DE102018000577A1

DE102018000577A1 - Elektrisches Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Ladestation

Info

Publication number: DE102018000577A1
Application number: DE102018000577.2A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Jan Philipp Degel; André Haspel; Jörg Weigold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiekoppeleinrichtung (10) zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), mit einem Brückengleichrichter (16), der einen Gleichspannungsanschluss (18) aufweist, und mit einer an den Gleichspannungsanschluss (18) angeschlossenen Leistungsfaktoreinheit (40), die einen Ausgangsanschluss (80) aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist.Erfindungsgemäß ist ein Gleichspannungswandler (22) vorgesehen, der mit einem ersten Anschluss (24) mit dem Ausgangsanschluss (80) und mit einem zweiten Anschluss (26) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ausgebildet sind, elektrische Potentiale (28, 30) einer am zweiten Anschluss (26) für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen, indem der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ausgebildet sind, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale (28, 30) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiekoppeleinrichtung zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation, mit einem mit der Ladestation elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichter, der einen Gleichspannungsanschluss aufweist, und mit einer an den Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Leistungsfaktoreinheit zum Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation, die einen Ausgangsanschluss aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation, bei dem eine Wechselspannung der Ladestation mittels eines mit der Ladestation elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichters gleichgerichtet und an einem über eine Leistungsfaktoreinheit zum Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelten Gleichspannungsanschluss bereitgestellt wird.
Gattungsgemäße Energiekoppeleinrichtungen sowie auch gattungsgemäße Verfahren sind im Stand der Technik umfänglich im Einsatz und finden insbesondere dann Einsatz, wenn ein elektrisches Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit der kraftfahrzeugexternen Ladestation elektrisch gekoppelt werden soll, beispielsweise um dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrische Energie zuführen zu können. Mittels der Energiekoppeleinrichtung können die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Ladestation und des elektrischen Bordnetzes angepasst werden, sodass eine zuverlässige vorgebbare Energieübertragung ermöglicht werden kann. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiekoppeleinrichtungen sowie auch Verfahren zu deren Betrieb mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind.
Eine gattungsgemäße Energiekoppeleinrichtung dient insbesondere dazu, eine elektrische Kopplung herzustellen, wenn die Ladestation eine Wechselspannung bereitstellt. Üblicherweise ist das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung ausgelegt. Es ist deshalb eine entsprechende Gleichrichtung erforderlich, um eine Energieübertragung zu ermöglichen. Dies erreicht die Koppeleinrichtung des Stands der Technik dadurch, dass eine Gleichrichtereinheit vorgesehen ist, die in der Regel als Brückengleichrichter ausgebildet ist. Durch den Brückengleichrichter kann auf besonders einfache Weise eine effiziente Nutzung der Wechselspannung beim Gleichrichten erfolgen. Daneben sind dem Grunde nach natürlich auch andere Varianten des Gleichrichtens möglich, beispielsweise eine Einweggleichrichtung, eine Zweiweggleichrichtung und/oder dergleichen. Diese erweisen sich jedoch in der Regel als ungünstiger im Vergleich zu einem Brückengleichrichter, insbesondere auch in Bezug auf die Nutzung der Wechselspannung, weshalb sie insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge keine Verbreitung gefunden haben.
Ein Brückengleichrichter ist eine spezifische Gleichrichterschaltung, die in der Regel unter Nutzung von vier in einer vorgegebenen Schaltungsanordnung angeschlossenen Schaltelementen ausgebildet ist. Üblicherweise sind die Schaltelemente durch Dioden gebildet. Bei spezifischen Brückengleichrichtern können anstelle oder ergänzend zu den Dioden auch Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren oder dergleichen, vorgesehen sein. Im Übrigen können die Dioden selbst auch durch Schaltelemente gebildet sein, beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Kombinationsschaltungen hiervon oder dergleichen.
Elektrische Bordnetze sowie auch Kraftfahrzeuge mit solchen elektrischen Bordnetzen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die US 2010/0076636 A1 ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz. Das elektrische Bordnetz umfasst mehrere Batterien nach Art von Akkumulatoren, die unabhängig voneinander elektrisch beaufschlagt werden können. Zu diesem Zweck sieht die Lehre der US 2010/0076636 A1 entsprechende Energiewandler nach Art von DC/DC-Wandlern vor, mit denen eine entsprechende vorgebbare energietechnische Kopplung erreicht werden kann.
Kraftfahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und elektrische Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und die elektrischen Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise elektrischen Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs.
Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest vorgesehen, dass das Bordnetz einen Gleichspannungszwischenkreis aufweist, der für eine Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
Besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist das Bordnetz für eine Beaufschlagung im Bereich „Hochvolt“ ausgelegt. So kann zum Beispiel das elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 800 V oder auch mit einer Gleichspannung von etwa 400 V beaufschlagt sein. Natürlich können die Werte der Gleichspannung auch abweichend gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt sind.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist in der Regel eine galvanische Verbindung zwischen der Ladestation und dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs, insbesondere im Bereich „Hochvolt“, in der Regel nicht gewünscht beziehungsweise nicht zulässig. Aus diesem Grund ist im Stand der Technik in der Regel ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler vorgesehen, der eine energietechnische Kopplung zwischen der durch den Brückengleichrichter bereitgestellten Gleichspannung und dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes bereitstellt.
Auch wenn sich der Stand der Technik diesbezüglich bewährt hat, so zeigen sich dennoch Probleme. Insbesondere, wenn zwischen dem Brückengleichrichter und dem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler ein Isolationsfehler auftritt, besteht die Gefahr von unerwünschten Ableitströmen, die nicht nur gefährliche elektrische Potentiale, insbesondere an berührbaren Teilen, zur Folge haben können, sondern auch ladestationsseitig Sicherungseinrichtungen stören können.
Dies kann zum Beispiel für einen Fehlerstromschutzschalter der Fall sein, insbesondere wenn er gemäß einem Typ A ausgebildet ist. Bei derartigen Fehlerstromschutzschaltern, wie sie üblicherweise auch bei elektrischen Haushaltsinstallationen zum Einsatz kommen, kann das Problem auftreten, dass aufgrund eines vorgenannten Isolationsfehlers der Fehlerstromschutzschalter mit einem Gleichstrom als Fehlerstrom beaufschlagt wird, der funktionsbestimmende Elemente, die insbesondere auf Magnetismus basieren, in eine Sättigung treibt, sodass die Funktion des Fehlerstromschutzschalters gestört wird. In einem solchen Fall kann die elektrische Sicherheit also nicht mehr gewährleistet werden.
Da die Anwendung derartiger Fehlerstromschutzschalter jedoch weit verbreitet ist und insbesondere auch für Ladestationen zum Einsatz kommt, die im häuslichen Bereich, beispielsweise bei Privathaushalten, zum Einsatz kommen, um elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge außerhalb des Fahrbetriebs aufladen zu können, ist hier ein erhöhter Sicherheitsaufwand erforderlich. Dem Grunde nach besteht natürlich die Möglichkeit, insbesondere den Bereich des Brückengleichrichters zum DC/DC-Wandler mittels einer doppelten Isolation im elektrischen Sinne zu schützen, beispielsweise wie dies in der Norm IEC 60335 angegeben ist oder dergleichen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und verursacht zusätzlichen Raumbedarf und Gewicht bei einem Kraftfahrzeug, weshalb eine derartige Lösung unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit insbesondere bei einem Anschluss des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs an eine Ladestation zu verbessern, die eine elektrische Wechselspannung bereitstellt.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Energiekoppeleinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Energiekoppeleinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass diese einen Gleichspannungswandler aufweist, der mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgangsanschluss und mit einem zweiten Anschluss mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler und die Leistungsfaktoreinheit ausgebildet sind, elektrische Potentiale einer am zweiten Anschluss für den Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen, indem der Gleichspannungswandler und die Leistungsfaktoreinheit ausgebildet sind, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale einzustellen.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Leistungsfaktoreinheit mittels eines Gleichspannungswandlers mit dem Gleichspannungszwischenkreis des Bordnetzes elektrisch gekoppelt wird, wobei der Gleichspannungswandler und die Leistungsfaktoreinheit elektrische Potentiale einer für den Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einstellen, indem der Gleichspannungswandler und die Leistungsfaktoreinheit ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale einstellen.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers, der zum Beispiel eines der beiden elektrischen Potentiale der Zwischenkreisgleichspannung betrifft, der Ableitstrom dadurch reduziert werden kann, dass das betroffene Potential so verändert wird, dass ein entsprechender Gleichstrom möglichst gering ist. Das Einstellen des elektrischen Potentials, insbesondere des Potentials, das von dem Isolationsfehler betroffen ist, kann mittels des Gleichspannungswandlers beziehungsweise der Leistungsfaktoreinheit entsprechend realisiert werden. Dadurch, dass das elektrische Potential so verändert werden kann, dass eine elektrische Spannung zwischen diesem Potential und dem Bezugspotential möglichst gering ist, kann auch der Ableitstrom entsprechend gering sein. Dies hat den Vorteil, dass unter anderem auch Schutzeinrichtungen wie Fehlerstromschutzschalter nicht mehr über Gebühr mit einem unzulässigen Gleichstrom beaufschlagt werden, sodass deren Funktion nicht mehr gestört wird. Dadurch kann die elektrische Sicherheit insgesamt wesentlich verbessert werden.
Das Bezugspotential kann zum Beispiel eine Fahrzeugmasse sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch ein Erdpotential, welches insbesondere beim Herstellen einer leitungsgebundenen elektrischen Verbindung zwischen der Ladestation und dem Kraftfahrzeug mit der Fahrzeugmasse gekoppelt sein kann.
Die Erfindung ermöglicht es darüber hinaus, Wirkungen, die durch eine begrenzte elektrische Isolation hervorgerufen werden, beispielsweise Ableitströme, reduzieren zu können. Solche Ableitströme können zum Beispiel durch Y-Kondensatoren hervorgerufen werden, die an den elektrischen Potentialen der Zwischenkreisgleichspannung angeschlossen sind, um zum Beispiel die elektromagnetische Verträglichkeit herstellen zu können.
Zum Bereitstellen einer elektrischen Isolation zwischen den elektrischen Potentialen der Zwischenkreisgleichspannung gegenüber dem Bezugspotential dient in der Regel eine Isolationseinrichtung. Die Isolationseinrichtung kann dadurch gebildet sein, dass zum Beispiel elektrisch isolierende Werkstoffe zwischen dem Bezugspotential und den Potentialen der Zwischenkreisspannung angeordnet sind, mittels denen eine gewünschte elektrische Isolation bereitgestellt werden kann. Ergänzend oder alternativ kann auch Luft als Werkstoff der elektrischen Isolationseinrichtung zum Einsatz kommen, wobei abhängig von einem Abstand die gewünschte elektrische Isolation erreicht werden kann. Die Zwischenkreisgleichspannung ergibt sich also durch eine Potentialdifferenz ihrer zugehörigen elektrischen Potentiale. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Minus-Potential und ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Plus-Potential ist.
Die für die erfindungsgemäße Energiekoppeleinrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Insofern können Vorrichtungsmerkmale natürlich auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik zum Anschließen an eine Ladestation, die eine dreiphasige Wechselspannung bereitstellt,
2 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine erste Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
3 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine zweite Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
4 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine dritte Ausgestaltung für eine Gleichrichtereinheit mit Leistungsfaktorkorrektur für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
5 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Ausgestaltung für einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler für die Ladeeinrichtung gemäß 1,
6 eine schematische Diagrammdarstellung einer elektrischen Spannung zwischen einem Minuspotential nach dem Gleichrichten mit einer Gleichrichtereinheit nach 2 bis 4 gegenüber einem Erdpotential,
7 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung zum Anschließen an eine Ladestation, die eine einphasige Wechselspannung bereitstellt,
8 drei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential jeweils in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach dem Gleichrichten bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
9 drei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach einer Leistungsfaktorkorrektur bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
10 drei schematische Diagrammdarstellungen für Spannungsverläufe von elektrischen Spannungen zwischen dem Pluspotential und dem Minuspotential in Bezug auf das Erdpotential unmittelbar nach einer Spannungswandlung mittels eines ersten Wandlermoduls bei der Ladeeinrichtung gemäß 7,
11 eine erste schematische Schaltbilddarstellung zur Realisierung der Leistungsfaktoreinheit,
12 eine zweite schematische Schaltbilddarstellung zur Realisierung der Leistungsfaktoreinheit,
13 eine dritte schematische Schaltbilddarstellung zur Realisierung der Leistungsfaktoreinheit,
14 eine dritte schematische Schaltbilddarstellung zur Realisierung der Leistungsfaktoreinheit,
15 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen konventionellen Tiefsetzsteller,
16 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Tiefsetzsteller zum Einsatz bei einem der Wandlermodule gemäß 7,
17 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen konventionellen Hochsetzsteller,
18 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Hochsetzsteller zum Einsatz bei einem der Wandlermodule gemäß 7,
19 eine erste Ausgestaltung einer schematischen Schaltbilddarstellung für die Ladeeinrichtung gemäß 7, und
20 eine zweite Ausgestaltung einer schematischen Schaltbilddarstellung für die Ladeeinrichtung gemäß 7.

1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine Ladeeinrichtung 50 als Energiekoppeleinrichtung zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische dreiphasige Wechselspannung bereitstellenden Ladestation 52. Die Ladestation 52 stellt drei in einer Phase um etwa 120° versetzte Wechselspannungen L₁ , L₁ , L₃ bereit, die gegenüber einem gemeinsamen Anschluss, nämlich einem Nullanschluss N eine effektive Spannung von etwa 230 V bei einer Frequenz von etwa 50 Hz bereitstellt. Der 0-Anschluss N ist zugleich auch ein Erdanschluss, der vorliegend mit PE gekennzeichnet ist. Die Ladestation 52 ist über eine lösbare leitungsgebundene Verbindung mit der Ladeeinrichtung 50 koppelbar. Zu diesem Zweck ist das Kraftfahrzeug während der elektrischen Kopplung an der Ladestation 52 abgestellt. Über bekannte Steckverbindungen kann ein Ladekabel der Ladestation 52 an die Ladeeinrichtung 50 angeschlossen werden.
Die Ladeeinrichtung 50 stellt für jede der Wechselspannungen L₁ , L₂ , L₃ eine jeweilige Gleichrichtereinheit 54 bereit, die neben einer jeweiligen Gleichrichtungsfunktion basierend auf einer Brückengleichrichtung zugleich auch eine Leistungsfaktorkorrektur durchführt. Die hierbei erzeugte Gleichspannung wird an Kondensatoren 56 jeweils bereitgestellt. Über jeweilige galvanisch getrennte DC/DC-Wandler 58 werden die an den Kondensatoren 56 bereitgestellten Gleichspannungen an eine Zwischenkreisgleichspannung 32 eines Gleichspannungszwischenkreises 20 des Bordnetzes 12 angepasst. An die Zwischenkreisgleichspannung 32 sind ferner schematisch elektrische Einrichtungen beziehungsweise elektrische Einheiten angeschlossen, die in 1 vorliegend durch Akkumulatoren 60 gebildet sind. Die Akkumulatoren 60 sind vorliegend Hochvolt-Batterien, die für eine Bemessungsspannung von etwa 450 V ausgelegt sind.
Mit den 2 bis 4 sind unterschiedliche Schaltungsvarianten für die Gleichrichtereinheiten 54 dargestellt. Jede der Gleichrichtereinheiten 54 richtet eine jeweilige der Wechselspannungsphasen L₁ , L₂ , L₃ gleich. Bei der schematischen Schaltbilddarstellung gemäß 2 handelt es sich um einen Brückengleichrichter mit einer unidirektionalen Leistungsfaktorkorrektur und zugleich einem Spannungswandler. Die schematische Schaltbilddarstellung gemäß 3 bezieht sich auf einen unidirektionalen Totem-Pfahl Leistungsfaktorkorrektur-Gleichrichter. Die schematische Schaltbilddarstellung gemäß 4 bezieht sich auf eine entsprechende Schaltung wie 3, wobei diese jedoch für einen bidirektionalen Energiefluss ausgebildet ist.
5 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58.
Tritt im Bereich der Kondensatoren 56, das heißt, in einem Schaltungsbereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern 58, ein Isolationsfehler auf, kann dies unter Umständen zu gefährlichen Zuständen, insbesondere auch bezüglich der Ladestation 52 führen. Ist die Ladestation 52 zum Beispiel durch einen privaten Haushalt bereitgestellt, ist die Ladestation 52 in der Regel über einen Fehlerstromschutzschalter, gewöhnlich eines Typs A, vor Fehlerströmen geschützt.
Aufgrund des Gleichrichtungsprinzips bei der Brückengleichrichtung tritt jedoch das Problem auf, dass die gleichgerichteten Potentiale an den Kondensatoren 56 mit der Wechselspannungsfrequenz gegenüber dem Erdpotential 34 schwanken. Ein Isolationsfehler führt hier also zu einem entsprechenden Ableitstrom, der zumindest im Mittel einen erheblichen Gleichanteil aufweist. Wird ein üblicher Fehlerstromschutzschalter, insbesondere des Typs A, mit einem Gleichstrom als Fehlerstrom beaufschlagt, kann ein auf Magnetismus basierender Auslösemechanismus in eine Sättigung gelangen und dadurch unwirksam werden. Die Schutzfunktion des Fehlerstromschutzschalters ist dadurch deaktiviert. Das ist jedoch unzulässig.
Eine Abhilfemaßnahme wäre, eine doppelte Isolation im relevanten Bereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern 58 auszubilden, und zwar unter Einbeziehung einer Primärseite der DC/DC-Wandler-Transformatoren. Würden anstelle der galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58 galvanische gekoppelte DC/DC-Wandler eingesetzt, so würde die Anforderung hinsichtlich der doppelten Isolation auf alle weiteren Komponenten des Bordnetzes 12 übertragen werden müssen, um die Sicherheitsanforderungen erfüllen zu können. Dies würde zum Beispiel die Fahrzeugbatterie, einen Antriebsstrang sowie auch sämtliche, am Bordnetz 12 angeschlossene, elektrische Einrichtungen und elektrische Einheiten betreffen.
6 zeigt in einem schematischen Spannungs-Zeit-Diagramm mittels eines Graphen 78 die elektrische Spannung zwischen dem Minus-Potential an einem der Kondensatoren 56 in Bezug auf das Erdpotential 34. Zu erkennen ist, dass nach dem Gleichrichten der Wechselspannung L₁ , L₂ beziehungsweise L₃ das negative Potential bezogen auf das Erdpotential 34 negative Sinushalbwellen ausbildet. Durch den Einsatz der galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 58 ist dieses Problem auf den Bereich zwischen den Gleichrichtereinheiten 54 und den DC/DC-Wandlern begrenzt. Dies kann im Falle des vorbeschriebenen Isolationsfehlers zu den Problemen insbesondere in Bezug auf den Fehlerstromschutzschalter führen.
7 zeigt nun eine Ausgestaltung einer Ladeeinrichtung 10 als Energiekoppeleinrichtung gemäß der Erfindung, die dem elektrischen Koppeln des Bordnetzes 12 des Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung P bereitstellenden Ladestation 14 dient. Wie bereits zuvor erläutert, ist auch hier der Nullanschluss N mit dem Erdpotential 34 als Bezugspotential elektrisch verbunden. Auch wenn vorliegend lediglich eine einphasige Wechselspannung P bereitgestellt wird, ist das Prinzip der Erfindung jedoch gleichermaßen auch für mehrphasige Wechselspannungen, wie in Bezug auf 1 erläutert, analog anwendbar.
Die Ladeeinrichtung 10 umfasst einen mit der Ladestation 14 elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung P gleichrichtenden Brückengleichrichter 16, der einen Gleichspannungsanschluss 18 aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis 20 des Bordnetzes 12 elektrisch gekoppelt ist.
Zu diesem Zweck umfasst die Ladeeinrichtung 10 eine an den Gleichspannungsanschluss 18 angeschlossene Leistungsfaktoreinheit 40), die einen Ausgangsanschluss 80 aufweist, der mit dem Gleichspannungszwischenkreis 20 des Bordnetzes 12 elektrisch gekoppelt ist, und einen Gleichspannungswandler 22. Der Gleichspannungswandler 22 ist mit einem ersten Anschluss 24 mit einem Ausgangsanschluss 80 der Leistungsfaktoreinheit 40 und mit einem zweiten Anschluss 26 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 20 des Bordnetzes 12 elektrisch gekoppelt. Der Gleichspannungswandler 22 und die Leistungsfaktoreinheit 40 sind ausgebildet, elektrische Potentiale 28, 30 einer am zweiten Anschluss 26 für den Gleichspannungszwischenkreis 20 bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung 32 in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential 34 auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen, indem der Gleichspannungswandler 22 und die Leistungsfaktoreinheit 40 ausgebildet sind, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale 28, 30 einzustellen.
Dadurch kann der Gleichspannungswandler 22 in Verbindung mit der Leistungsfaktoreinheit 40 erreichen, dass die gleichgerichteten elektrischen Potentiale 28, 30 trotz galvanischer Kopplung nicht mehr gegenüber dem Erdpotential 34 schwanken zu brauchen, so wie es anhand von 6 erläutert worden ist. Trotz Brückengleichrichtung besteht durch die Erfindung die Möglichkeit, in Bezug auf das Erdpotential 34 im Wesentlichen konstante elektrische Potentiale 28, 30 einzustellen. Die bezüglich des Stands der Technik erläuterte Problematik kann dadurch erheblich reduziert werden.
Wie aus 7 ersichtlich ist, sind der erste und der zweite Anschluss 24, 26 des Gleichspannungswandlers 22 galvanisch gekoppelt. Das gilt im Übrigen auch für die Leistungsfaktoreinheit 40 (PFC). Eine aufwendige galvanische Trennung wie bei dem DC/DC-Wandler 58 gemäß 1 kann dadurch eingespart werden.
Ferner ist aus 7 ersichtlich, dass der Gleichspannungswandler 22 modular ausgebildet ist und vorliegend ein Wandlermodul 36 aufweist. Das Wandlermodul 36 ist ausgebildet, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale 28, 30 einzustellen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die elektrischen Potentiale 28, 30 symmetrisch zum elektrischen Bezugspotential 34 einzustellen. Diese Symmetrie braucht jedoch nicht zwingend eingehalten zu werden, insbesondere wenn ein Isolationsfehler vorliegt, der zu einem Ableitstrom führen kann. In diesem Fall kann das durch den Isolationsfehler betroffene Potential so verschoben werden, dass eine elektrische Spannung dieses betroffenen der Potentiale 28, 30 möglichst klein in Bezug auf das Erdpotential 34 ist, damit ein Ableitstrom aufgrund des Isolationsfehlers möglichst gering wird. Dadurch können die zuvor beschriebenen schädlichen Auswirkungen des Ableitstroms, insbesondere wenn er ein Gleichstrom ist, erheblich reduziert, wenn nicht sogar vollständig unterdrückt werden. Trotz galvanischer Kopplung im Bereich der Ladeeinrichtung 10 kann eine erheblich höhere Sicherheit mit erheblich geringerem Aufwand gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden.
Die Leistungsfaktoreinheit 40 dient ferner dem Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation 14. Die Leistungsfaktoreinheit 40 kann dem Grunde nach wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein.
Um die elektrischen Potentiale 28, 30 in gewünschter Weise einstellen zu können, wird der Gleichspannungswandler 22 dem Einstellen eines der beiden Potentiale 28, 30 zugeordnet. So kann vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler 22 die Aufgabe hat, nach der Gleichrichtung der Wechselspannung P die anhand von 6 erläuterten negativen Halbwellen des Minus-Potentials 30 bezogen auf das Erdpotential 34 auszuregeln. Hierbei ist zu beachten, dass zur Eliminierung der negativen Halbwellen bezüglich des Erdpotentials 34 wenigstens eine Drossel oder ein Kondensator eingeschleift sein muss, der mittels eines taktenden Schaltelements, beispielsweise einem Halbleiterschalter wie einem Transistor oder dergleichen, betrieben wird. Somit kann das Minus-Potential 30 bezogen auf das Erdpotential 34 wieder auf einem zeitlich im Wesentlichen konstanten Wert stabilisiert sein. Vorzugsweise kann der Spannungswert so eingestellt werden, dass er der negativen halben Ausgangsspannung beziehungsweise Zwischenkreisspannung 32 entspricht, damit zum Beispiel Y-Kondensatoren, die ebenfalls am Gleichspannungszwischenkreis 20, und zwar an dessen Potentialen 28, 30, angeschlossen sein können, symmetriert betrieben werden können. Dadurch kann die in diesen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie reduziert werden, wodurch auch ein Berührstrom reduziert werden kann. Da nach einer derartigen Spannungswandlung die Zwischenkreisspannung 32 nicht konstant gegenüber dem Erdpotential 34 wäre, sondern Schwankungen entsprechend der negativen Halbwellen, wie anhand von 6 erläutert, unterliegen würde, kann dies durch die Leistungsfaktoreinheit 40 ausgeglichen werden. Die Leistungsfaktoreinheit 40 erlaubt es, das Plus-Potential 28 auf einen in Bezug auf das Erdpotential 34 im Wesentlichen konstanten Wert einzustellen. Damit ist auch die Zwischenkreisspannung 32 in Bezug auf das Erdpotential 34 im Wesentlichen auf einen konstanten Wert eingestellt. Entsprechende schematische Schaltbilddarstellungen für die Ladeeinrichtung 10 sind in den 19 und 20 gezeigt.
Die 11 bis 14 zeigen schematisch geeignete schematische Schaltbilddarstellungen, die zur Realisierung der Leistungsfaktoreinheit 40 dienen können. 11 zeigt dabei einen PFC als Gleichrichter und Boost-Wandler, 12 einen unidirektionalen Totem Pole PFC, 13 einen bidirektionalen Totem Pole PFC und 14 einen PFC mit einer Drossel in einem Minus-Pfad.
Die 15 bis 18 zeigen geeignete schematische Schaltbilddarstellungen, die zur Realisierung des Gleichspannungswandlers 22 beziehungsweise des Wandlermoduls 36 dienen können. 15 zeigt einen konventionellen Tiefsetzsteller für eine unidirektionale Wandlung ohne galvanische Trennung. In der Regel werden galvanisch gekoppelte Wandlertypen so dargestellt, dass der Plus-Pfad durch ein taktendes Schaltelement und einen Energiespeicher, beispielsweise eine Spule und/oder einen Kondensator, eingestellt wird und der Minuspfad durchgängig ist. Ein solcher Energiewandler kann für den Gleichspannungswandler 22 beziehungsweise das Wandlermodul 36 so nicht unmittelbar verwendet werden, sondern ist entsprechend anzupassen, dass der Plus-Pfad durchgängig ist und das taktende Schaltelement sowie die Energiespeicher im Minus-Pfad angeordnet sind.
In diesem Sinne zeigt 15 einen konventionellen Tiefsetzsteller, der für die Nutzung im Gleichspannungswandler 22 beziehungsweise Wandlermodul 36 gemäß 16 abzuwandeln ist. Entsprechendes gilt für den konventionellen Hochsetzsteller gemäß 17, der für die Nutzung bei einem Gleichspannungswandler 22 beziehungsweise Wandlermodul 36 gemäß der Erfindung entsprechend 18 abzuwandeln ist.
Die 8 bis 10 verdeutlichen anhand von schematischen Diagrammdarstellungen die Wirkung der Erfindung. In sämtlichen Diagrammen der 8 bis 10 ist die Abszisse der Zeit und die Ordinate einer jeweiligen Spannung U₁ , U₂ beziehungsweise U₃ in Volt zugeordnet. Die Spannung U₁ bezieht sich immer auf ein Plus-Potential in Bezug auf das Erdpotential 34, wohingegen die Spannung U₂ sich auf eine elektrische Spannung zwischen dem Minus-Potential und dem Erdpotential 34 bezieht. Die Spannung U₃ bezieht sich auf eine elektrische Spannung zwischen dem entsprechenden Plus-Potential und dem zugeordneten Minus-Potential. In den 8 bis 10 sind jeweils drei zugehörige Diagramme übereinander angeordnet dargestellt. Im oberen der Diagramm der Figuren ist jeweils die elektrische Spannung U₁ , im unteren Diagramm der Figuren die zugeordnete elektrische Spannung U₂ und im mittleren Diagramm der Figuren die zugeordnete elektrische Spannung U₃ mittels jeweiliger Graphen dargestellt.
8 zeigt in einem oberen schematischen Diagramm mittels eines Graphen 62 den Spannungsverlauf unmittelbar nach der Gleichrichtung, und zwar am Plus-Potential. Mittels eines Graphen 64 zeigt das untere Diagramm den entsprechenden Spannungsverlauf für die Spannung U₂ , und zwar in Bezug auf das entsprechende Minus-Potential. Das mittlere Diagramm zeigt mittels eines Graphen 74 die elektrische Spannung U₃ .
Nach Durchführung der Leistungsfaktorkorrektur durch die Leistungsfaktoreinheit 40 ändern sich die Spannungsverläufe, wie es anhand der Diagramme von 9 mittels der Graphen 66, 68 und 76 dargestellt ist. Zu erkennen ist, dass das Plus-Potential bereits im Wesentlichen konstant gegenüber dem Erdpotential 34 ist.
10 zeigt in einem weiteren Schritt die Auswirkung des Gleichspannungswandlers 22, bei dem das Minus-Potential bezogen auf das Erdpotential 34 stabilisiert wird. Dies kann anhand der übereinander dargestellten Diagramme gezeigt werden, wobei mittels eines Graphen 70 das entsprechende Plus-Potential dargestellt ist, das im Wesentlichen gegenüber dem in 9 dargestellten Spannungsverlauf unverändert ist, wohingegen das Minus-Potential gemäß dem unteren Diagramm anhand des Graphen 72 ersichtlich im Wesentlichen konstant ist. Zugleich ist nunmehr auch die elektrische Spannung U₃ konstant, wie aus dem mittleren Diagramm mittels des Graphen 38 dargestellt ist.
Am zweiten Anschluss 26 steht somit eine Zwischenkreisgleichspannung 32 zur Verfügung, die gegenüber dem Erdpotential 34 im Wesentlichen konstant gehalten ist. Diese Konstanz wird erreicht, obwohl keine galvanische Trennung vorgesehen ist.
Durch die Erfindung, die einen Wechsel von einem galvanisch getrennten Ladegerät auf ein galvanisch gekoppeltes Ladegerät vorschlägt, ergeben sich die folgenden Vorteile:

- höherer Wirkungsgrad
- kleinere Bauform, woraus sich eine höhere Leistungsdichte ergeben kann
- Kostenvorteile, weil weniger Bauteile benötigt werden gegenüber galvanisch getrennten Ladegeräten
- eine Stabilisierung der elektrischen Potentiale auf der Gleichspannungsseite kann erreicht werden, insbesondere eine Symmetrierung bezüglich eines elektrischen Bezugspotentials, beispielsweise dem Erdpotential 34, an einer Ausgangsseite des galvanisch gekoppelten Ladegeräts. Dadurch kann auch eine gesamte elektrische Energie, die in Y-Kondensatoren gespeichert ist, reduziert werden.
- Durch das Wandlermodul 36 können Überspannungen aus der Ladestation 14 gedämpft beziehungsweise reduziert werden.

Grundsätzlich ist für die Erfindung das Wandlermodul nicht zwingend erforderlich. Die grundsätzliche Funktion kann auch lediglich mit der Leistungsfaktoreinheit 40, wie sie zum Beispiel in 14 dargestellt ist, bereits erreicht werden. Die Ausgangsspannung wäre dann gegebenenfalls keine konstante Gleichspannung.
Auch wenn die Ausführungsbeispiele sich auf eine einphasige Wechselspannung beziehen, die durch die Ladestation bereitgestellt wird, kann die Erfindung natürlich in analoger Weise auch zum Einsatz kommen, wenn die Ladestation eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige Wechselspannung bereitstellt. Der Brückengleichrichter und die Leistungsfaktoreinheit sind dann entsprechend anzupassen, damit sie sich für den dreiphasigen Betrieb eignen.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Ladeeinrichtung
12: Bordnetz
14: Ladestation
16: Brückengleichrichter
18: Gleichspannungsanschluss
20: Gleichspannungszwischenkreis
22: Gleichspannungswandler
24: erster Anschluss
26: zweiter Anschluss
28: Plus-Potential
30: Minus-Potential
32: Zwischenkreisgleichspannung
34: Erdpotential
36: Wandlermodul
38: Graph
40: Leistungsfaktoreinheit
50: Ladeeinrichtung
52: Ladestation
54: Gleichrichtereinheit
56: Kondensator
58: DC/DC-Wandler
60: Fahrzeugbatterie
62 bis 78: Graph
80: Ausgangsanschluss
L₁, L₂, L₃: Phasenanschluss
P: Phasenanschluss
N: Nullanschluss
U₁: Spannung
U₂: Spannung
U₃: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0076636 A1 [0005]

Claims

Energiekoppeleinrichtung (10) zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), mit einem mit der Ladestation (14) elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichter (16), der einen Gleichspannungsanschluss (18) aufweist, und mit einer an den Gleichspannungsanschluss (18) angeschlossenen Leistungsfaktoreinheit (40) zum Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation (14), die einen Ausgangsanschluss (80) aufweist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungswandler (22), der mit einem ersten Anschluss (24) mit dem Ausgangsanschluss (80) und mit einem zweiten Anschluss (26) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ausgebildet sind, elektrische Potentiale (28, 30) einer am zweiten Anschluss (26) für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einzustellen, indem der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ausgebildet sind, ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale (28, 30) einzustellen.
Energiekoppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste und der zweite Anschluss (24, 26) des Gleichspannungswandlers (22) als auch der Gleichspannungsanschluss (18) und der Ausgangsanschluss galvanisch gekoppelt sind.
Energiekoppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (22) modular ausgebildet ist und wenigstens ein Wandlermodul (36) aufweist, wobei das Wandlermodul (36) ausgebildet ist, zumindest das jeweils zugeordnete der elektrischen Potentiale (28, 30) einzustellen.
Energiekoppeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ausgebildet sind, die elektrischen Potentiale (28, 30) symmetrisch zum elektrischen Bezugspotential (34) einzustellen.
Energiekoppeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsfaktoreinheit (40) und der Gleichspannungswandler (22) einstückig ausgebildet sind.
Verfahren zum elektrischen Koppeln eines Bordnetzes (12) eines Kraftfahrzeugs mit einer kraftfahrzeugexternen, eine elektrische Wechselspannung bereitstellenden Ladestation (14), bei dem eine Wechselspannung der Ladestation (14) mittels eines mit der Ladestation (14) elektrisch koppelbaren und die Wechselspannung gleichrichtenden Brückengleichrichters (16) gleichgerichtet und an einem über eine Leistungsfaktoreinheit (40) zum Einstellen eines Leistungsfaktors bezüglich der Ladestation (14) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelten Gleichspannungsanschluss (18) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsfaktoreinheit (40) mittels eines Gleichspannungswandlers (22) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (20) des Bordnetzes (12) elektrisch gekoppelt wird, wobei der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) elektrische Potentiale (28, 30) einer für den Gleichspannungszwischenkreis (20) bereitgestellten Zwischenkreisgleichspannung (32) in Bezug auf ein vorgebbares elektrisches Bezugspotential (34) auf vorgebbare, im Wesentlichen konstante Werte einstellen, indem der Gleichspannungswandler (22) und die Leistungsfaktoreinheit (40) ein jeweils zugeordnetes der elektrischen Potentiale (28, 30) einstellen.