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Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Aus der
DE 10 2013 017 419 A1 ist bereits eine derartige Ladeschaltung für einen On-Board-Lader eines Fahrzeugs bekannt, bei der eine Batterie des Fahrzeugs über einen ersten Schaltungspfad mit einer elektrischen Reluktanzmaschine und über einen zweiten Schaltungspfad mit einer externen Energieversorgung verbindbar ist. Beide Schaltungspfade können dabei einen Ausgangsfilter, einen Wechselrichter mit galvanischer Trennung, einen Inverter und einen Netzfilter umfassen, wobei der Wechselrichter durch einen Gleichspannungs-Bypass überbrückbar ist. Zwischen den beiden Schaltungspfaden kann mittels eines Umschalters gewählt werden.
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Weiterhin ist aus der
US 2013/0057200 A1 ein bidirektionales Wechselrichter-Ladegerät bekannt, bei dem eine Energiequelle mit einer ersten Stufe, welche einen Leistungsfaktorkorrekturfilter als Hochsetzsteller und/oder eine Brückenschaltung als Wechselrichter umfassen kann, verbunden ist und eine zweite, mit der ersten verbundene Stufe, welche zum Anschließen einer Batterie eingerichtet ist, einen Gleichspannungswandler umfasst. Dieses Wechselrichter-Ladegerät kann dabei eine potenzialgebundene oder eine galvanisch getrennte Topologie aufweisen und zum Aufladen einer Batterie aus einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle genutzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Ladeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie aus einer Gleichstromquelle mittels einer solchen Ladeeinrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Um eine verbesserte Ladeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ladeeinrichtung ein schaltbares Überbrückungselement aufweist, mit dem der Leistungsfaktorkorrekturfilter überbrückbar ist. Mit anderen Worten ist also mittels des Überbrückungselements von einer eingangsanschlussseitig des Leistungsfaktorkorrekturfilters gelegenen Stelle der Ladeeinrichtung eine direkte elektrische Verbindung, das heißt eine Gleichstromverbindung zu einer ausgangsanschlussseitig des Leistungsfaktorkorrekturfilters gelegenen Stelle herstellbar. Die Ladeeinrichtung kann also bei geöffneter Schaltstellung des Überbrückungselements mit Wechselstrom und bei geschlossener Schaltstellung des Überbrückungselements mit Gleichstrom betrieben werden, sodass eine Anzahl von Elementen beziehungsweise Bauteilen der Ladeeinrichtung für beide Betriebsarten genutzt werden können. Durch eine solche Mehrfachnutzung von Komponenten ergeben sich vorteilhaft Einsparungen bezüglich der Herstellungskosten, des Gewichts, der Komplexität und der Fehleranfälligkeit. Zudem kann je nach konkreter Ausführungsform durch die Überbrückung des Leistungsfaktorkorrekturfilters gegebenenfalls eine Wirkungsgradverbesserung gegenüber einer Ladeeinrichtung ohne Überbrückungselement erzielt werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Eingangsanschluss denjenigen Anschluss, der für einen Anschluss einer Energiequelle, die nicht die Fahrzeugbatterie ist, vorgesehen ist und der Ausgangsanschluss bezeichnet denjenigen Anschluss, der für einen Anschluss der Fahrzeugbatterie beziehungsweise für eine Verbindung zu einem Bordnetz eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Bei diesem Bordnetz kann es sich insbesondere um ein Hochvolt-Bordnetz (HV-Bordnetz) handeln. Dementsprechend sinngemäß sind auch die Begriffe eingangsseitig und ausgangsseitig definiert beziehungsweise zu verstehen. Vorliegend wird zudem abkürzend der Leistungsfaktorkorrekturfilter als PFC (englisch „Power Factor Correction”) bezeichnet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist mittels der Ladeeinrichtung eine an den Ausgangsanschluss angeschlossene Batterie aus einer an dem Eingangsanschluss angeschlossenen Wechselstromquelle und aus einer an den Eingangsanschluss angeschlossenen Gleichstromquelle aufladbar. Mit anderen Worten kann also zu einem beliebigen Zeitpunkt entweder eine Wechselstromquelle oder eine Gleichstromquelle an die Ladeeinrichtung angeschlossen sein und zum Aufladen einer ebenfalls zu diesem Zeitpunkt an die Ladeeinrichtung angeschlossenen Batterie verwendet werden. Dies führt zu den bereits angesprochenen Einsparungsvorteilen, wobei insbesondere Vorrichtungen zur Strom- beziehungsweise Spannungsfilterung, zur Kommunikation mit beziehungsweise zwischen einzelnen Elementen und/oder einer Steuerungseinrichtung sowie eine zum Anschluss einer externen Energiequelle vorgesehene Ladedose nicht mehrfach, das heißt nicht einmal für einen Wechselstrombetrieb und zusätzlich einmal für einen Gleichstrombetrieb der Ladeeinrichtung vorgesehen beziehungsweise vorgehalten werden müssen beziehungsweise – insbesondere im Fall der Ladedose und hier beispielsweise durch Mehrfachnutzung von Kontaktstiften – vorteilhaft in ihrer Größe reduziert werden können.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist zwischen den Eingangsanschluss und den Leistungsfaktorkorrekturfilter ein zusätzlicher Filter geschaltet. Ein solcher Filter kann vorteilhaft beispielsweise eine Übertragung unerwünschter Strom- und/oder Spannungskomponenten auf nachfolgende Elemente der Ladeeinrichtung verhindern oder minimieren und somit gegebenenfalls eine Beschädigung der Ladeeinrichtung beziehungsweise einzelner Komponenten vermeiden und/oder die Lebensdauer einzelner Komponenten erhöhen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Element zur galvanischen Trennung mit dem Überbrückungselement überbrückbar. Mit anderen Worten können in diesem Fall sowohl die PFC als auch das Element zur galvanischen Trennung gleichzeitig mittels des Überbrückungselements überbrückt werden, sodass eine direkte beziehungsweise Gleichstromverbindung von einer eingangsseitig der PFC gelegenen Stelle der Ladeeinrichtung zu einer ausgangsseitig des Elements zur galvanischen Trennung gelegenen Stelle der Ladeeinrichtung herstellbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Überbrückungselement wenigstens ein Schütz beziehungsweise Schaltschütz auf. Mit anderen Worten kann also ein einzelnes Schütz oder alternativ auch eine Mehrzahl von Schützen vorgesehen sein, um die Schaltbarkeit des Überbrückungselements zu realisieren. Dabei können prinzipiell beliebige Arten von Schützen eingesetzt werden, welche beispielsweise mechanische oder in Halbleitertechnologie ausgeführte sowie entsprechende pneumatisch oder elektrisch betätigbare Varianten umfassen können. Vorliegend kann es sich bei dem Schütz insbesondere um ein Leistungsschütz handeln, um sicherzustellen, dass die auftretenden Ströme beziehungsweise Spannungen sicher geschaltet werden können.
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Um ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie aus einer Gleichstromquelle mittels einer verbesserten Ladeeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Überbrückungselement stromlos geschlossen wird. Im Zuge dieses Verfahrens wird zunächst sichergestellt, dass die aufzuladende Batterie mit dem Ausgangsanschluss der Ladeeinrichtung verbunden ist, was beispielsweise schon im Rahmen des Herstellungsprozesses eines entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Anschließend wird eine Verbindung einer elektrischen Energiequelle mit dem Eingangsanschluss der Ladeeinrichtung hergestellt und eine Ladespannung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Das Einstellen der Ladespannung kann dabei vor oder nach dem Anschließen der Energiequelle erfolgen und der vorgegebene Wert der initialen Ladespannung kann beispielsweise vom Batterietyp, von einem Spannungs- oder Ladungszustand der Batterie, der gewünschten Ladegeschwindigkeit auch von weiteren Faktoren wie etwa der konkreten Verschaltung der Ladeeinrichtung abhängig sein. In einem nächsten Schritt wird das Überbrückungselement beziehungsweise der oder die als Teil des Überbrückungselements vorgesehenen Schalter und/oder Schaltschütze stromlos geschlossen, das heißt von einer geöffneten, nichtleitenden Stellung in eine geschlossene, leitende Stellung überführt. Während des daraufhin einsetzenden oder zu startenden Ladevorganges steigt die Batteriespannung an und es wird die Ladespannung – vorzugsweise automatisch – entsprechend steigend ein- beziehungsweise nachgestellt und somit der Ladestrom geregelt.
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Die bisher und im Folgenden sowie in den Patentansprüche beschriebenen funktionalen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Ein- beziehungsweise Vorrichtung sind jeweils entsprechend sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Einrichtungen und Bauteile übertragbar und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer an eine Ladestation angeschlossenen Ladeeinrichtung, bei der eine PFC mittels eines zweiteilig dargestellten Überbrückungselements überbrückbar ist; und
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2 eine schematische Darstellung einer an eine Ladestation angeschlossenen Ladeeinrichtung, bei der mittels eines zweiteilig dargestellten Überbrückungselements sowohl eine PFC als auch ein Element zur galvanischen Trennung überbrückbar sind.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeeinrichtung 10, welche eingangsseitig, das heißt mit einem Eingangsanschluss 12, mit einer Ladestation 14 verbunden ist und ausgangsseitig einen Ausgangsanschluss 16 aufweist, welcher beispielsweise für den Anschluss einer Fahrzeugbatterie beziehungsweise zum Herstellen einer Verbindung zu einem Hochvolt-Bordnetz (HV-Bordnetz) eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Ladeeinrichtung 10 umfasst weiterhin einen dem Eingangsanschluss 12 nachgeschalteten Filter 18, einen diesem Filter 18 nachgeschalteten Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC, englisch „Power Factor Correction”) 24, ein der PFC 24 nachgeschaltetes Element zur galvanischen Trennung 26 und eine zwischen dieses und den Ausgangsanschluss 16 geschaltete Induktivität 28. Vorliegend ist zudem die PFC 24 durch ein zweiteiliges Überbrückungselement 20, welches in seinen beiden Teilen jeweils ein Schütz 22 aufweist, überbrückbar, sodass bei geschlossenen Schützen 22 jedes Teil des Überbrückungselements 20 jeweils eine direkte Verbindung zwischen einem zwischen dem Filter 18 und der PFC 24 angeordnetem Punkt einerseits und einem zwischen der PFC 24 und dem Element zur galvanischen Trennung 26 andererseits besteht. Dabei kann die PFC 24 gegebenenfalls als passive PFC 24 oder als aktive PFC 24 ausgebildet sein und die einzelnen Elemente beziehungsweise Bauteile der Ladeeinrichtung 10 sind in üblicher Weise durch elektrische Leitungen beziehungsweise Kabel oder Kontakte verbunden.
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Abkürzend wird im Folgenden das Element zur galvanischen Trennung 26 auch als Element 26 bezeichnet.
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Da bei bisher bekannten Fahrzeugen typischerweise jeweils eine eigene, vollständige und unabhängige Ladeeinrichtung für Wechselstrom beziehungsweise Wechselstromladen und für Gleichstrom beziehungsweise Gleichstromladen vorgesehen ist, ist es besonders vorteilhaft, dass mittels der vorliegenden durch Mehrfachnutzung von Komponenten kompakt konstruierbaren Ladeeinrichtung 10 sowohl ein Wechselstrom- als auch ein Gleichstromladen einer Batterie möglich ist. Eine solche Batterie kann eine übliche Fahrzeugbatterie oder auch eine HV-Batterie sein, welche beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen als Traktionsbatterie einsetzbar ist. Dabei kann beispielsweise eine Batteriespannung von 500 Volt oder mehr vorgesehen sein.
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Bei der Ladestation 14 kann es sich beispielsweise um eine sogenannte Elektrotankstelle, einen entsprechenden Hausanschluss oder etwa einen sonstigen, gegebenenfalls auch mobilen, Generator handeln. Zwischen der Ladestation 14 und dem Eingangsanschluss 12 der Ladeeinrichtung 10 kann in üblicher Weise – etwa mittels eines mit einem entsprechenden Stecker versehenen Kabels – eine elektrische Verbindung hergestellt werden, indem beispielsweise ein solcher Stecker in den beispielsweise als Ladedose beziehungsweise Steckdose ausgebildeten Eingangsanschluss 12 eingesetzt wird. Von der als elektrische Energiequelle dienenden Ladestation 14 kann dabei sowohl eine Wechselspannung als auch eine Gleichspannung beziehungsweise ein Wechsel- oder Gleichstrom bereitgestellt werden, wobei die entsprechenden elektrischen Parameter wie etwa die Höhe beziehungsweise Größe der bereitgestellten Ladespannung festgelegt oder an der Ladestation 14 auswählbar oder von der Ladeeinrichtung 10 durch eine entsprechende Kommandierung vorgebbar sein können. Insbesondere im letzteren Fall können dann alle internen Betriebspunkte der Ladeeinrichtung 10 durch die entsprechend eingestellte Ladespannung der Ladestation 14 so angesteuert werden, dass Schaltverluste in der Ladeeinrichtung 10 vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Da es vorgesehen sein kann, dass jeweilige Filtereinrichtungen für den Wechselstrom- und den Gleichstrombetrieb dieselben Netzanforderungen erfüllen, können durch den vorliegend vorgesehenen Filter 18 beide elektrischen Betriebsarten abgedeckt werden. Während für das Wechselstromladen die Schütze 22 und damit auch das Überbrückungselement 20 wie vorliegend dargestellt in einer geöffneten Stellung verbleiben, wird für das Gleichstromladen eine geschlossene Stellung der Schütze 22 beziehungsweise des Überbrückungselements 20 eingestellt. Das Überbrückungselement 20 kann dabei wie vorliegend dargestellt zweiteilig ausgeführt sein, je nach Realisierung beziehungsweise Ausführungsvariante kann jedoch auch eine einteilige oder eine vielteilige Ausgestaltung möglich sein. Entsprechendes gilt für die Schütze 22, da hier alternativ zu der dargestellten Variante mit zwei Schützen 22 auch eine Ausführungsform mit einem einzigen Schütz 22 oder mit einer Vielzahl gegebenenfalls parallel und/oder seriell angeordneter Schütze 22 denkbar sein kann. Der oder die Schütze 22 können beispielsweise zusammengefasst in einer Schützbox angeordnet sein.
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Beim Gleichstromladen wird durch die geschlossenen Schütze 22 beziehungsweise das Überbrückungselement 20 somit die PFC 24 überbrückt, wodurch insbesondere dort typischerweise auftretende Verluste eingespart und so eine Wirkungsgradverbesserung der Ladeeinrichtung 10 erreicht werden können. Das Schließen der Schütze 22 sollte dabei möglichst stromlos und/oder gegebenenfalls spannungsfrei erfolgen, wofür beispielsweise eine hier nicht dargestellte sogenannte ZVS-Schaltung (englisch „Zero Voltage Switching”) vorgesehen sein kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das der Überbrückung nachgeschaltete Element 26 – bei dem es sich neben zahlreichen anderen Varianten beispielsweise auch um eine sogenannte LLC-Anordnung beziehungsweise einen Gleichspannungswandler handeln kann – ein internes Übersetzungsverhältnis aufweist, dass es ermöglicht, ausgangsseitig des Elements 26 eine höhere Gleichspannung bereitzustellen, als von der Ladestation 14 zur Verfügung gestellt wird. Mit einer solchen Anordnung kann besonders vorteilhaft eine direkt oder indirekt an den Ausgangsanschluss 16 angeschlossene Batterie mit einer Spannung geladen werden, welche insbesondere höher sein kann, als die eingangsseitig bereitgestellte Ladespannung. Die PFC 24 ist in diesem Fall also inaktiv, während über das aktive beziehungsweise aktivierte oder benutzte Element 26 eine galvanische Trennung zwischen der Ladestation 14 und dem Ausgangsanschluss 16 beziehungsweise dem HV-Bordnetz des Fahrzeugs besteht, sodass vorteilhaft ein erhöhter Berührschutz gewährleistet ist.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine alternative Variante der Ladeeinrichtung 10, welche im Wesentlichen die gleichen Komponenten wie die in 1 dargestellte Variante umfasst, wobei im Gegensatz zu dieser hier jedoch durch das Überbrückungselement 20 nicht nur die PFC 24, sondern auch das Element zur galvanischen Trennung 26 überbrückbar ist.
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Werden in diesem Fall zum Gleichstromladen die Schütze 22 geschlossen, so ist sowohl die PFC 24 als auch das Element 26 inaktiv und unbenutzt. Damit ist es also nicht möglich, eine Batterie mit einer höheren als der von der Ladestation 14 bereitgestellten Gleichspannung aufzuladen. Es können jedoch vorteilhaft Verluste, welche gegebenenfalls in dem Element 26 auftreten können, eingespart werden und zudem kann auch hier der Komponentenaufwand im Fahrzeug gegenüber zwei unabhängigen Ladeeinrichtungen – jeweils einer für Wechselstrom- und einer für Gleichstromladen – reduziert werden, indem Komponenten wie beispielsweise der Filter 18, der Ausgangsanschluss 16 und der Eingangsanschluss 12 sowie weitere, auch hier nicht dargestellte, Komponenten mehrfach, das heißt sowohl für das Wechselstrom- als auch für das Gleichstromladen genutzt werden können. Der Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung 10 ist dann identisch mit demjenigen einer ausschließlich für das Gleichstromladen vorgesehenen Ladeeinrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladeeinrichtung
- 12
- Eingangsanschluss
- 14
- Ladestation
- 16
- Ausgangsanschluss
- 18
- Filter
- 20
- Überbrückungselement
- 22
- Schutz
- 24
- Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC)
- 26
- Element zur galvanischen Trennung
- 28
- Induktivität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013017419 A1 [0002]
- US 2013/0057200 A1 [0003]
