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Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuges und ein entsprechendes Ladesystem.
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Elektro- und Hybridfahrzeuge gewinnen durch immer höhere Reichweiten an Attraktivität. Dabei wird das Aufladen der Elektro- und Hybridkraftfahrzeuge von immer größerer Bedeutung. Gemäß der derzeit bekannten Lösungen werden die herkömmlichen Ladevorrichtungen fest in den Elektro- und Hybridkraftfahrzeugen eingebaut. Der Benutzer bekommt hierzu lediglich ein Kabel, das bloß für die Kommunikation der eingebauten Ladevorrichtung mit einer Ladestation bzw. Steckdose dient, ohne jegliche andere Funktionen aufzuweisen. Derzeitige Ladevorrichtungen ermöglichen dabei, dass das Kraftfahrzeug an einer Steckdose, beispielsweise an einer Haushaltssteckdose, mit maximal 2,3 kW oder an einer Wechselstrom-Ladesäule (AC-Ladesäule) mit lediglich 3,6 kW aufgeladen werden kann. Als eine zusätzliche Option kann der Kunde eine AC-Wallbox für die Leistungsumwandlung Wechselstrom zu Gleichstrom (AC/DC) im Kraftfahrzeug oder eine DC-Wallbox für die Leistungsumwandlung AC/DC in der Wallbox zu der integrierten Ladevorrichtung bestellen. Somit muss der Kunde sich zwischen den vorhandenen Lademöglichkeiten entscheiden und immer die integrierte Ladevorrichtung mit im Kaufpreis des Kraftfahrzeuges bezahlen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Ladevorrichtung und ein Ladesystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuges bereitzustellen, die mindestens einen der oben genannten Nachteile zumindest zum Teil überwinden. Insbesondere ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ladevorrichtung und ein entsprechendes Ladesystem bereitzustellen, die ein effizienteres Aufladen der Batterie, flexibleren Einsatz der Ladevorrichtung, Gewichtsreduktion des Kraftfahrzeuges und eine einfache Handhabung der Ladevorrichtung ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Ladevorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuges bereitgestellt wird, die mit einem externen Ladegerät zum Laden der Batterie ausgestaltet ist, wobei das Ladegerät mindestens ein Leistungsmodul zum Umwandeln vom Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) aufweist. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die interne eingebaute Ladevorrichtung aus dem Kraftfahrzeug entfernt werden kann. Dadurch entstehen mehrere Vorteile, wie Kosteneinsparung des Kraftfahrzeuges, Gewichts- und Bauraumminimierung im Kraftfahrzeug, höhere Effizienz des Aufladens durch eine flexible Auswahl der Ladevorrichtung, so dass der Benutzer immer aus dem neuesten Stand der Entwicklung wählen kann. Der Benutzer kann dabei die erfindungsgemäße Ladevorrichtung mit einem mobilen Ladegerät auswählen, das als eine DC-Wallbox ausgebildet ist, wobei die Leistungsumwandlung AC/DC direkt in dem transportablen Ladegerät erfolgt. Das Ladegerät funktioniert dabei vorteilhafterweise als ein Wandler, insbesondere ein AC/DC-Wandler.
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Gemäß der Erfindung kann das Ladegerät mehrere, insbesondere drei Leistungsmodule, umfassen. Durch den Einsatz von mehreren Leistungsmodulen kann die Ladeleistung erhöht werden, bis ein optimales Ladeverhalten erreicht ist, das mit den neuesten verfügbaren Ladevorrichtungen überhaupt möglich ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Ladegerät drei Leistungsmodule aufweisen, so dass die Ladeleistung von 3,6 kW verdreifacht werden kann. Die Ladeleistung kann dabei über 11 kW steigen. Durch den Einsatz von mehreren Leistungsmodulen kann somit die Ladeleistung erhöht werden, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte verbessert werden können. Durch den Einsatz von mehreren Leistungsmodulen kann außerdem die Flexibilität der Ladevorrichtung gewährleistet werden, unterschiedliche Ladeleistungen mit derselben Ladevorrichtung zu ermöglichen. Die Leistungsmodule können dabei beispielsweise als Halbleitermodule ausgebildet sein, die eine hohe Taktfrequenz aufweisen können. Dadurch kann vorteilhafterweise der Filteraufwand auf der Netz- und der Batterieseite reduziert werden, so dass die Leistungsdichte des kompletten Ladegeräts erhöht werden kann. Das erfindungsgemäße Ladegerät kann durch den Einsatz von Leistungsmodulen, insbesondere von Halbleitermodulen, einfach und insbesondere kompakt ausgebildet sein.
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Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass das Ladegerät mindestens ein herausnehmbares, insbesondere elektrisch und mechanisch vom Ladegerät entkoppelbares, Leistungsmodul aufweisen kann. Dadurch kann ermöglicht werden, dass zumindest ein Leistungsmodul an einem bestimmten Ort aufbewahrt werden kann, um das Laden der Batterie an diesem Ort zu erlauben, ohne die komplette Ladevorrichtung bzw. mehrere Ladevorrichtungen stets mit sich zu transportieren, wie beispielsweise bei Verwandten, auf der Arbeit oder dergleichen. Hierzu kann das herausnehmbare Leistungsmodul einfach aus dem Ladegerät entkoppelt werden und an dem gewünschten Ort aufbewahrt werden. Gleichzeitig ist es denkbar, dass die Ladevorrichtung zu Hause aufbewahrt werden kann, wobei nur das herausnehmbare Leistungsmodul mit sich geführt werden kann, um das Laden unterwegs zu ermöglichen.
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Des Weiteren kann die Erfindung vorsehen, dass das Ladegerät auf der Eingangsseite eine Wechselstrom-Schnittstelle (AC-Schnittstelle) zu einem Wechselstrom-Anschluss (AC-Anschluss) aufweisen kann. Die Grundform der Elektroladung für Kraftfahrzeuge ist Wechselstrom, deswegen kann das Ladegerät auf der Eingangsseite vorteilhafterweise eine passsende Schnittstelle zu vorhandenen Anschlüssen vorsehen. Denkbar ist jedoch, dass im Falle einer vorhandenen Gleichstrom-Anschlussstelle das erfindungsgemäße Ladegerät derart ausgestaltet sein kann, um das Laden mit Gleichstrom zu ermöglichen. Hierzu kann es vorgesehen sein, dass das Leistungsmodul umgangen werden kann bzw. dass das Ladegerät den Gleichstrom direkt zur Anschlussstelle am Kraftfahrzeug leiten kann.
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Vorteilhafterweise kann gemäß der Erfindung das Ladegerät als ein dreiphasiges Ladegerät ausgebildet sein. Das Ladegerät kann daher vorteilhafterweise bessere und schnellere Ladeleistung erzielen als bekannte einphasige Ladegeräte. Die erhöhte Ladeleistung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ermöglicht es vorteilhafterweise, die Batterie schnell zu laden. Das Ladegerät kann dabei vorteilhafterweise dazu ausgebildet sein, die dreiphasige Netzspannung von Ladestationen bzw. Steckdosen in eine konstante Gleichspannung umzuwandeln. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Ladegerät auf der Ausgangsseite einen Gleichspannungswandler aufweisen kann, um die umgewandelte Spannung an die Batteriespannung anzupassen. Sollte der Benutzer ein herausnehmbares Modul verwenden, so kann auf der Ausgangsseite des Leistungsmoduls ein DC/DC-Kabel benutzt werden, um geeignete Spannung zu erhalten. Auf der Eingangsseite sind dagegen keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, da die Eingangsleistung mit der eines Haushaltsstaubsaugers vergleichbar ist. Daher kann das Leistungsmodul im Alleinansatz auf der Eingangsseite über ein Kaltgerätekabel an die Ladestation angeschlossen werden.
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Vorteilhafterweise kann das Ladegerät auf der Ausgangsseite eine Gleichstrom-Schnittstelle (DC-Schnittstelle) zum Kraftfahrzeug, insbesondere zu einem fahrzeugseitigen Gleichstrom-Anschluss (DC-Anschluss) aufweisen. Da das Kraftfahrzeug bzw. die Batterie zum Laden Gleichstrom erfordert, kann das erfindungsgemäße Ladegerät vorteilhafterweise mit einer geeigneten DC-Schnittstelle ausgebildet sein. Im Falle, dass ein Leistungsmodul zum Laden der Batterie verwendet wird, kann ein DC/DC-Kabel verwendet werden, um eine DC-Schnittstelle zur Batterie zu schaffen. Das DC/DC-Kabel kann außerdem vorteilhafterweise dazu dienen, die durch das Leistungsmodul bereitgestellte Gleichspannung an die Spannung der Batterie anzupassen.
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Erfindungsgemäß kann die Gleichstrom-Schnittstelle (DC-Schnittstelle) eine Power Line Communication (PLC) aufweisen. Somit kann die erfindungsgemäße Ladevorrichtung vorteilhafterweise zur Sprach- oder Datenübertragung benutzt werden, um eine Kommunikation mit der Ladestation zu ermöglichen. Dann kann die Ladestation erkennen, mit welcher Ladeleistung die Ladevorrichtung betrieben werden kann, um beispielsweise einen Strom geeigneter Stärke freizuschalten.
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Des Weiteren wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Ladesystem für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuges gelöst, welches mit einem externen Ladegerät zum Laden der Batterie ausgeführt ist, wobei das Ladegerät mindestens ein herausnehmbares, insbesondere ein elektrisch und mechanisch vom Ladegerät entkoppelbares, Leistungsmodul zum Umwandeln vom Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) aufweisen kann, und welches Ladesystem außerdem mit einem ersten Kabel zum Anschließen des Leistungsmoduls an einen Wechselstrom-Anschluss (AC-Anschluss), und einem zweiten Kabel zum Anschließen des Leistungsmoduls am Kraftfahrzeug, insbesondere am fahrzeugseitigen Gleichstrom-Anschluss (DC-Anschluss) ausgestaltet ist. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass im Kraftfahrzeug selbst auf das eingebaute stationäre Ladegerät verzichtet werden kann, was sich auf den Beschaffungskosten des Kraftfahrzeuges positiv auswirken kann, was ferner die Gewicht- und Bauraumminimierung bewirkt und eine erhöhte Ladeleistung ermöglicht. Das herausnehmbare Leistungsmodul sorgt dabei für eine höhere Flexibilität im Einsatz der Ladevorrichtung in unterschiedlichen Orten. Dadurch, dass das Kraftfahrzeug keine AC-Ladedose sowie keine Ladevorrichtung mit eingebautem AC/DC-Wandler mehr erfordert, wird der Aufbau des Kraftfahrzeuges selbst ebenfalls vereinfacht.
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Erfindungsgemäß kann im Rahmen des Ladesystems zusammen mit der Ladevorrichtung ein erstes und ein zweites Kabel bereitgestellt werden, um das herausnehmbare Leistungsmodul als eine separate Ladevorrichtung benutzen zu können. Dabei kann das erste Kabel als ein Kaltgerätekabel ausgebildet sein. Dies ist möglich, da auf der Eingangsseite keine höheren Ströme fließen, so dass das Leistungsmodul keine hohe Hitze entwickelt und nicht zusätzlich geschützt werden muss. Auf der Ausgangsseite kann das zweite Kabel als ein Gleichstromkabel ausgebildet sein. Dabei ist es denkbar, dass das Kabel als ein DC/DC-Kabel ausgebildet sein kann, um zusätzlich als ein Gleichstromwandler zu wirken und die umgewandelte Spannung auf dem Ausgang zur Batterie entsprechend zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung mit einem herausnehmbaren Leistungsmodul.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 im Einsatz im zusammengebauten Zustand (siehe oben), beispielsweise zu Hause und unterwegs im Einsatz (siehe unten). Wie es aus der 1 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 für eine Batterie eines Kraftfahrzeuges 100, insbesondere eines Elektro- oder Hybridkraftfahrzeuges vorgeschlagen, die als eine Art Baukasten aufgebaut ist, so dass ein flexibler Einsatz der Vorrichtung an verschiedenen Orten und verschiedenen Lademöglichkeit geschaffen ist. Die Ladevorrichtung 1 ist dabei als ein externes Ladegerät 10 zum Laden der Batterie ausgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ladegerät 10 drei Leistungsmodule 11, 12 und 13, die zum Umwandeln vom Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) ausgelegt sind. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Ladevorrichtung 1 als Ganzes aus dem Kraftfahrzeug 100 entfernt werden kann, so dass mehrere Vorteile gleichzeitig erreicht werden können. Es können somit Kosten bei Anschaffen des Kraftfahrzeuges 100 eingespart werden, das Gewicht und Bauraum im Kraftfahrzeug 100 können dabei minimiert werden. Daneben kann eine bestmögliche Effizienz beim Aufladen der Batterie erzielt werden, da der Benutzer nicht mehr an die eingebaute Ladevorrichtung beschränkt ist, sondern stets die neueste Technologie auswählen kann. Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 ist dabei als eine DC-Wallbox ausgeführt, wobei die Leistungsumwandlung AC/DC direkt in dem transportablen Ladegerät 10 erfolgt, das als AC/DC-Wandler agiert.
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Durch den Einsatz von mehreren Leistungsmodulen 11, 12, 13 kann das Ladeverhalten optimiert werden. Das Laden kann dabei schnell und mit einer hohen Leistungsdichte erfolgen. Der Wirkungsgrad kann hierbei von über 97% erreicht werden, so dass die Batterie in kürzester Zeit auf mehr als 80% aufgeladen werden kann. Jedes Leistungsmodul 11, 12, 13 kann erfindungsgemäß eine Ladeleistung von 3,6 kW aufnehmen, die an der herkömmlichen Ladestation verfügbar ist. Die gesamte Ladeleistung der Ladevorrichtung 1 kann dabei bis auf 11 kW steigen. Vorteilhafterweise können die Leistungsmodule 11, 12, 13 als Halbleitermodule ausgebildet sein, die eine hohe Taktfrequenz aufweisen und zum schnellen und effizienten Aufladen geeignet sind. Wie aus der 1 oben zu erkennen ist, ist das erfindungsgemäße Ladegerät 10 mit den eingebauten Leistungsmodulen 11, 12, 13 einfach und kompakt in einer Art portable Box ausgebildet.
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Wie die 1 unten zeigt, weist das Ladegerät 10 mindestens ein herausnehmbares Leistungsmodul 11 auf, welches elektrisch und mechanisch vom Ladegerät 10 entkoppelt werden kann, um als eine eigenständige Ladevorrichtung 1 zu dienen. Das Leistungsmodul 11 kann dabei an einem bestimmten Ort aufbewahrt werden, um das Laden der Batterie da zu ermöglichen, wo der Benutzer oft zu Besuch ist, beispielsweise bei den Verwandten oder auf der Arbeit. Dies ermöglicht, dass der Benutzer die komplette Ladevorrichtung 1 zu Hause lassen kann. Zudem ist es denkbar, dass der Benutzer nur das herausnehmbare Leistungsmodul mit sich führen kann, um die Batterie unterwegs laden zu können. Für diese Zwecke ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das herausnehmbare Leistungsmodul 11 aus dem Ladegerät 10 ausgebaut werden kann.
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Wie in der 1 zu sehen ist, weist das erfindungsgemäße Ladegerät 10 auf der Eingangsseite eine Wechselstrom-Schnittstelle 20 zu einem Wechselstrom-Anschluss (AC-Anschluss) auf; da die bekannten Ladestationen und die Stromanschlüsse zu Hause gewöhnlich mit Wechselspannung beladen sind. Sollte jedoch eine Stromquelle mit einer Gleichspannung zur Verfügung stehen, so ist es ohne Weiteres denkbar, dass die erfindungsgemäße Ladevorrichtung 1 und/oder das herausnehmbare Leistungsmodul 11 zudem als ein Gleichstromkabel funktionieren können, die ebenfalls als DC/DC-Wandler agieren können, um einen passende Spannung an die Batterie bereitzustellen. Hierzu können die Leistungsmodule 11, 12, 13 entweder umgangen werden oder derart ausgebildet sein, dass sie gleichwohl als DC/DC-Wandler agieren können.
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Wie weiterhin in der 1 zu sehen ist, ist das Ladegerät 10 als ein dreiphasiges Ladegerät L1, L2, L3 ausgebildet, was eine schnellere Ladeleistung ermöglicht als ein einphasiges Ladegerät. In der 1 ist außerdem gezeigt, dass das Ladegerät 10 am Ausgang die dreiphasige Netzspannung in eine konstante Gleichspannung für das Kraftfahrzeug 100 umwandelt. Das Ladegerät 10 kann hierzu auf der Ausgangsseite einen Gleichspannungswandler aufweisen, um die umgewandelte Spannung an die Batteriespannung HVDC anzupassen.
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Unten in der 1 ist gezeigt, wie der Benutzer das Leistungsmodul 11 separat von der sonstigen Ladevorrichtung 1 verwenden kann. Hierzu weist das erfindungsgemäße Ladesystem 1 zwei weitere Komponenten 21, 31 auf, um die Schnittstellen 20, 30 zur Ladestation und zur Batterie zu schaffen. Erfindungsgemäß kann auf der Ausgangsseite des Leistungsmoduls 11 ein DC/DC-Kabel 31 benutzt werden, um geeignete Spannung für die Batterie zu erhalten. Auf der Eingangsseite sind keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, da die Eingangsleistung am Leistungsmodul 11 keinen hohen Strom erfordert. Deswegen kann auf der Eingangsseite ein herkömmliches Kaltgerätekabel 21 verwendet werden. Die Handhabung von zwei Kabeln 21, 31 ist für den Benutzer bekannt, beispielsweise durch Benutzen eines Laptops oder ähnlicher Geräte, und sollte den Benutzer nicht belasten. So kann der Benutzer an der Steckdose das Kaltgerätekabel 21 anschließen, welches zum Leistungsmodul 11 geführt werden kann, und an der Anschlussstelle 3 zum Kraftfahrzeug 100, die als ein Gleichstrom-Anschluss 3 ausgebildet sein kann, das DC/DC-Kabel 31 zwischen dem Leistungsmodul 11 und dem Kraftfahrzeug 100 schalten. Sowohl die komplette Ladevorrichtung 1 als auch das DC/DC-Kabel 31 können eine Power Line Communication (PLC) aufweisen, um für die Kommunikation mit der Ladestation zu sorgen.
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Die voranstehende Beschreibung der Ausführungsform beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsform frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ladevorrichtung
- 3
- Gleichstrom-Anschluss
- 10
- Ladegerät
- 11
- herausnehmbares Leistungsmodul
- 12
- Leistungsmodul
- 13
- Leistungsmodul
- 20
- Wechselstrom-Schnittstelle
- 21
- erstes Kabel
- 30
- Gleichstrom-Schnittstelle
- 31
- zweites Kabel
- 100
- Kraftfahrzeug
