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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers sowie ein Verfahren zum Initialisieren eines Ladevorgangs für einen elektrischen Energiespeicher.
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Stand der Technik
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Die Druckschrift
DE 10 2014 207 854 A1 offenbart ein Übertragungssystem zum kontaktlosen Übertragen von Energie an einen Verbraucher. Beispielsweise können mittels einer solchen Energieübertragung Batterien von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen aufgeladen werden.
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Beim induktiven Laden von Energiespeichern, beispielsweise beim induktiven Laden von Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen wird die elektrische Energie über einen Transformator mit großem Luftspalt übertragen. Zur Energieübertragung erzeugt eine Primärspule ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das eine Sekundärspule durchdringt und dort einen entsprechenden Strom induziert. Als Frequenzbereich für die Energieübertragung wird typischerweise eine Frequenz zwischen 10 und 150 kHz verwendet.
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Auf der Sekundärseite wird zur Spannungsstabilisierung ein sogenannter Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator eingesetzt. Im Ladebetrieb ist dieser Kondensator auf die Spannung der aufzuladenden Batterie aufgeladen. Vor Beginn des Ladebetriebs ist das Ladesystem einschließlich des Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensators von der Batterie durch einen Leitungsschutzschalter bzw. einen Trennschalter oder Schütz getrennt. Aus Sicherheitsgründen ist ferner eine Entladung des Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensators vorgesehen.
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Um beim Schließen des Trennschalters hohe Umladeströme zwischen der Batterie und dem Kondensator zu vermeiden, muss der Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator zuvor auf die Batteriespannung aufgeladen werden. Hierzu können beispielsweise sogenannte Vorladeschaltungen vorgesehen sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Initialisieren eines Ladevorgangs für einen elektrischen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mit einer Ladeschaltung, einem Zwischenkreiskondensator, einem Trennschalter, einem ersten Spannungsdetektor, einem zweiten Spannungsdetektor und einer Steuereinrichtung. Die Ladeschaltung ist an einem Eingangsanschluss mit einer elektrischen Energiequelle elektrisch koppelbar. Die Ladeschaltung ist ferner dazu ausgelegt, an einem Ausgangsanschluss eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom bereitzustellen. Der Zwischenkreiskondensator ist mit dem Ausgangsanschluss der Ladeschaltung elektrisch verbunden. Der Trennschalter ist in einem elektrischen Leitungspfad zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem elektrischen Energiespeicher angeordnet. Dabei ist der Trennschalter dazu ausgelegt, eine elektrische Verbindung zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem elektrischen Energiespeicher zu öffnen oder zu schließen. Der erste Spannungsdetektor ist dazu ausgelegt, eine Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers zu erfassen. Der erste Spannungsdetektor kann dabei ein zu der erfassten Klemmenspannung korrespondierendes Ausgangssignal bereitstellen. Der zweite Spannungsdetektor ist dazu ausgelegt, eine Zwischenkreisspannung zwischen den zwei Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators zu erfassen. Dabei kann der zweite Spannungsdetektor ein Ausgangssignal bereitstellen, das zu der erfassten Zwischenkreisspannung korrespondiert. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, unter Verwendung der erfassten Klemmenspannung eine Freigabespannung zu berechnen. Weiterhin kann die Steuereinrichtung an der Ladeschaltung ein Steuersignal zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators bereitstellen. Ferner kann die Steuereinrichtung den Trennschalter ansteuern, wenn die Zwischenkreisspannung der berechneten Freigabespannung entspricht. Insbesondere wird dabei durch Ansteuern des Trennschalters der Trennschalter geschlossen.
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Ferner ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zum Initialisieren eines Ladevorgangs für einen elektrischen Energiespeicher mit den Schritten des Erfassens einer Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers; des Berechnens einer Freigabespannung unter Verwendung der erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers; des Aufladens eines über einen geöffneten Trennschalter mit dem elektrischen Energiespeicher gekoppelten Zwischenkreiskondensators mittels einer Ladeschaltung für den elektrischen Energiespeicher; und des Schließens des Trennschalters, wenn der Wert der elektrischen Spannung an dem Zwischenkreiskondensator der berechneten Freigabespannung entspricht.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es beim elektrischen Verbinden einer Ladeschaltung mit einer Batterie aufgrund von kapazitiven Bauelementen in der Ladeschaltung zu hohen Ausgleichsströmen kommen kann. Daher müssen diese kapazitiven Bauelemente vor dem Verbinden auf ein geeignetes Spannungsniveau aufgeladen werden. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass ein solches Aufladen der kapazitiven Bauelemente mittels einer separaten Ladeschaltung mit einem hohen Schaltungsaufwand verbunden sein kann und in einer Fahrzeugarchitektur durchaus Anschlussmöglichkeiten an die Batterie bestehen können, die standardmäßig keine separate Vorladeschaltung enthalten.
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Daher ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, wodurch die Ladeschaltung vor dem elektrischen Verbinden mit der Batterie möglichst einfach und mit nur geringem Aufwand auf ein geeignetes Spannungsniveau aufgeladen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, einen Zwischenkreiskondensator in einer Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers vor dem elektrischen Verbinden der Ladevorrichtung mit dem elektrischen Energiespeicher zunächst mittels einer in der Ladevorrichtung vorgesehenen Ladeschaltung auf ein geeignetes Spannungsniveau aufzuladen. Dieses geeignete Spannungsniveau kann dabei insbesondere im Bereich der Klemmenspannung des aufzuladenden Energiespeichers liegen. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, dass der Zwischenkreiskondensator exakt auf die Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers aufgeladen werden muss. Auch bei geringfügigen Spannungsdifferenzen zwischen Zwischenkreiskondensator und Klemmenspannung ist ein elektrisches Verbinden durch Schließen eines Trennschalters möglich, ohne dass dabei der Trennschalter oder weitere Bauelemente Schaden erleiden werden.
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Da das Aufladen des Zwischenkreiskondensators über die Ladeschaltung erfolgt, kann das Aufladen mit bereits existierenden Bauelementen und Baugruppen erfolgen, ohne dass ein erheblicher zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich ist. Hierdurch kann sowohl der erforderliche Bauraum, als auch die Herstellungskosten gesenkt werden.
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Das Aufladen der Kapazitäten in der Ladevorrichtung erfolgt durch die Ladevorrichtung selbst, so dass auch vor dem Schließen des Trennschalters zwischen Energiespeicher und Ladevorrichtung keinerlei elektrische Verbindung hergestellt werden muss. Daher kann vor Beginn des Ladevorgangs auch die Isolation zwischen Energiespeicher und Ladevorrichtung bzw. eventuell vorhandenen Anschlüssen oder Ladebuchsen gewährleistet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen Ladevorgang für das Laden des elektrischen Energiespeichers mittels der Ladeschaltung freizugeben, nachdem der Trennschalter geschlossen worden ist. Auf diese Weise kann nach Schließen des Trennschalters eine Energieübertragung von der Ladeschaltung zu dem elektrischen Energiespeicher erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das Laden des elektrischen Energiespeichers nur dann freizugeben, wenn eine Differenz zwischen erfasster Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers und erfasster Zwischenkreisspannung einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, nachdem der Trennschalter geschlossen worden ist. Durch den Vergleich der Spannung an Zwischenkreiskondensator mit der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers kann überprüft werden, ob der Trennschalter auch sicher geschlossen worden ist oder es über dem Trennschalter bzw. gegebenenfalls an weiteren Stellen in der Verbindung zwischen Zwischenkreiskondensator und elektrischem Energiespeicher zu einem Spannungsabfall kommt, der während des Ladens des Energiespeichers eine potentielle Gefahr darstellen könnte.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ferner dazu ausgelegt, ein Freigabesignal bereitzustellen, wenn der Ladevorgang für das Laden des elektrischen Energiespeichers freigegeben wird. Ein solches Freigabesignal kann beispielsweise dazu verwendet werden, weitere Instanzen bzw. Baugruppen für das Laden des elektrischen Energiespeichers zu triggern.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ladeschaltung eine Sekundärspule eines induktiven Energieübertragungssystems. Ferner kann die Ladeschaltung auch eine Gleichrichterschaltung umfassen. Insbesondere bei induktiven Energieübertragungssystemen und bei Resonanzwandlern mit einer Gleichrichterschaltung kann durch aktives Ansteuern von Bauelementen in der Gleichrichterschaltung das Aufladen des Zwischenkreiskondensators sehr gut gesteuert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Gleichrichterschaltung der Ladeschaltung eine Mehrzahl von Halbleiterschalter. Die Steuereinrichtung ist hierbei dazu ausgelegt, die Halbleiterschalter der Gleichrichterschaltung für das Aufladen des Zwischenkreiskondensators aktiv anzusteuern
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Initialisieren des Ladevorgangs berechnet der Schritt zum Berechnen der Freigabespannung eine Freigabespannung, die von der erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers um einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten Wertebereich abweicht. Wird an dem Zwischenkreiskondensator während des erfindungsgemäßen Aufladens eine Spannung eingestellt, die von der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers abweicht, so kann beispielsweise überprüft werden, ob der Trennschalter zwischen Zwischenkreiskondensator und elektrischem Energiespeicher geöffnet oder geschlossen ist. Sobald der Trennschalter geschlossen ist, wird sich an dem Zwischenkreiskondensator auch dann eine Spannung in Höhe der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers einstellen, selbst wenn zuvor eine davon abweichende Spannung eingestellt worden ist. Auf diese Weise kann daher die elektrische Verbindung zwischen Zwischenkreiskondensator und elektrischem Energiespeicher überprüft werden. Beispielsweise kann an dem Zwischenkreiskondensator eine Spannung eingestellt werden, die um wenige Volt von der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers abweicht. Insbesondere sind zum Beispiel Spannungen möglich, die beispielsweise um 1–2 % der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers abweichen. Dabei kann an dem Zwischenkreiskondensator sowohl eine niedrigere als auch eine höhere Spannung wie die Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem Schritt zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators die von der Ladeschaltung bereitgestellte elektrische Leistung auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt. Auf diese Weise kann während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators bei geöffnetem Trennschalter die übertragene Energiemenge begrenzt werden. Somit kann die Sicherheit des Gesamtsystems erhöht werden. Nachdem der Zwischenkreiskondensator auf die gewünschte Spannung aufgeladen worden ist und der Trennschalter zwischen Zwischenkreiskondensator und elektrischem Energiespeicher geschlossen worden ist, kann daraufhin das Laden des elektrischen Energiespeichers mit voller Leistung freigegeben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Trennschalter der Vorrichtung zum Laden des elektrischen Energiespeichers einen einphasigen oder einen mehrphasigen Trennschalter umfassen. Insbesondere bei der Verwendung von mehrphasigen Trennschaltern kann somit eine vollständige galvanische Trennung zwischen elektrischem Energiespeicher und Ladevorrichtung ermöglicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schritt zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators ein aktives Ansteuern von Halbleiterschalter in einer Gleichrichterschaltung der Ladeschaltung.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführung;
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2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds, wie es einer Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers zugrunde liegt; und
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3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen, sofern nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 20. Die Vorrichtung umfasst eine Ladeschaltung 1 mit einem Zwischenkreiskondensator 2 sowie einen Trennschalter 3. Die Ladeschaltung 1 kann an einem Eingangsanschluss mit einer elektrischen Energiequelle 10 verbunden werden. Beispielsweise kann es sich bei dieser elektrischen Energiequelle 10 um den Anschluss an ein Energieversorgungsnetz handeln. Aber auch beliebige weitere Energiequellen, wie zum Beispiel eine Photovoltaikanlage oder ähnliches sind möglich. Je nach Konfiguration der Ladeschaltung 1 kann durch die elektrische Energiequelle 10 dabei an dem Eingangsanschluss der Ladeschaltung 1 eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung bereitgestellt werden. Die Ladeschaltung 1 konvertiert die an dem Eingangsanschluss bereitgestellte Spannung oder Strom in eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 20. Insbesondere kann dabei in der Ladeschaltung 1 eine galvanische Trennung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss der Ladeschaltung 1 erfolgen. Die Ansteuerung der Ladeschaltung 1 kann dabei beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung 6 erfolgen.
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Am Ausgangsanschluss der Ladeschaltung 1 ist ein Zwischenkreiskondensator 2 angeordnet. Der Ausgangsanschluss der Ladeschaltung 1 mit dem daran vorgesehenen Zwischenkreiskondensator 2 kann über einen Trennschalter 3 mit dem elektrischen Energiespeicher 20 gekoppelt werden. Bei dem Trennschalter 3 kann es sich dabei um ein beliebiges Schaltelement handeln, das in der Lage ist, die auftretenden Spannungen und Ströme zuverlässig zu schalten. Beispielsweise kann es sich bei dem Trennschalter 3 um einen Leitungsschutzschalter bzw. einen Schütz handeln. Weitere Schaltelemente zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen elektrischem Energiespeicher 20 und Ladeschaltung 1 sind darüber hinaus ebenso möglich. Bei dem Trennschalter 3 kann es sich insbesondere entweder um einen einphasigen Schalter handeln, der nur eine einzige Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 20 und der Ladeschaltung 1 unterbricht, oder alternativ kann es sich bei dem Trennschalter 3 auch um ein mehrphasiges Schaltelement handeln, das zwei oder mehr elektrische Verbindungen zwischen dem elektrischen Energiespeicher 20 und der Ladeschaltung 1 unterbricht.
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Solange kein Laden des elektrischen Energiespeichers 20 erfolgt, ist der Trennschalter 3 in der Regel geöffnet. Aus Sicherheitsgründen ist dabei der Zwischenkreiskondensator 2 üblicherweise entladen. Würde daraufhin der Trennschalter 3 geschlossen werden, so würde von dem elektrischen Energiespeicher 20 innerhalb sehr kurzer Zeit ein hoher Ausgleichsstrom in den Zwischenkreiskondensator 2 fließen. Um dies zu vermeiden, wird der Zwischenkreiskondensator 2 vor dem Schließen des Trennschalters 3 aufgeladen.
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Hierzu wird zunächst eine Klemmenspannung zwischen den beiden Anschlüssen des elektrischen Energiespeichers 20 ermittelt. Zu diesem Zweck kann an dem elektrischen Energiespeicher 20 ein erster Spannungsdetektor 4 vorgesehen sein. Bei diesem ersten Spannungsdetektor 4 kann es sich beispielsweise um einen Spannungsdetektor handeln, der zur Überwachung der Batteriespannung bereits ohnehin vorgesehen ist. Der erste Spannungsdetektor 4 erfasst die Klemmenspannung an dem elektrischen Energiespeicher 20 und stellt daraufhin ein Ausgangssignal bereit, das zu der erfassten Klemmenspannung korrespondiert. Dieses Ausgangssignal des ersten Spannungsdetektors 4 kann an der Steuereinrichtung 6 bereitgestellt werden. Bei diesem Ausgangssignal kann es sich insbesondere um ein beliebiges analoges oder digitales Signal handeln.
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Die Steuereinrichtung 6 kann daraufhin basierend auf der erfassten Klemmenspannung an dem elektrischen Energiespeicher 20 eine Freigabespannung berechnen, auf die der Zwischenkreiskondensator 2 aufgeladen werden soll, bevor ein Schließen des Trennschalters 3 erfolgt. Insbesondere kann diese Freigabespannung dabei im Bereich der erfassten Klemmenspannung an dem elektrischen Energiespeicher 20 liegen. Bei einer Freigabespannung, die möglichst gut mit der erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 übereinstimmt, ist ein besonders schonendes Schließen des Trennschalters 3 möglich. Andererseits kann bei einer geringfügigen Abweichung zwischen der Spannung an den Zwischenkreiskondensator 2 und der Klemmenspannung an dem elektrischen Energiespeicher 20 festgestellt werden, ob der Trennschalter 3 geöffnet ist oder ob der Trennschalter 3 geschlossen ist und so eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der Ladeschaltung 1 mit dem Zwischenkreiskondensator 2 und dem elektrischen Energiespeicher 20 hergestellt worden ist. So kann zum Beispiel der Zwischenkreiskondensator 2 auf eine Spannung aufgeladen werden, die geringfügig unter oder über der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 liegt. Beispielsweise kann als Freigabespannung eine Spannung gewählt werden, die einige Volt, zum Beispiel 2–5 Volt, oder beispielsweise 1–2 % der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20, unterhalb oder oberhalb der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 liegt. Die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 kann dabei zum Beispiel über einen zweiten Spannungsdetektor 5 erfasst werden, der zwischen den beiden Anschlüssen des Zwischenkreiskondensators 2 angeordnet ist. Analog zu dem ersten Spannungsdetektor 4 kann es sich dabei um einen Spannungsdetektor handeln, der ein analoges oder digitales Ausgangssignal bereitstellt, welches zu der erfassten Spannung korrespondiert. Nachdem der Trennschalter 3 geschlossen wurde, wird sich dabei an dem Zwischenkreiskondensator 2 eine Spannung in Höhe der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 einstellen, selbst wenn zuvor der Zwischenkreiskondensator 2 auf eine niedrigere oder höhere Spannung aufgeladen worden ist. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Schließen des Trennschalters 3 detektiert werden.
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Nachdem, wie oben bereits beschrieben, durch die Steuereinrichtung 6 eine geeignete Freigabespannung berechnet worden ist, kann durch die Ladeschaltung 1 der Zwischenkreiskondensator 2 auf die berechnete Freigabespannung aufgeladen werden. Hierzu kann beispielsweise die Steuereinrichtung 6 ein von dem zweiten Spannungsdetektor 5 bereitgestelltes Ausgangssignal auswerten, um die aktuell an dem Zwischenkreiskondensator 2 anliegende Spannung zu ermitteln. In Abhängigkeit von der berechneten Freigabespannung und der an dem Zwischenkreiskondensator 2 erfassten Spannung kann die Steuereinrichtung 6 daraufhin die Ladeschaltung 1 ansteuern. Während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 2 auf die berechnete Freigabespannung muss dabei durch die Ladeschaltung 1 nur eine sehr geringe Menge an Energie bereitgestellt werden. Daher kann während dieses Aufladevorgangs für den Zwischenkreiskondensator 2 die von der Ladeschaltung 1 bereitgestellte Leistung begrenzt werden. Beispielsweise kann die Leistung auf wenige Watt oder gegebenenfalls auf eine Leistung von weniger als einem Watt während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 2 begrenzt werden. Insbesondere kann die Leistung während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 2 auf einen sehr geringen Bruchteil im Vergleich zu der Leistung während des Aufladens des elektrischen Energiespeichers 20 begrenzt werden.
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Nachdem beispielsweise durch die Steuereinrichtung 6 festgestellt worden ist, dass der Zwischenkreiskondensator 2 auf die berechnete Freigabespannung aufgeladen worden ist, kann der Trennschalter 3 geschlossen werden. Hierzu kann der Trennschalter 3 entsprechend angesteuert werden, wenn der Zwischenkreiskondensator 2 auf die Freigabespannung aufgeladen worden ist. Daraufhin kann das Laden des elektrischen Energiespeichers 20 durch die Ladeschaltung 1 freigegeben werden. Gegebenenfalls kann zuvor durch Vergleich der erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 mit der erfassten Spannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 überprüft werden, ob der Trennschalter 3 korrekt geschlossen ist, wie dies weiter oben bereits beschrieben wurde. Wird auch nach Schließen des Trennschalters 3 eine Spannungsdifferenz zwischen der Klemmenspannung und der Spannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 festgestellt, so kann ein Laden des elektrischen Energiespeichers 20 unterbunden werden und gegebenenfalls kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds wie es einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 20 zugrunde liegt. Die Ladeschaltung 1 wird dabei von einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist. Diese Wechselspannung wird zunächst mittels eines Wechselrichters aus den vier Schaltelementen S1 bis S4 mit den parallel dazu angeordneten Freilaufdioden D1 bis D4 in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt. Beispielsweise kann es sich bei dieser Wechselspannung um eine Wechselspannung im Bereich zwischen 10 und 150 kHz handeln. Diese Wechselspannung speist einen Schwingkreis aus dem Kondensator C1 und der Spule L1. Bei der Spule L1 kann es sich insbesondere um die Primärspule eines induktiven Energieübertragungssystems handeln. Das von der Spule L1 generierte magnetische Wechselfeld koppelt in eine weitere Spule L2 ein. Beispielsweise kann es sich bei der weiteren Spule L2 um die Sekundärspule eines induktiven Energieübertragungssystems handeln. Die weitere Spule L2 bildet gemeinsam mit dem Kondensator C2 einen Schwingkreis. Die an der Serienschaltung aus Kondensator C2 und weiterer Spule L2 anliegende Wechselspannung wird durch einen Gleichrichter aus den Dioden D5 bis D8 gleichgerichtet. Die so gleichgerichtete Spannung kann am Ausgang der Ladeschaltung 1 bereitgestellt werden. Parallel zu den unteren Dioden D5 und D6 ist dabei jeweils ein Schaltelement S5, S6, beispielsweise ein Halbleiterschaltelement, angeordnet. Durch Öffnen bzw. Schließen dieser Schaltelemente S5 und S6 ist ein kontrolliertes Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 möglich. Hierzu können die beiden Schaltelemente S5 und S6 beispielsweise periodisch geöffnet und geschlossen werden, bis die gewünschte Freigabespannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 erreicht ist.
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Die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 20 eignet sich beispielsweise sehr gut für das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Traktionsbatterie eines solchen Fahrzeugs aufgeladen werden. Die Energieübertragung zwischen elektrischer Energiequelle 10 und dem elektrischen Energiespeicher 20 in Form der Traktionsbatterie kann dabei beispielsweise mittels eines induktiven Ladesystems erfolgen, wobei die Primärspule sich außerhalb des Fahrzeugs befindet und die Sekundärspule im Fahrzeug, beispielsweise im Fahrzeugboden, angeordnet ist. Aber auch konduktive Ladesysteme auf Grundlage der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 20 sind möglich. Insbesondere kann dabei auch zur galvanischen Trennung zwischen elektrischer Energiequelle 10 und Energiespeicher 20 ein Übertrager oder ähnliches vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers auch für beliebige weitere Systeme zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers in Betracht gezogen werden. So kann beispielsweise am Übergang zwischen der Ladeschaltung 1 und dem Zwischenkreiskondensator 2 auf der einen Seite und dem elektrischen Energiespeicher 20 mit dem Trennschalter 3 auf der anderen Seite eine Steckverbindung vorgesehen sein. Solange kein Aufladen des elektrischen Energiespeichers 20 erfolgt, sollte dabei an dieser Steckverbindung aus Sicherheitsgründen keine elektrische Spannung anliegen. Erst nachdem die Steckverbindung zwischen Ladeschaltung 1 und Zwischenkreiskondensator 2 und dem elektrischen Energiespeicher 20 mit dem Trennschalter 3 korrekt hergestellt worden ist (und ein Berühren von spannungsführenden Teilen zuverlässig ausgeschlossen ist), kann daraufhin der Zwischenkreiskondensator 2 aufgeladen und der Trennschalter 3 geschlossen werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Initialisieren eines Ladevorgangs für einen elektrischen Energiespeicher 20 zugrunde liegt. In Schritt S1 wird dabei zunächst eine Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 erfasst. Basierend auf dieser erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 wird in Schritt S2 eine Freigabespannung berechnet. Anschließend kann Schritt S3 ein Zwischenkreiskondensator 2 auf die berechnete Freigabespannung aufgeladen werden. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist dabei über einen geöffneten Trennschalter 3 mit dem elektrischen Energiespeicher 20 gekoppelt. Das Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 erfolgt dabei mittels einer Ladeschaltung 1 für den elektrischen Energiespeicher 20. Schließlich kann in Schritt S4 der Trennschalter 3 zwischen Zwischenkreiskondensator 2 und elektrischem Energiespeicher 20 geschlossen werden, wenn der Wert der elektrischen Spannung an dem Zwischenkreiskondensator 2 zu der Freigabespannung korrespondiert.
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Als Freigabespannung kann dabei in Schritt S2 eine Spannung berechnet werden, die von der erfassten Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 um einen vorbestimmten Wert oder einen vorbestimmten Wertebereich abweicht. Insbesondere kann dabei die berechnete Freigabespannung um einige Volt, beispielsweise 2–5 Volt, oder 1–2 % der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 20 abweichen. Die berechnete Freigabespannung kann dabei kleiner oder größer sein als die Klemmenspannung an dem elektrischen Energiespeicher 20.
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Während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 2 in Schritt S3 kann dabei die von der Ladeschaltung 1 bereitgestellte elektrische Leistung auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt werden. Beispielsweise kann die von der Ladeschaltung 1 bereitgestellte elektrische Leistung während des Aufladens des Zwischenkreiskondensators 2 auf einige wenige Watt oder auf eine Leistung von weniger als einem Watt begrenzt werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein effizientes Aufladen eines Zwischenkreiskondensators einer Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher. Hierzu wird der Zwischenkreiskondensator der Ladeschaltung zunächst mittels der Ladeschaltung auf eine Spannung im Bereich einer Klemmenspannung des aufzuladenden elektrischen Energiespeichers aufgeladen. Erst nachdem der Zwischenkreiskondensator auf die vorgegebene Spannung aufgeladen worden ist, wird der Zwischenkreiskondensator mit dem aufzuladenden elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207854 A1 [0002]
