungswandler vorgesehen sind, dann ist der Gleichstromanschluss (zum Anschluss des Energiespeichers) direkt mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters ver bunden, das heißt mit den Potentialen, zwischen denen sich die Zwischenglättungskondensatoren befinden .
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Ladeschaltung, die an einen (fahrzeugseitigen) Energiespeicher angeschlossen ist.
Die Ladeschaltung LS umfasst einen Wechselstromanschuss WA mit drei Phasenanschlüssen LI bis L3 sowie mit einem Neutrallei teranschluss N. Dieses sind an einer Wechselstromseite eines Gleichrichters GR angeschlossen. Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichrichtereinheit GE mit Dioden, sowie drei vorge schaltete (phasenindividuelle) Induktivitäten II bis 13. Die Induktivitäten II bis 13 verbinden den Wechselstromanschluss WA mit der Gleichrichtereinheit GE und verbinden insbesondere die verschiedenen Phasenanschlüsse LI - L3 des Wechselstroman schlusses mit der Gleichrichtereinheit GE. Die Gleichrich tereinheit GE umfasst nur Gleichrichterelemente in Form von Dioden oder insbesondere von Form von ansteuerbaren Transis toren. Die phasenindividuell vorangeschalteten Induktivitäten II bis 13 bilden zusammen mit der Gleichrichtereinheit einen Leistungsfaktorkorrekturfilter, das heißt einen Gleichrichter GR, der neben der Gleichrichtungsfunktion auch Funktionen wie Oberwellendämpfung und/oder Leistungsfaktorkorrektur und/oder Hochsetzstellen realisiert.
Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichstromseite GS, die der Wechselstromseite entgegengesetzt ist. Damit verbindet der Gleichrichter GR den Wechselstromanschluss WA mit zwei einzelnen Enden zweier Glättungskondensatoren CI und C2. Eine Dioden schaltung DS ist vorgesehen, die eine erste Diode Dl und eine zweite Diode D2 aufweist. Diese sind in Reihenschaltung über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden, wobei an dem Verbindungspunkt der neutrale Leiteranschluss N angeschlossen ist. Von diesem Verbindungspunkt aus sind die Dioden Dl und D2 (in entgegengesetzten Durchlassrichtungen) mit einer Konfi gurationsvorrichtung KV verbunden.
Die Konfigurationsvorrichtung KV umfasst eine Reihenschaltung von zwei Schaltern S1 und S3 sowie einem Schalter S2. Diese Schalter sind in Reihe miteinander verbunden. Die sich ergebende Reihenschaltung ist an die Gleichstromseite des Gleichrichters GR angeschlossen. Insbesondere ist diese Reihenschaltung der Schalter S1 bis S3 mit einem Ende an das positive Potential P+ und das negative Potential P- angeschlossen. Das positive Potential P+ und das negative Potential P- sind die Gleich spannungspotentiale des Gleichrichters GR bzw. der Gleich stromseite GS des Gleichrichters GR. Die Reihenschaltung der Schalter S1 bis S3 und somit die Konfigurationsvorrichtung KV ist parallel (mit den Enden der Konfigurationsvorrichtung KV) mit den Potentialen P-, P+ verbunden. Der Schalter S2 verbindet die Schalter S1 und S3 miteinander. Die Schalter S1 und S3 sind jeweils fest mit einem der beiden Potentialen verbunden, wobei der Schalter S1 mit dem positiven Potential P+ und der Schalter S3 mit negativem Potential P- verbunden ist. Parallel zu dem Schalter S2, der zwischen den Schaltern S1 und S3 in Serie geschaltet ist, ist die Reihenschaltung der Dioden Dl und D2 angeschlossen .
Mit anderen Worten ist parallel zu dem Schalter S2 die Dio denschaltung DS angeschlossen. Die Diodenschaltung D2 bildet insbesondere für den einphasigen Betrieb eine Diodenbrücke zur Vollwellengleichrichtung. Der Verbindungspunkt der Dioden der Diodenschaltung DS ist mit dem Neutralleiter N verbunden.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S1 und dem Schalter S2 ist mit einem ersten Glättungskondensator CI verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Schalter S2 und S3 mit dem zweiten Glättungskondensator C2 verbunden. Die Glättungskondensatoren CI und C2 sind somit nur miteinander in Reihe verbunden, wenn S2 geschlossen ist. Sind die Schalter S1 und S3 geschlossen, dann sind die Kondensatoren CI und C2 miteinander parallel verbunden.
Ist somit nur eine Phase angeschlossen, ergibt sich ein Ver kettungsfaktor von 1 und die Kondensatoren CI und C2 können zur Erhöhung der Kapazität miteinander parallel verbunden sein. Wird der Wechselstromanschluss WA dreiphasig verwendet (wobei die Phasenanschlüsse LI bis L3 an unterschiedliche Phasen eines Drehstromsystems angeschlossen sind) , dann ergibt sich ein Verkettungsfaktor > 1 und es werden die Kondensatoren CI und C2 von der Konfigurationsvorrichtung KV in Serie geschaltet.
Dadurch ergibt sich (durch Spannungsteilung der Kondensatoren) nur die Hälfte der geglätteten Spannung für die Kondensatoren CI und C2. Dadurch kann jeder der Kondensatoren CI und C2 mit einer geringeren Nennspannung ausgelegt werden als die Maximalspannung bei dreiphasigem Betrieb. Die Glättungskondensatoren haben vorzugsweise die gleiche (Nenn- ) kapazität und/oder die gleiche Nennspannung . Bei einphasigem Betrieb kann der Neutralleiter N an einen entsprechenden Anschluss des Drehstromsystems angeschlossen sein, während die Phasenanschlüsse LI bis L3 oder nur der Phasenanschluss L2 (oder auch nur der Phasenanschluss LI und L2) mit ein- und derselben Phase des anschließbaren Netzes verbunden sind. In diesem Fall ergibt sich ein Verkettungsfaktor von 1. Wenn mehr als ein Phasenanschluss LI bis L3 mit derselben Phase eines anschließbaren Wechselstromnetzes verbunden wird, dann werden die betreffenden Anschlüsse LI, L2, L3 entsprechend miteinander verbunden. Da keine zueinander phasenversetzten Phasenströme verwendet werden bzw. keine phasenversetzten Phasenanschlüsse angebunden sind, wird dies ebenso als einphasiger Betrieb bezeichnet. Vorzugsweise werden bei einphasigem Betrieb die Anschlüsse LI, L2 und L3 an dieselbe Phase angeschlossen (d.h. untereinander verbunden) , sodass alle Phasen des Gleichrichters GR zur Stromführung beitragen können.
In der Ausführungsform sind die Glättungskondensatoren CI und C2 bzw. ist die Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR direkt mit dem Energiespeicher ES verbunden, den Gleichstromanschluss GA der Ladeschaltung LS. Hierbei ist der Energiespeicher ES nicht notwendigerweise Teil der Ladeschaltung, sondern kann eine weitere Komponente des Fahrzeugbordnetzes sein, in dem die Ladeschaltung vorgesehen ist.
In dem dargestellten Beispiel ist eine Gleichspannungswand lereinheit WE vorgesehen, die zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst. Jeder der Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst eine Schaltereinheit SEI, SE2. In dieser sind getaktete
Schaltelemente des Gleichspannungswandlers vorgesehen, sowie (hier symbolisch dargestellt) ein temporärer Energiespeicher wie eine Spule. Die zum Gleichspannungswandler zugehörigen Zwi schenkreiskondensatoren werden von den Kondensatoren CI und C2 realisiert. Somit wird der erste Gleichspannungswandler GW gebildet aus dem Kondensator CI als Zwischenkreiskondensator und der Schaltereinheit SEI. Entsprechend wird der Gleichspan nungswandler GW2 gebildet von der Schaltereinheit SE2 und dem Kondensator C2. Eine Steuereinrichtung C ist ansteuernd mit den Schaltern S1 bis S3 verbunden. Ferner kann diese Steuereinrichtung C einen Eingang aufweisen, an dem die Steuereinrichtung Signale bezüglich der Anzahl aktiver (unterschiedlicher) Phasen des Gleichrichters GR erfassen kann. Dies können Signale sein, die den Belegungszustand des Wechselstromanschlusses darstellen, die die Anzahl aktiver und phasenversetzter Phasen des Gleichrichters GR darstellen, oder die einen Befehl zur Ausführung eines ein- oder mehrphasigen Betriebs darstellen, wobei das letztgenannte Signal die Anzahl der (verschiedenen Phasen) angibt. In einer weiteren Ausfüh rungsform ist die Steuereinrichtung C eingerichtet, die Spannung an der Gleichstromseite des Gleichrichters zu erfassen und daraus abzuleiten, ob die Spannung größer als ein Schwellenwert ist, um in diesem Fall die Konfigurationsvorrichtung KV für einen seriellen Betrieb (der Kondensatoren CI und C2) vorzusehen. Ist die Spannung niedriger als der Schwellenwert, wird zur Erhöhung der Gesamtkapazität der Kondensatoren CI und C2 die Konfigu rationsvorrichtung zur Parallelschaltung dieser Kondensatoren eingestellt .
Die Gleichspannungswandlereinheit WE ist nur schematisch dargestellt. Die dort vorhandenen Gleichspannungswandler GW1, GW2 bzw. Schaltereinheiten SEI, SE2 sind miteinander am Ausgang, das heißt auf der Seite des Gleichstromanschlusses GA parallel miteinander verbunden. Es ist jedoch auch eine serielle Ver bindung der Wandler denkbar. Als Wandler GW1, GW2 können galvanisch leitende oder galvanisch trennende bzw. isolierende Wandler vorgesehen sein. Dies hängt insbesondere von der Zu sammenschaltung an der Seite des Gleichstromanschlusses GA ab.
Eine Zusatz-Diodenschaltung Z mit den Dioden D3 und D4 ermöglicht eine Unterstützung der Diodenschaltung DS im Parallelzustand der Konfigurationsvorrichtung KV. Die Dioden D3 und D4 sind in Reihe miteinander verbunden, wobei der sich ergebende Verbindungspunkt mit dem Neutralleiter N verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Dioden D3 und D4 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D2 verbunden. Die Dioden D3 und D4 sind ferner an die Gleichstromseite des Gleichrichters GR ange schlossen. Die Diode D3 verbindet den Neutralleiteranschluss N mit dem positiven Potential P+ . Die Diode D4 verbindet den Neutralleiteranschluss N mit dem Negativpotential P- . Die Dioden D3 und D4 sind (wie auch die Dioden Dl und D2) bezogen auf die Potentiale P- und P+ in Sperrrichtung angeschlossen.
Abschließend sei bemerkt, dass die Fig. 1 als Fahrzeugbordnetz betrachtet werden kann, welches die Ladeschaltung LS und den daran angeschlossenen Energiespeicher ES umfasst. Der Ener giespeicher ES kann ein Akkumulator sein, insbesondere ein Lithium-basierter Akkumulator. Der Energiespeicher ES ist vorzugsweise ein Traktionsakkumulator. Die Ladeschaltung ist insbesondere für eine Leistung von mindestens 1 kW, 5 kW, 10 kW oder 50 kW ausgelegt. Dies betrifft die Leistung bei Anschluss an ein Drehstromsystem.

Claims

Patentansprüche
1. Ladeschaltung (LS) für einen fahrzeugseitigen elektrischen Energiespeicher (ES), wobei die Ladeschaltung aufweist: einen Wechselstromanschluss (WA) , mindestens zwei Glät tungskondensatoren (CI, C2), eine Konfigurationsvor richtung (KV) und einen Gleichrichter (GR) , über den der Wechselstromanschluss (WA) mit der Konfigurationsvor richtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurations vorrichtung (KV) den Gleichrichter (GR) mit den Glät tungskondensatoren (CI, C2) verbindet und eingerichtet ist, die Glättungskondensatoren (CI, C2) wahlweise in paralleler oder serieller Konfiguration miteinander zu verbinden, wobei der Wechselstromanschluss einen Neutralleiteran schluss (N) aufweist, der über eine Diodenschaltung (DS) mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist.
2. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1, wobei die Dioden
schaltung (DS) als Gleichrichterschaltung ausgebildet ist, die eine Wechselstromseite aufweist, die mit dem
Neutralleiteranschluss (N) verbunden ist, und die eine Gleichstromseite aufweist, die mit der Konfigurations vorrichtung (KV) verbunden ist.
3. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Diodenschaltung (DS) mindestens zwei Dioden (Dl, D2) aufweist, von denen mindestens eine erste Diode (Dl) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem ersten der Glät tungskondensatoren (CI) verbindet und von denen mindestens eine zweite Diode (D2) den Neutralleiteranschluss (N) mit einem zweiten der Glättungskondensatoren (C2) verbindet.
4. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mindestens einen ersten Schalter (Sl, S3) aufweist, der derart in der Konfigurationsvorrichtung (KV) vorgesehen sind, dass dieser in geschlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (CI, C2) parallel miteinander verbindet und die Konfi- gurationsvorrichtung (KV) mindestens einen zweiten
Schalter (S2) aufweist, der derart in der Konfigurati onsvorrichtung (KV) vorgesehen sind, dass dieser in ge schlossenem Zustand die Glättungskondensatoren (CI, C2) seriell miteinander verbindet.
5. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 6, wobei die Konfigu rationsvorrichtung (KV) zwei erste Schalter (Sl, S3) und einen zweiten Schalter (S2) aufweist, die in einer Se rienschaltung miteinander verbunden sind, die an unter schiedliche Potentiale (R+, P-) des Gleichrichters (GR) angeschlossen ist, wobei die ersten Schalter (Sl, S3) innerhalb der Serienschaltung über den zweiten Schalter miteinander verbunden sind.
6. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Zusatz-Diodenschaltung (Z) umfasst, über die der Neutralleiteranschluss (N) mit unterschiedlichen Potentialen des Gleichrichters (GR) verbunden ist.
7. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Steuereinrichtung (C) aufweist, die an steuernd mit der Konfigurationsvorrichtung (KV) verbunden ist, wobei die Konfigurationsvorrichtung (KV) mit Schaltern (Sl - S3) ausgestattet ist und die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist,
(i) in einem Parallelkonfigurationszustand nur den oder die Schalter (Sl, S3) der Konfigurationsvorrichtung (KV) zu schließen, über die die Glättungskondensatoren (CI, C2) jeweils zwischen zwei verschiedenen Potentialen (R+, P-) des Gleichrichters (GR) verbunden sind, und
(ii) in einem Seriellkonfigurationszustand nur den oder die Schalter (S2) der Konfigurationsvorrichtung (KV) zu schließen, die die Glättungskondensatoren (CI, C2) in Serie verbinden .
8. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 7, wobei die Steuer
einrichtung (C) eingerichtet ist, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Belegungszustand des Wechselstroman schlusses (WA) zu ermitteln, einen einphasigen sowie einen mehrphasigen Nutzungszustand des Gleichrichters (GR) zu ermitteln oder ein Signal zu erfassen, das einen einphasigen oder mehrphasigen Sollzustand der Ladeschaltung wieder gibt, wobei die Steuereinrichtung (C) eingerichtet ist, die die Glättungskondensatoren (CI, C2) in einem der ein phasigen Zustände in paralleler Konfiguration miteinander zu verbinden und in einem der mehrphasigen Zustände in serieller Konfiguration miteinander zu verbinden.
9. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ladeschaltung mehrere Gleichspannungswandler (GW1, GW2) aufweist, die jeweils eine getaktete Schal tereinheit (SEI, SE2) und einen Zwischenkreiskondensator aufweisen, wobei der Zwischenkreiskondensator eines ersten der Gleichspannungswandler (GW1) von einem ersten der Glättungskondensatoren (CI) gebildet wird und der Zwi schenkreiskondensator eines zweiten der Gleichspan nungswandler (GW2) von einem zweiten der Glättungskon densatoren (C2) gebildet wird.
10. Ladeschaltung (LS) nach Anspruch 9, wobei die Gleich
spannungswandler (GW1, GW2) Anschlüsse aufweisen, die an einen Gleichstromanschluss (GA) eingerichtet zum Anbinden des Energiespeichers (ES) angeschlossen sind, wobei die Anschlüsse der Gleichspannungswandler (GW1, GW2) parallel miteinander verbunden sind.
11. Ladeschaltung (LS) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichrichter (GR) ein steuerbarer Gleichrichter ist, der eine steuerbare Gleichrichtereinheit (GE) auf weist, die direkt mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist, oder
wobei der Gleichrichter (GR) ein Leistungsfaktorkorrek turfilter ist, der eine steuerbare Gleichrichtereinheit (GE) aufweist, die über Induktivitäten (II - 13) mit dem Wechselstromanschluss (WA) verbunden ist.
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