DE102012013890A1

DE102012013890A1 - Ladeeinrichtung für eine Hochspannungsbatterie eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012013890A1
Application number: DE102012013890.3A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Achhammer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2014008976A2; WO2014008976A3

Abstract

Ladeeinrichtung (5) für eine Hochspannungsbatterie (4) eines Kraftfahrzeugs (1), umfassend wenigstens einen Wechselspannungsanschluss (7) an eine zum Laden zu verwendende Wechselspannungsquelle (8) und eine die Wechselspannung in eine Ladespannung umwandelnde Wandlungseinrichtung (6), wobei die Wandlungseinrichtung (6) eine Spannungsverdopplerschaltung (11) umfasst, die Spannungsverdopplerschaltung (11) wenigstens zwei so verschaltete Kondensatoren (C1, C2) aufweist, dass jeweils eine Halbwelle der Wechselspannung einen zugeordneten Kondensator (C1, C2) auflädt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine Hochspannungsbatterie eines Kraftfahrzeugs, umfassend wenigstens einen Wechselspannungsanschluss an eine zum Laden zu verwendende Wechselspannungsquelle und eine die Wechselspannung in eine Ladespannung umwandelnde Wandlungseinrichtung, wobei die Wandlungseinrichtung eine Spannungsverdopplerschaltung umfasst.
In heutigen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektro- und Hybridkraftfahrzeugen, werden sogenannte Hochspannungsbatterien eingesetzt, um einen Elektromotor und/oder andere Systeme, beispielsweise Klimasysteme, betreiben zu können. Die Hochspannungsbatterie hat dabei eine höhere Spannung als die üblicherweise auch vorhandene Niedrigspannungsbatterie, deren Spannung beispielsweise bei 12 V liegen kann. Mithin liegt die Spannung einer Hochspannungsbatterie, die üblicherweise ein Hochspannungsnetz innerhalb des Kraftfahrzeuges versorgt, oberhalb von 12 V.
Eine derartige Hochspannungsbatterie muss, insbesondere bei reinen Elektrokraftfahrzeugen, häufig geladen werden, um die entsprechenden Funktionalitäten, insbesondere den Fahrbetrieb eines Elektrokraftfahrzeugs, sicherzustellen. Üblicherweise wird dabei eine Wechselspannungsquelle, beispielsweise ein öffentliches Wechselspannungsnetz verwendet. Hierzu ist entweder im Kraftfahrzeug selber oder beispielsweise in Form einer Ladestation außerhalb des Kraftfahrzeugs eine Ladeeinrichtung notwendig, die die Wechselspannung in eine geeignete Ladespannung, mithin eine Gleichspannung, umwandelt. Entsprechend sind Ladeeinrichtungen bekannt, die eine Gleichrichterstufe, die aus der Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, welche an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis anliegt, aufweisen. Die Gleichspannung des Zwischenkreises wird über einen Gleichspannungswandler (DC/EC-Wandler) zum Laden der Hochspannungsbatterie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verwendet.
Diese beschriebene, bekannte Lösung ist recht aufwendig und zudem kostenintensiv. Zudem weist die Ladeeinrichtung ein sehr hohes Gewicht und eine sehr hohe Baugröße auf.
DE 600 28 854 T2 offenbart ein Batterieladegerät für ein Hybridfahrzeug. Dabei wird von einem Ladegerät ausgegangen, das einen Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wechselrichter aufweist, der eine Eingangs-Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt und die Wechselspannung auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau hochtreibt, wobei zusätzlich ein Spannungsverdopplungsabschnitt vorgesehen ist, der die Ausgangs-Wechselspannung von dem Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wechselrichter oder eine Eingangs-Wechselspannung hochtreibt, ohne dass der Gleichspannungs/Wechselspannungs-Wechselrichter mit einer verdoppelten Spannung verbunden ist. Zudem wird durch den Spannungsverdopplungsabschnitt eine Gleichrichtung ermöglicht. Somit kann die dortige Hauptbatterie sowohl mit einer Gleichspannungsversorgung als auch mit einer Wechselspannungsversorgung geladen werden. Das dort beschriebene Batterieladegerät kann jedoch ferner einen elektrischen Anschluss für ein externes Eingangs- und Ausgangssignal aufweisen, der zwischen dem Wandlerabschnitt und dem Spannungsverdopplerabschnitt angeordnet ist, so dass eine Wechselspannung einer externen Spannungsversorgung angelegt werden kann.
DE 600 28 854 T2 offenbart dabei einen Spannungsverdopplungsabschnitt, in dem zunächst während einer Halbwelle einer externen Wechselspannung ein erster Kondensator aufgeladen wird, wobei während der zweiten, negativen Halbwelle die Spannung dieses ersten Kondensators zu einem zweiten Kondensator verschoben wird, so dass zusammenfassend voneinander beabstandete Gleichspannungspulse entstehen, die einen negativen Einfluss auf die Hochspannungsbatterie oder sonstige Komponenten des Gesamtsystems, insbesondere der Ladeeinrichtung, haben können. Die übertragbare Leistung ist mithin nicht optimal. Ein weiteres Problem dieses Standes der Technik ist es, dass eines der Wechselspannungspotentiale auf einem Gleichstrompotential des Hochspannungsnetzes liegt, so dass das Gefährdungspotential im Fehlerfall bei Berührung eines Gleichstrompotentials des Hochspannungsnetzes erhöht ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ladeeinrichtung anzugeben, bei der eine gleichmäßigere Ladespannung und eine höhere nutzbare Leistung vorliegen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Spannungsverdopplerschaltung wenigstens zwei so verschaltete Kondensatoren aufweist, dass jeweils eine Halbwelle der Wechselspannung einen zugeordneten Kondensator auflädt.
Erfindungsgemäß wird mithin eine andere Art einer Spannungsverdopplerschaltung vorgeschlagen, bei der letztlich jeder Halbwelle ein aufzuladender Kondensator der Spannungsverdopplerschaltung zugeordnet ist. Hierfür können beispielsweise, wie noch näher dargelegt werden wird, Dioden verwendet werden. Letztlich werden also beide Halbwellen einer Wechselspannung in je einem Kondensator gleichgerichtet, wobei die Schaltung der Kondensatoren derart ist, dass die Gesamtspannung der Anordnung beider Kondensatoren, welche insbesondere in Reihe geschaltet sind, sich im unbelasteten Zustand bis auf das doppelte der Spannungsamplitude der Wechselspannung aufladen kann.
Wird eine derartige, von der Wechselspannungsquelle gespeiste Anordnung zum Laden an die Hochspannungsbatterie angeschlossen, deren Batteriespannung dabei selbstverständlich kleiner als das Doppelte der Spannungsamplitude der Wechselspannung sein sollte, laden die Halbwellen der Wechselspannung im Wechsel jeweils einen der Kondensatoren auf und speisen damit über die serielle Anordnung bei gleichzeitiger Entladung des jeweils anderen Kondensators einen gepulsten, durch die Ladespannung beschriebenen Gleichstrom in die Hochspannungsbatterie ein, sobald nach Einschalten in den Kondensatoren wenigstens die Batteriespannung erreicht ist.
Auf diese Weise fließt ein Ladestrom in die Hochspannungsbatterie bei jeder Halbwelle, so dass insgesamt eine höhere Leistung übertragbar ist. Zudem wird eine gleichmäßigere, gepulste Gleichspannung als Ladespannung erzeugt, deren negative Auswirkungen auf die Batterie und/oder die übrige Elektronik geringer sind. Durch die Verwendung einer Spannungsverdopplerschaltung ergibt sich insgesamt eine günstige Lösung mit wenig Aufwand und Gewicht, die insbesondere auch unmittelbar in eine Hochspannungsbatterie integriert werden kann, zumindest aber im Kraftfahrzeug angeordnet werden kann.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Anschlussleitung, insbesondere eine Anschlussleitung pro Phase, des Wechselspannungsanschlusses derart auf Masse liegt, dass keine der Ladeleitungen der Hochspannungsbatterie mit Masse verbunden ist. Ein auf Masse liegender Punkt beziehungsweise die auf Masse liegende Leitung kann mithin geschickt so gewählt werden, dass keine unmittelbare Verbindung von Ladeleitungen der Hochspannungsbatterie und mithin dem Hochspannungsnetz des Kraftfahrzeugs zu Masse besteht. Auf diese Weise liegt nicht eines der Wechselspannungspotentiale direkt auf einem Gleichstrompotential des Hochspannungsnetzes, so dass das Gefährdungspotential im Fehlerfall bei Berührung eines Gleichstrompotentials des Hochspannungsnetzes beim Ladevorgang geringer ist.
In einer konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass, insbesondere für jede Phase der Wechselspannung, eine zentrale, auf Masse liegende erste Anschlussleitung des Wechselspannungsanschlusses über jeweils einen Kondensator mit den Ladeleitungen der Hochspannungsbatterie verbunden ist, wobei die zweite Anschlussleitung des Wechselspannungsanschlusses über jeweils eine von zwei Dioden, deren Durchlassrichtungen entgegengesetzt sind, mit jeweils einer Ladeleitung verbunden ist. Es existiert mithin ein mittiger Anschlusspunkt in der Spannungsverdopplerschaltung zwischen den Kondensatoren, an den die auf Masse liegende Anschlussleitung des Wechselspannungsanschlusses angekoppelt ist. Die andere Anschlussleitung ist über in entgegengesetzter Richtung verschaltete Dioden der Spannungsverdopplerschaltung mit den Ladeleitungen der Hochspannungsbatterie (und somit auch den Kondensatoren auf der anderen Anschlussseite) gekoppelt. Je nachdem, ob eine positive oder negative Halbwelle vorliegt, wird mithin der eine oder der andere der beiden Kondensatoren geladen, was sich aus der jeweiligen Verschaltung der Dioden der Spannungsverdopplerschaltung ergibt. Dadurch, dass die erste Anschlussleitung auf Masse liegt, ist die zuvor beschriebene Ausgestaltung hier zwangsläufig realisiert, so dass eine direkte Verbindung der Leitungen des Hochspannungsnetzes mit Masse vermieden wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ladeeinrichtung wenigstens eine Induktivität, insbesondere zwei Induktivitäten, zur Glättung des Ladestromverlaufs und/oder als Strombegrenzungselement aufweist. Bezüglich des zuvor diskutierten konkreten Ausführungsbeispiels kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine erste Induktivität in einer die erste Anschlussleitung mit den Kondensatoren verbindenden Leitung vorgesehen ist und/oder eine zweite Induktivität in einer mit einer Ladeleitung der Hochspannungsbatterie verbundenen Ausgangsleitung der Wandlungseinrichtung angeordnet sind. Derartige Induktivitäten dienen zwei unterschiedlichen Zwecken. Zum einen können hohe Stromstöße im Zeitpunkt des Einschaltens vermieden werden, nachdem dann ein beliebiger Momentanwert der Wechselspannung auf einen beispielsweise ungeladenen Kondensator geschaltet wird. In diesem Fall wirkt die Induktivität als Strombegrenzer, vorliegend beispielsweise die erste Induktivität. Gleichzeitig dienen die Induktivitäten jedoch auch dazu, den gepulsten Ladespannungsverlauf und den daraus folgenden Ladestromverlauf beim Ladevorgang zu glätten. Die wenigstens eine Induktivität reduziert also vorteilhafter Weise den Strom im Einschaltmoment beziehungsweise beim Angleichen der Kondensatoren an die Batteriespannung beim Zuschalten und sorgt zudem für eine Glättung des Stromflusses.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Wechselspannungsquelle eine dreiphasige Wechselspannungsquelle und/oder ein Wechselspannungsnetz ist. Die Verwendung einer mehrphasigen Wechselspannung zum Laden, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, da der über alle drei Phasen gleichgerichtete Gesamtstrom zum Laden der Hochspannungsbatterie grundsätzlich schon relativ wenig Restwelligkeit aufweist, das bedeutet, die Überlagerung der mehreren Phasen, die über entsprechende Spannungsverdopplerschaltungen gleichgerichtet werden, gleichen bereits die dabei entstehende Welligkeit aus. Mithin ist eine entsprechend erweiterte Version der Ladeeinrichtung vorteilhaft denkbar.
Das Wechselspannungsnetz kann mit besonderem Vorteil ein öffentliches Wechselspannungsnetz sein, das bedeutet, ein Benutzer kann seine insbesondere in einem Elektrokraftfahrzeug verbaute Hochspannungsbatterie über einen einfachen Anschluss an einer Steckdose laden.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass üblicherweise zur Steuerung des Ladebetriebs ein Steuergerät vorgesehen ist. Dies kann selbstverständlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden, worin das Steuergerät zum Laden beispielsweise zum Schließen von an der Hochspannungsbatterie beziehungsweise am Ausgang der Spannungsverdopplerschaltung vorgesehener Schütze ausgebildet ist. Denkbar ist es zudem auch, ein Schaltmittel zur Wechselspannungsquelle vorzusehen, um hier eine weitere Schaltmöglichkeit zu realisieren.
Neben der Ladeeinrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochspannungsbatterie und eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchen mithin auch die genannten Vorteile erhalten werden können. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug auch ein einen Teil der Ladeeinrichtung bildendes oder getrennt vorgesehenes Steuergerät umfassen, welches den Ladevorgang, insbesondere durch Ansteuerung entsprechender Schaltmittel, beispielsweise von Schützen, steuert. Insbesondere lässt sich die Ladeeinrichtung, insbesondere jedoch wenigstens die Spannungsverdopplerschaltung, auch in die Hochspannungsbatterie selber integrieren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
2 eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung, und
3 den Lade-Stromverlauf in der Hochspannungsbatterie.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, welches hier als ein Elektro-Kraftfahrzeug 1 ausgebildet ist. Entsprechend umfasst das Kraftfahrzeug 1 einen Elektromotor 2, der über ein nur angedeutetes Hochspannungsnetz 3 an eine Hochspannungsbatterie 4 angeschlossen ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Niederspannungsnetz, gespeist von einer Niederspannungsbatterie, deren Spannung niedriger als die der Hochspannungsbatterie ist, vorgesehen sein, was jedoch aus Übersichtsgründen nicht näher dargestellt ist.
Um die Hochspannungsbatterie 4 zu laden, ist eine schematisch bei 5 angedeutete Ladeeinrichtung vorgesehen, welche vorliegend auch in die Hochspannungsbatterie 4 integriert sein kann. Die Ladeeinrichtung umfasst eine Wandlereinrichtung 6, die über einen Wechselspannungsanschluss 7 von einer externen Wechselspannungsquelle 8 zugeführte Wechselspannung in eine Ladespannung und mithin einen Ladestrom für die Hochspannungsbatterie 4 umsetzt.
Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ferner ein Batteriesteuergerät 9, welches die Batterie 4 im allgemeinen und auch den Ladevorgang im speziellen steuert. Die genauere Struktur der Ladeeinrichtung 5 ist in 2 gezeigt. Die Wechselspannungsquelle 8 ist über den Wechselspannungsanschluss 7 und entsprechende Anschlussleitungen 10 mit der Wandlereinrichtung 6 als Teil der Ladeeinrichtung 5 verbunden. Die Wandlereinrichtung 6 umfasst eine Spannungsverdopplerschaltung 11, über die eine geeignete Gleichrichtung der Wechselspannung erfolgen soll. Hierzu ist eine zentrale Anschlussleitung 10 über eine erste Induktivität L1 an einen zwischen zwei Kondensatoren C1 und C2 liegenden Anschlusspunkt 12 gekoppelt. Wie gezeigt, liegt diese erste Anschlussleitung auf Masse 17. Die zweite, in 2 untere Anschlussleitung 10 ist ebenso an die Kondensatoren C1 und C2 gekoppelt, und zwar über in einen der entgegengesetzter Durchlassrichtung geschaltete Dioden D1 und D2. Auf diese Weise wird während der positiven Halbwelle über die Diode D2 der Kondensator C1 geladen, während der negativen Halbwelle über die Diode D1 der Kondensator C2. Äußere Anschlusspunkte 13 der Reihenschaltung der Kondensatoren C1 und C2 sind an das Hochspannungsnetz und mithin Ladeleitungen 14 der Hochspannungsbatterie 4 verbunden, üblicherweise über ein hier Schütze 15 umfassendes Schaltmittel 16, welches von dem Steuergerät 9 angesteuert werden kann. Zwischen dem Kondensator C1 und der Ladeleitung 14 ist vorliegend eine zweite Induktivität 12 vorgesehen.
Wird die Wechselspannungsquelle 8 angeschlossen, wobei hier selbstverständlich auch ein weiteres Schaltmittel, beispielsweise in der zweiten Anschlussleitung 10, vorgesehen sein kann, wirkt zunächst die Induktivität L1 als ein Strombegrenzer, so dass die noch nicht geladenen Kondensatoren C1 und C2 geschont werden.
Der Spannungsverlauf der durch die Spannungsverdopplerschaltung 11 erzeugten Ladespannung ist in 3 gezeigt. Ersichtlich werden zunächst abwechselnd die Kondensatoren C1 und C2 durch die jeweiligen Halbwellen geladen. So baut sich eine Gleichspannung auf. Überschreitet diese Gleichspannung nun die Batteriespannung der Hochspannungsbatterie 4, setzt der Ladevorgang ein: Immer dann, wenn einer der Kondensatoren C1 und C2 durch die entsprechenden Halbwellen aufgeladen wird, entsteht dadurch und durch Entladung des jeweils anderen Kondensators C2, C1 ein Ladestrom, der die Hochspannungsbatterie 4 lädt. Der Ladestrom ist dabei ein periodisch leicht schwankender Gleichstrom, wie 3 zu entnehmen, der durch die Induktivitäten L1 und L2 jedoch geglättet wird.
Abschließend sei noch angemerkt, dass die Erfindung der Übersichtlichkeit halber für einen einphasigen Wechselstrom dargestellt wurde. Die Prinzipien lassen sich sehr vorteilhaft auf einen dreiphasigen Wechselstrom übertragen, wobei dann durch die Überlagerung der verschiedenen gleichgerichteten Phasen eine weitere Glättung des Verlaufs der Ladespannung und mithin des Ladestroms auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60028854 T2 [0005, 0006]

Claims

Ladeeinrichtung (5) für eine Hochspannungsbatterie (4) eines Kraftfahrzeugs (1), umfassend wenigstens einen Wechselspannungsanschluss (7) an eine zum Laden zu verwendende Wechselspannungsquelle (8) und eine die Wechselspannung in eine Ladespannung umwandelnde Wandlungseinrichtung (6), wobei die Wandlungseinrichtung (6) eine Spannungsverdopplerschaltung (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsverdopplerschaltung (11) wenigstens zwei so verschaltete Kondensatoren (C1, C2) aufweist, dass jeweils eine Halbwelle der Wechselspannung einen zugeordneten Kondensator (C1, C2) auflädt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlussleitung (10), insbesondere eine Anschlussleitung (10) pro Phase, des Wechselspannungsanschlusses (7) derart auf Masse (13) liegt, dass keine der Ladeleitungen (14) der Hochspannungsbatterie (4) mit Masse (13) direkt verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere für jede Phase der Wechselspannung, eine zentrale, auf Masse (13) liegende erste Anschlussleitung (10) des Wechselspannungsanschlusses (7) über jeweils einen Kondensator (C1, C2) mit den Ladeleitungen (14) der Hochspannungsbatterie (4) verbunden ist, wobei die zweite Anschlussleitung (10) des Wechselspannungsanschlusses (7) über jeweils eine von zwei Dioden (D1, D2), deren Durchlassrichtung entgegengesetzt ist, mit jeweils einer Ladeleitung (14) verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Induktivität (L1, L2), insbesondere zwei Induktivitäten (L1, L2), zur Glättung des Ladestromverlaufs und/oder als Strombegrenzungselement aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Induktivität (L1) in einer die erste Anschlussleitung (10) mit den Kondensatoren (C1, C2) verbindenden Leitung vorgesehen ist und/oder eine zweite Induktivität (L2) in einer mit einer Ladeleitung (14) der Hochspannungsbatterie (4) verbundenen Ausgangsleitung der Wandlungseinrichtung (5) angeordnet sind.
Ladeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (8) eine dreiphasige Wechselspannungsquelle (8) und/oder ein Wechselspannungsnetz ist.
Kraftfahrzeug (1), umfassend eine Hochspannungsbatterie (4) und eine Ladeeinrichtung (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.