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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Akkumulator auf, um den Antrieb zu speisen. Bei zahlreichen Fahrzeugen ist eine Ladebuchse vorgesehen, um Energie von außen in den Akkumulator zur übertragen, etwa im Rahmen eines Ladevorgangs.
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Beim Anschluss eines Fahrzeugs an ein Wechselspannungsnetz können mehrere elektrische Parameter variieren, die Einfluss auf Betriebsgrößen wie Spannung oder Leistung der Ladeschaltung haben. Diese variablen Parameter sind beispielsweise die Phasenanzahl, die von der Ausgestaltung des Wechselspannungsanschlusses abhängt, sowie die Spannung bzw. Konfiguration des Wechselspannungsnetzes. Die variablen Parameter können in verschiedenen Regionen unterschiedlich sein.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 203 612 A1 betrifft ein Batterieladegerät mit mehreren Gleichspannungswandlern, deren Eingänge fest mit einander in Parallelschaltung verbunden sind. Zur Anpassung an unterschiedliche Leistungsanforderungen können einzelne Stränge zu- und abgeschaltet werden.
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Die Druckschrift US 2014 / 0 112 025 A1 beschreibt einen konfigurierbaren Eingangsschaltkreis eines bidirektionalen Spannungswandlers, wobei Schalter vorgesehen sind, die Kondensatoren des Eingangsschaltkreis parallel oder seriell konfigurieren können.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der möglichst kostengünstig unterschiedlich ausgeprägte Wechselspannungsanschlüsse zum Laden eines Fahrzeugs verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung vorgeschlagen, bei der mehrere (galvanisch trennende) Gleichspannungswandler mittels einer einstellbaren Schaltervorrichtung parallel oder seriell miteinander verbunden werden können, um so die Ladeschaltung an die Ausprägung (etwa: ein- oder mehrphasig) des Anschlusses an ein Wechselspannungsnetz anpassen zu können. Ein Gleichrichter der Ladeschaltung ist einer Wechselspannungsschnittstelle der Ladeschaltung nachgeschaltet und richtet die an der Wechselspannungsschnittstelle anliegende Spannung gleich. Die gleichgerichtete Spannung (bzw. deren Spitzenwert) richtet sich nach der Phasenanzahl der Wechselspannungsschnittstelle. Bei einem 230 V - Netz und einer dreiphasigen Anschlusskonfiguration kann sich so eine gleichgerichtete Spannung ergeben, die über einer Grenz-Nennspannung liegt, die sich mit einer bestimmten Halbleitertechnologie erreichen lässt. Um für die Halbleiter der Gleichspannungswandler eine Grenz-Nennspannung vorzusehen, die nicht die verwendbaren Technologien beschränkt, kann in diesem Fall die Schaltervorrichtung die mehreren Gleichspannungswandler in Serie zueinander schalten. Dadurch teilt sich die Betriebsspannung für jeden Gleichspannungswandler durch deren Anzahl. Bei zwei Gleichspannungswandlern halbieren sich die Betriebsspannungen, mit denen die Halbleiter der Gleichspannungswandler jeweils arbeiten. Bei einem einphasigen Betrieb können die Gleichspannungswandler parallel mit einander verbunden werden, um so eine Vervielfachung der Stromtragfähigkeit zu erreichen.
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Zur Anpassung an eine Sollleistung, die von den Gleichspannungswandlern getragen werden soll, wird ein dritter Gleichspannungswandler vorgesehen, der parallel an den Gleichrichter angeschlossen ist und der auch mit dem mit dem gleichen Gleichspannungsanschluss verbunden ist, an den auch der erste und der zweite Gleichspannungswandler angeschlossen ist. Die Gleichspannungswandler haben daher Ausgänge, die parallel miteinander verbunden sind und die zusammen mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sind. Bei hoher Last, d.h. bei hoher geforderter Leistung werden alle Gleichrichter zur Spannungswandlung verwendet; je nach Eingangsspannung können der erste und der zweite Gleichspannungswandler parallel oder seriell miteinander (an der dem Gleichrichterseite zugewandten Seite) verbunden werden. Bei geringerer geforderter Leistung können nur der erste und der zweite Gleichrichter verwendet werden. Dadurch muss nur der dritte Gleichrichter (bzw. dessen Zwischenkreiskondensator) für hohe Spannungen ausgelegt werden, nicht aber der erste und der zweite Gleichrichter. Somit ergibt sich eine Anpassungsmöglichkeit an unterschiedliche Spannungsniveaus am Ausgang des Gleichrichters sowie an unterschiedliche Soll-Leistungen, während die Anzahl bzw. Kapazität der Zwischenkreiskondensatoren, die für hohe Spannungen (> 600 V) ausgelegt sein muss, gering bleibt.
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Die fahrzeugseitige Ladevorrichtung ist daher mit einer Wechselspannungsschnittstelle und einem daran angeschlossenen Gleichrichter ausgestattet. Die Wechselspannungsschnittstelle ist insbesondere ein Steckverbindungselement mit mehreren Kontakten. Der Gleichrichter weist die Funktion des Gleichrichtens auf, kann jedoch in einigen Ausführungsformen neben dieser Funktion auch weitere Funktionen wie Leistungsfaktorkorrektur oder Oberwellenfiltern aufweisen; insbesondere ist der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter. Der Gleichrichter weist eine Wechselspannungsseite auf. Mit dieser ist der Gleichrichter an der Wechselspannungsschnittstelle angeschlossen. Der Gleichrichter kann einstellbar für einphasige oder mehrphasige (dreiphasige) Wechselspannung ausgelegt sein.
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Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise für jeden Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle mindestens eine Halbbrücke (die steuerbar sein kann oder eine Diodenhalbbrücke sein kann). Die Wechselspannungsschnittstelle kann einen Neutralleiterkontakt aufweisen. Dieser ist vorzugsweise mit einer (insbesondere eigenen) Halbbrücke des Gleichrichters verbunden. Diese Halbbrücke kann sich von einer Halbbrücke, die mit einer Phase der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist, unterscheiden und kann insbesondere eine Diodenhalbbrücke sein.
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Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise auch eine Gleichspannungsseite. An diese bzw. an den Gleichrichter sind die Halbbrücken des Gleichrichters angeschlossen. Die Gleichspannungsseite umfasst insbesondere zwei Gleichspannungspotentiale oder -schienen. An diese sind die Halbbrücken angeschlossen (wobei hierbei insbesondere die beiden Enden der Halbbrücken an dieser Potentiale oder Schienen angeschlossen sind).
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An den Gleichrichter sind mindestens ein erster und ein zweiter Gleichspannungswandler angeschlossen. Jeder Gleichspannungswandler umfasst jeweils einen Zwischenkreiskondensator. Ferner umfasst jeder Gleichspannungswandler eine Schaltereinheit (eingerichtet zum getakteten Schalten). Die Verbindungsart (parallel oder seriell), in der die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, ist einstellbar mittels einer Schaltervorrichtung. Die Schaltervorrichtung verbindet die Gleichspannungswandler in schaltbarer bzw. konfigurierbarer Weise. Unterschiedliche Schaltstellungen der Schaltervorrichtung sind mit unterschiedlichen Verbindungen der Gleichspannungswandler untereinander verknüpft. Unterschiedliche Schaltstellungen bzw. Schaltzustände der Schaltervorrichtung sind ferner mit unterschiedlichen Verbindungen der Gleichspannungswandler einerseits mit dem Gleichrichter andererseits verknüpft. Mit „unterschiedlichen Verbindungen“ werden diesbezüglich Parallelschaltung (entsprechend einem ersten Schaltzustand der Schaltervorrichtung) einerseits und Seriellschaltung (entsprechend einem zweiten Schaltzustand der Schaltervorrichtung) bezeichnet.
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Die Schaltervorrichtung verbindet in einem ersten Schaltzustand die Zwischenkreiskondensatoren und die Schaltereinheiten der ersten und zweiten Gleichspannungswandler parallel miteinander. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem zweiten Schaltzustand die Zwischenkreiskondensatoren und die Schaltereinheiten seriell miteinander verbindet. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem ersten Schaltzustand die ersten und zweiten Gleichspannungswandler parallel miteinander. Dies betrifft insbesondere die dem Gleichrichter zugewandte Seite der ersten und zweiten Gleichspannungswandler. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem zweiten Schaltzustand die ersten und zweiten Gleichspannungswandler seriell miteinander verbindet. Dies betrifft insbesondere die dem Gleichrichter zugewandte Seite der ersten und zweiten Gleichspannungswandler.
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Mittels der Schaltvorrichtung können die Gleichspannungswandler (insbesondere die Seite der Gleichspannungswandler, die den Zwischenkreiskondensator aufweist) wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Insbesondere können mittels der Schaltvorrichtung die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Diese Seiten können den Eingangsseiten der Gleichspannungswandler entsprechen, insbesondere bei einem Ladevorgang. Bei einer Rückspeisung (d.h. bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern) entsprechen die Seiten den Ausgängen der Gleichspannungswandler.
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Die Schaltvorrichtung erlaubt es, die Eingänge (insbesondere bezogen auf einen Ladevorgang) der Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander zu verbinden. Da die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, kann mittels der Schaltvorrichtung somit die Verbindungsart der Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter eingestellt werden. Bei einer seriellen Verbindung ergibt sich bei zwei Gleichspannungswandler die halbe Betriebsspannung (bezogen auf die gleichgerichtete Spannung), so dass die Schalterelemente als auch die Zwischenkreiskondensatoren nur gemäß dieser halben (bzw. durch die Anzahl der Wandler geteilten) Betriebsspannung ausgelegt sein müssen. Die Gleichspannungswandler weisen eine dem Gleichrichter zugewandte Seite auf. Diese Seiten der Gleichspannungswandler werden mittels der Schaltvorrichtung wahlweise bzw. schaltbar (oder einstellbar) parallel oder seriell miteinander verbunden. An diesen Seiten befinden sich die Zwischenkreiskondensatoren, die somit einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dies gilt auch für die Schaltereinheiten der Gleichspannungswandler.
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Der Gleichrichter ist über den Gleichspannungsanschluss (und über die Gleichspannungswandler) mit einem Bordnetz verbunden. Das Bordnetz ist eine Schaltung, an die die Ladevorrichtung angeschlossen werden kann, wobei die Ladevorrichtung nicht notwendigerweise als Teil des Bordnetzes betrachtet werden muss. Der Gleichspannungsanschluss der Ladevorrichtung ist insbesondere ein Hochvoltanschluss und ist somit für Betriebsspannungen für > 60 V ausgelegt, insbesondere für mindestens 400 V, 600 V oder 800 V. Ein Bordnetz mit der hier beschriebenen Ladevorrichtung umfasst ferner einen Akkumulator, der an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Neben dem Akkumulator können weitere Komponenten an den Bordnetzanschluss angeschlossen sein. Der Bordnetzanschluss kann über Trennschalter mit der Ladevorrichtung verbunden sein.
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Der dritte Gleichspannungswandler (der Ladevorrichtung) verbindet ebenfalls den Gleichrichter mit dem Gleichspannungsanschluss. Der dritte Gleichspannungswandler ist parallel zu dem ersten und dem zweiten Gleichspannungswandler angeschlossen. Die dem Gleichspannungsanschluss zugewandte Seite des dritten Gleichspannungswandlers parallel zu den Seiten der ersten und zweiten Gleichspannungswandler angeschlossen, die dem Gleichspannungsanschluss zugewandt sind. Wie der erste und der zweite Gleichspannungswandler, die je nach Konfiguration in untereinander parallel oder seriell verbundener Weise an den Gleichrichter angeschlossen sind, ist auch der dritte Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden. Der erste, zweite und dritte Gleichspannungswandler sind individuell aktivierbar. Der dritte Gleichspannungswandler kann so nur dann aktiviert werden, wenn dies in Hinblick auf eine geforderte Gesamtleistung erforderlich ist. Dies kann auch für den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler gelten. Der erste und der zweite Gleichspannungswandler sind für eine niedrigere Nennspannung ausgelegt als der dritte Gleichspannungswandler. Dadurch können der erste und der zweite Gleichspannungswandler günstiger hergestellt werden. Der erste und der zweite Gleichspannungswandler können durch Seriellschaltung der dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler an die Gleichspannung des Gleichrichters angepasst werden, die bei unterschiedlicher Phasenzahl (d.h. Anzahl aktiver Phasen des Gleichrichters) und bei unterschiedlichen Eingangsspannungen unterschiedlich ausfällt.
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Der erste, zweite und dritte Gleichspannungswandler können jeweils Anschlüsse aufweisen, die mit dem Gleichspannungsanschluss sowie parallel miteinander verbunden sind. Dadurch können die Leistungen und Ströme an dem Gleichspannungsanschluss gebündelt werden.
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Der erste oder der zweite Gleichspannungswandler oder beide können galvanisch trennende Wandler sein. Insbesondere ist derjenige der ersten und zweiten Gleichspannungswandler galvanisch trennend, der mit der positiven Spannungsschiene des Gleichrichters verbunden ist. Dies dient insbesondere zur potentialfreien Spannungsaddition des ersten und zweiten Gleichspannungswandler bei serieller Konfiguration / Verbindung. Ferner kann der dritte Gleichspannungswandler einen Transformator aufweisen (und somit einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler ausbilden. Der Transformator kann ein Wicklungsverhältnis von ungleich eins aufweisen. Der dritte Gleichspannungswandler kann dadurch eingerichtet sein, an der dem Gleichrichter abgewandten Seite eine Spannung über ein Spannungsintervall zu erzeugen, in welchem die Spannung liegt, die an der dem Gleichrichter zugewandten Seite des dritten Gleichspannungswandlers liegt. Mit anderen Worten kann der dritte Gleichspannungswandler (mittels des Transformators) ausgestaltet sein, an einer Seite (Ausgang) eine Spannung über ein Spannungsintervall zu erzeugen, in das die Spannung an der anderen Seite (Eingang; d.h. die dem Gleichrichter zugewandte Seite) fällt. Der dritte Gleichspannungswandler kann ausgestaltet sein, um ein Spannungsverhältnis (der Spannungen zu beiden Seiten des Gleichspannungswandlers) von eins zu erzeugen. Es ergeben sich für den dritten Gleichspannungswandler überlappende Spannungsbänder. Dies ist insbesondere bei einem dreiphasigen 230 V - Wechselstromnetz von Vorteil, wenn der Gleichrichter selbst eine aufwärtswandelnde Funktion hat, etwa als Leistungsfaktorkorrekturfilter. Der dritte Gleichspannungswandler kann so (in Hinblick auf seinen schaltungstechnischen Aufbau) als Aufwärtswandler ausgebildet sein, wobei der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von < 1 haben kann, um so zu ermöglichen, dass trotz Aufbau als Aufwärtswandler zu beiden Seiten des dritten Gleichspannungswandlers die gleiche Spannung vorgesehen werden kann. Der Transformator des dritten Gleichspannungswandlers weist vorzugsweise eine dem Gleichrichter zugewandte Wicklung (Primärwicklung) auf, die eine geringere Wicklungszahl hat als eine dem Gleichspannungsanschluss zugewandte Wicklung (Sekundärwicklung) des Transformators. Die beiden genannten Wicklungen sind magnetisch mittels eines gemeinsamen Kerns gekoppelt. Die galvanisch trennenden Gleichspannungswandler haben eine Zerhackerschaltung (auf der dem Gleichrichter zugewandten Seite) und eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung (auf der dem Gleichspannungsanschluss zugewandten Seite).
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Der erste Gleichspannungswandler kann als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet sein. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der zweite Gleichspannungswandler als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet sein. Der dritte Gleichspannungswandler ist vorzugsweise entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet. Der dritte Gleichspannungswandler kann als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein, während der erste und/oder der zweite Gleichspannungswandler als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet ist. Eine weitere Vorgehensweise ist es, den erste Gleichspannungswandler, den zweiten Gleichspannungswandler und/oder den dritten Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler auszugestalten.
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Der dritte Gleichspannungswandler weist vorzugsweise als Zwischenkreiskapazität die Zwischenkreiskondensatoren der ersten und zweiten Gleichspannungswandler auf. Durch die Verbindung des dritte Gleichspannungswandlers mit dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler nutzt daher der dritte Gleichspannungswandler die miteinander verschalteten Zwischenkreiskondensatoren der ersten und zweiten Gleichspannungswandlers als Zwischenkreiskapazität.
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Die Zwischenkreiskondensatoren des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers bilden eine Serienschaltung. Diese Serienschaltung ist parallel an die Schaltereinheiten angeschlossen. Die Schaltereinheiten sind insbesondere zwei Schaltereinheiten, die über den Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Es ergibt sich eine Serienschaltung der Schaltereinheiten, die parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren angeschlossen ist.
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Die Schaltereinheiten des ersten, zweiten und dritten Gleichspannungswandlers umfassen jeweils zwei Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Diese Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren. Da für den ersten und zweiten Gleichspannungswandler gilt, dass durch die Aufteilung auf mehrere Gleichspannungswandler die Gesamtspannung des Gleichrichters aufgeteilt wird, können Transistoren mit einer Maximalspannung von weniger als 650 V, 700 V oder 600 V verwendet werden, beispielsweise sogenannte „Superjunction FETs“ verwendet werden. Dies gilt insbesondere für ein 230 Volt-Netz, wenn dies dreiphasig an die Ladevorrichtung angeschlossen ist, sodass es nicht erforderlich ist, die Gleichspannungswandler mit Transistoren auszustatten, die mit höheren Maximalspannungen ausgelegt werden müssen. Dadurch kann beispielsweise auf SiC-MOSFETs verzichtet werden, die einen signifikanten Kostenfaktor darstellen. Als Schaltereinheiten eignen sich insbesondere Transistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs. Die Schaltereinheit des dritten Gleichspannungswandlers umfasst zwei Schalter, die vorzugsweise als Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren ausgebildet sind. Diese sind vorzugsweise für eine höhere Maximalspannung als die Schalter der ersten und zweiten Gleichspannungswandler ausgebildet. Die Maximalspannung der Schalter der Schaltereinheit des dritten Gleichspannungswandlers beträgt somit vorzugsweise mehr als 650, 700 oder 600 Volt. Die Schalter der Schaltereinheit des dritten Gleichspannungswandlers können als SiC-Transistoren oder als IGBTs mit entsprechender Maximalspannung ausgebildet sein.
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Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler sind im Wesentlichen gleich groß. Insbesondere weichen die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler um nicht mehr als +/- 10% voneinander ab. Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler kann beispielsweise zwischen 4 und 6 kW betragen, etwa im Wesentlichen 5,5 kW. Die Nennleistung des dritten Gleichspannungswandlers kann zwischen 10 und 12 kW betragen, etwa im Wesentlichen 11 kW. Die Nennleistung des dritten Gleichspannungswandlers ist vorzugsweise höher als die Nennleistung des ersten Gleichspannungswandlers und ist vorzugsweise höher als die Nennleistung des zweiten Gleichspannungswandlers.
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Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler kann jeweils im Wesentlichen der Hälfte der Nennleistung des dritte Gleichspannungswandlers entsprechen oder um nicht mehr als +/- 10 % voneinander abweichen. Dies ist vorteilhaft bei ein- und dreiphasiger Ladung mittels eines (symmetrischen) 230 V - Drehstromnetzes.
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Der Gleichrichter kann mit einer hochsetzstellenden Funktion ausgestattet sein. Ferner kann der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet sein etwa als (vorzugsweise mehrphasige) Vienna-Gleichrichter.
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Der Gleichrichter weist vorzugsweise eine oder mehrere schaltbare Halbbrücke auf. Die Halbbrücken sind insbesondere vollschaltbar, das heißt bestehen jeweils aus einer Reihenschaltung von zwei Schaltern wie Transistoren. Die Halbbrücken bzw. deren Verbindungspunkte bzw. Zwischenabgriffe sind insbesondere direkt oder über Serieninduktivitäten mit der Wechselspannungsschnittstelle verbunden. Bei einer Verbindung über jeweilige Serieninduktivitäten ergibt sich eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die sowohl gleichrichtende Funktion hat als auch eine spannungswandelnde Funktion, insbesondere eine Aufwärtswandlungsfunktion. Der Gleichrichter zwischen Wechselstromschnittstelle und den Gleichspannungswandlern ist daher vorzugsweise ein aktiver Gleichrichter und kann, wenn er mit Serieninduktivitäten wie beschrieben ausgestattet ist, auch eine korrigierende Funktion hinsichtlich des Leistungsfaktors ausüben und/oder oberwellendämpfend wirken.
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Die Wechselspannungsschnittstelle kann einphasig ausgestaltet sein oder ist vorzugsweise mehrphasig ausgestaltet, beispielsweise dreiphasig. Somit ist auch der Gleichrichter zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den Gleichspannungswandlern vorzugsweise ein- mehr- oder insbesondere dreiphasig ausgestaltet. Die Anzahl der Phasen der Wechselspannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters, der der Wechselspannungsschnittstelle nachgeschaltet ist. Die Anzahl der Phasen des Gleichrichters entspricht vorzugsweise der Anzahl der (schaltbaren) Halbbrücken des Gleichrichters. Es kann vorgesehen sein, dass darüber hinaus eine zusätzliche Halbbrücke in Form einer Diodenhalbbrücke vorgesehen ist. In diesem Fall umfasst der Gleichrichter eine Anzahl von (schaltbaren) Halbbrücken, sowie eine zusätzliche Halbbrücke, die insbesondere als Diodenbrücke ausgestaltet ist.
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Der Gleichrichter kann mit einer konfigurierbaren Phasenanzahl ausgestaltet sein. Der Gleichrichter kann hierbei eingerichtet sein, wahlweise in einem dreiphasigen oder in einem einphasigen Zustand gleichzurichten. Für den einphasigen Zustand kann vorgesehen sein, dass Phasen miteinander verbunden sind, die im dreiphasigen Zustand getrennt sind und unterschiedlichen Spannungsphasen (der Wechselstromschnittstelle) zugeordnet sind. Es können schaltbare Verbindungen zwischen den Phasen der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen sein. Diese verbinden vorzugsweise alle Phasen (schaltbar) miteinander, wenn die Schnittstelle selbst nur einphasig belegt ist bzw. einphasig betrieben wird. Ansonsten sind die Verbindungen nicht vorhanden oder offen. Bei einer mehrphasigen bzw. dreiphasigen Belegung der Wechselspannungsschnittstelle sind die Verbindungen nicht vorgesehen bzw. offen. Die Verbindungen erlauben daher eine Konfiguration und insbesondere die Verteilung des zu tragenden Stroms über alle Halbbrücken des Gleichrichters, auch bei einer nur einphasigen Belegung der Wechselstromschnittstelle. Die Wechselspannungsschnittstelle ist somit mit mehreren Phasenkontakten ausgestattet. Die Phasenkontakte sind in einem Einphasenzustand mittels Verbindungen miteinander verbunden. In einem Mehrphasenzustand sind die Phasenkontakte individuell mit den einzelnen Halbbrücken verbunden, das heißt mit den einzelnen Halbbrücken des Gleichrichters. In dem Mehrphasenzustand sind die Phasen der Wechselspannungsschnittstelle untereinander nicht verbunden.
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Die Verbindungen können von Halbleiterschaltern oder elektromechanischen Schaltern vorgesehen sein. Dadurch ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine Konfiguration auszuwählen, um so die Ladevorrichtung an ein- oder mehrphasiges Schalten anzupassen.
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Die Ladevorrichtung kann ferner eine Steuerung aufweisen. Diese ist mit den Gleichspannungswandlern (insbesondere mit deren Schaltereinheiten) ansteuernd verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Geringleistungszustand oder einem Geringspannungszustand nur den ersten oder den zweiten Gleichspannungswandler, nur den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler oder nur den dritten Gleichspannungswandler zu aktivieren. Die jeweils anderen Gleichspannungswandler werden von der Steuerung angesteuert, inaktiv zu sein. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem Hochleistungszustand oder einem Hochvolt-Spannungszustand den ersten, den zweiten Gleichspannungswandler und den dritten Gleichspannungswandler zu aktivieren. Der Geringleistungszustand liegt vor, wenn eine Sollleistung oder ein Sollstrom (etwa eine Soll-Ladeleistung oder ein Soll-Ladestrom) unter einem Schwellenwert liegt. Der Geringspannungszustand liegt vor, wenn eine Sollspannung (etwa eine Soll-Ladespannung) unter einem Schwellenwert liegt. Der Hochleistungszustand liegt vor, wenn eine Sollleistung oder ein Sollstrom (etwa eine Soll-Ladeleistung oder ein Soll-Ladestrom) über einem Schwellenwert liegt. Der Hochvolt-Spannungszustand liegt vor, wenn eine Sollspannung (etwa eine Soll-Ladespannung) über einem Schwellenwert liegt. Die Schwellenwerte geben hierbei die Grenze wieder, bei deren Überschreitung ein (zusätzlicher) Gleichspannungswandler aktiviert werden muss (um die Sollvorgabe zu erfüllen), und bei deren Unterschreitung ein Gleichspannungswandler deaktiviert werden kann (da nicht alle Gleichspannungswandler zum Erreichen der Sollvorgabe erforderlich sind). Die Steuerung ist eingerichtet, eine entsprechende Strom-Leistungs- und/oder Spannungsvorgabe zu empfangen und ausgehend von dieser einen der genannten Zustände einzustellen. Hierzu kann die Steuerung einen Eingang aufweisen, der eingerichtet ist, ein Signal zu empfangen, das die Sollleistung, den Sollstrom und/oder die Sollspannung aufweist. Die Steuerung kann einen Vergleicher aufweisen, mittels dem die Werte, die von dem Signal wiedergegeben werden, mit dem betreffenden Schwellenwert verglichen werden. Der Schwellenwert kann hierbei in einem Speicher der Steuerung hinterlegt sein.
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Es kann ferner eine Steuerung vorgesehen sein, die mit der Schaltereinheit ansteuernd verbunden ist. Diese Steuerung kann neben der vorangebend beschriebenen Steuerung vorgesehen sein oder die Steuerungen können vor der selben Steuervorrichtung ausgebildet sein. Die mit der Schaltereinheit ansteuernd verbundene Steuerung kann einstellen, ob die Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander verbunden werden. Diese Steuerung kann dadurch insbesondere einstellen, ob die Seiten der Gleichspannungswandler, die dem Gleichrichter zugewandt sind, parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dadurch kann diese Steuerung einstellen, ob die Stromtragfähigkeit mittels Parallelschaltung der Gleichrichter vervielfacht wird, oder ob die jeweilige Betriebsspannung durch seriell-schalten der Gleichspannungswandler gemäß der Anzahl der Gleichspannungswandler aufgeteilt wird. Die Steuerung steuert die Schaltereinheit in einem Einphasenzustand an, die Gleichspannungswandler parallel miteinander zu verbinden.
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In einem Mehrphasenzustand steuert die mit der Schaltereinheit verbundene Steuerung diese an, die Gleichspannungswandler seriell zu verbinden. Dies betrifft insbesondere die serielle oder parallele Verbindung der jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren bzw. der Schaltereinheiten der betreffenden Gleichspannungswandler. Sind ferner Verbindungen zwischen den Phasenkontakten der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen, die schaltbar sind (etwa durch Halbleiterschalter oder durch elektromechanische Schalter innerhalb der Verbindungen), dann werden diese Verbindungen zwischen den Phasen bzw. Phasenkontakten hergestellt, wenn der Einphasenzustand vorgesehen ist, und aufgetrennt, wenn der Mehrphasenzustand vorgesehen ist. Es kann eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die den Belegungszustand an der Wechselstromschnittstelle erfasst, und die insbesondere erfasst, ob eine oder mehrere Phasen der Schnittstelle belegt sind. Sind mehrere Phasen belegt, wird der Mehrphasenzustand eingestellt, und ist nur eine Phase belegt, wird der Einphasenzustand eingestellt. Die Erfassungseinrichtung kann Teil der mit der Schaltereinheit verbundenen Steuerung sein oder kann dieser vorgeschaltet sein, um die entsprechenden Informationen zu liefern.
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Der Gleichrichter kann eine Dioden-Halbbrücke aufweisen, die mit einem Neutralleiterkontakt der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist. Neben der Dioden-Halbbrücke umfasst der Gleichrichter Halbbrücken mit Schaltereinheiten, wobei jede dieser Halbbrücke eine Phase der Wechselspannungsschnittstelle zugeordnet ist bzw. mit dieser (beispielsweise über Induktivitäten) verbunden ist.
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Wie erwähnt ist der Gleichrichter vorzugsweise als aktiver Gleichrichter ausgebildet. Hierbei umfasst der Gleichrichter ein oder mehrere Halbbrücken, die jeweils eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen umfassen. Vorzugsweise ist der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet. Hierbei umfasst dieser mehrere Halbbrückenschaltungen, die über Serieninduktivitäten mit der Wechselstromschnittstelle verbunden sind. Die Verbindungen sind hierbei individuell, sodass auch die Serieninduktivitäten eine individuelle Verbindung zwischen jeweiliger Halbbrücke und Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle darstellen. Wie erwähnt kann zum einphasigen Laden bzw. im Einphasenzustand vorgesehen sein, dass die Phasenkontakte über entsprechende Verbindungen miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter kann insbesondre als Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Ladevorrichtung.
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Die 1 zeigt eine beispielhafte fahrzeugseitige Ladevorrichtung LV mit einem Wechselspannungsanschluss WA. Dieser ist dreiphasig ausgestaltet und zum Anschluss an ein (nicht dargestelltes) dreiphasiges Versorgungsnetz eingerichtet. Ein Gleichrichter GR ist an den Wechselspannungsanschluss WA angeschlossen und ist somit ebenfalls dreiphasig ausgestaltet. Der Gleichrichter GR verbindet den Wechselspannungsanschluss (gleichrichtend) mit einem ersten Gleichspannungswandler DC1 und einem zweiten Gleichspannungswandler DC2. Ein dritter Gleichspannungswandler DC3 ist ebenso an den Gleichrichter angeschlossen. Mit anderen Worten verbindet der Gleichrichter GR den Wechselspannungsanschluss (gleichrichtend) mit dem dritten Gleichspannungswandler DC3. Die Gleichspannungswandler DC1 - DC3 sind an eine Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR angeschlossen.
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Der erste Gleichspannungswandler DC1 umfasst eine Schaltereinheit SE1 (zur Vereinfachung in Blockdarstellung) und einen Zwischenkreiskondensator C1. Der zweite Gleichspannungswandler DC2 umfasst eine Schaltereinheit SE2 und einen Zwischenkreiskondensator C2.
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An einen Gleichspannungsanschluss GA der Ladevorrichtung (etwa zum Anschluss an einen Fahrzeugbordnetzzweig oder eine Komponente hiervon, etwa an einen Hochvoltakkumulator) sind die Gleichspannungswandler DC1 - DC3 angeschlossen. Hierbei sind diejenigen Seiten der Gleichspannungswandler DC1 - DC3 mit dem Gleichspannungsanschluss GA verbunden, welche von dem Gleichrichter GR abgewandt sind. Die betreffenden Seiten der Gleichspannungswandler DC1 - DC3 (die auch als Ausgangsseiten bezeichnet werden können) sind hierbei parallel miteinander verbunden.
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Eine Schaltervorrichtung S1, S2, S3 dient zur seriellen oder parallelen Konfiguration der Gleichspannungswandler DC1 und DC2. Insbesondere werden hierdurch die Seiten der Gleichspannungswandler DC1 und DC2 konfigurierbar vorgesehen, die dem Gleichrichter GR zugewandt sind bzw. mit diesem verbunden sind. Die Schalter S1 bis S3 sind in Reihe geschaltet, wobei die sich ergebende Reihenschaltung parallel mit dem Gleichrichter GR (bzw. mit dessen Gleichspannungsseite) verbunden ist.
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Die Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 der Gleichspannungswandler DC1 und DC2 sind über den Schalter S3 in Serie miteinander verbunden. Die sich ergebende Serienschaltung der Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 sowie des zwischengeschalteten Schalters S3 ist ebenso mit dem Gleichrichter GR verbunden (d.h. parallel an diesen angeschlossen). Die Schalter S1 und S2 einerseits und der Schalter S3 andererseits werden wechselweise geschaltet und sind somit wechselweise geschlossen.
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Sind die Schalter S1 und S2 geschlossen (und Schalter S3 offen), dann sind die Kondensatoren C1 und C2 parallel miteinander verbunden und somit beide jeweils parallel mit dem Gleichrichter GR verbunden. Dadurch erhalten in diesem Fall beide Kondensatoren C1 und C2 jeweils die volle Spannung, die von dem Gleichrichter GR abgegeben wird. Im anderen Fall, das heißt wenn der Schalter S3 geschlossen ist und die Schalter S1 und S2 offen sind, dann sind die Kondensatoren C1 und C2 in Reihe geschaltet, wobei dann diese Reihenschaltung mit dem Gleichrichter GR verbunden ist. Dadurch teilt sich die an den Gleichrichter GR anliegende Gleichspannung auf die beiden Kondensatoren C1 und C2 auf. Der letztgenannte Fall wird verwendet, wenn die Spannung am Gleichrichter hoch ist (etwa bei dreiphasigem gleichrichten einer dreiphasigen Wechselspannung am Anschluss WA), um so zu vermeiden, dass die Kondensatoren C1 und C2 für besonders hohe Maximalspannungen (d.h. für Maximalspannungen größer als die Maximalspannung, die sich im einphasigen Fall ergibt) ausgelegt werden müssen.
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Die Schalter S1 bis S3 dienen zur Seriell- oder Parallelkonfiguration des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers DC1, DC2, insbesondere abhängig von der Spannung, die vom Gleichrichter GR abgegeben wird. Diese wiederum hängt ab von der ein- oder dreiphasigen Gleichrichtung durch den Gleichrichter GR. Dadurch kann wie eingangs erwähnt die Konfiguration der Gleichspannung von der DC1 und der DC2 angepasst werden an zu leistende Soll-Spannungen oder andere Sollvorgaben.
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Im Hinblick auf Ihre Verbindung konfigurierbaren Gleichspannungswandler DC1 und DC2 ist der Gleichspannungswandler DC3 parallel an den Gleichrichter GR angeschlossen. Dadurch erhält der dritte Gleichspannungswandler unabhängig von der Konfiguration durch die Schalter S1 bis S3 die volle Spannung, die vom Gleichrichter GR abgegeben wird. Der Gleichspannungswandler DC3 kann aktiviert werden, wenn dies aufgrund einer vorgegebenen, zu leistenden Soll-Spannung oder aufgrund eines vorgegebenen, zu leistenden Soll-Stroms erforderlich ist. Ansonsten kann dieser beispielsweise deaktiviert sein, um so eine höhere Effizienz zu ermöglichen oder auch um eine Alterung zu vermeiden.
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Der dritte Gleichspannungswandler DC3 ist parallel an den Gleichrichter GR angeschlossen und kann somit auf die Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 als Zwischenkreiskapazität zurückgreifen. In diesem Fall kann der dritte Gleichspannungswandler keinen eigenen Zwischenkreiskondensator aufweisen, sondern umfasst „nur“ eine betreffende Schaltereinheit (wie sie auch die Gleichspannungswandler DC1 und DC2 aufweisen in Form der Einheiten SE1 und SE2).
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Eine Steuerung C ist ansteuernd mit den Gleichspannungswandlern DC1 bis DC3 verbunden. Die Steuerung C ist eingerichtet, abhängig von einer Soll-Leistung oder einem Soll-Strom, oder auch abhängig von einer Soll-Spannung die Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 zu aktivieren, oder nur ausgewählte der Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 zu aktivieren, während mindestens ein Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 nicht aktiviert verbleibt.
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In 1 soll auch ferner zum Verständnis der folgenden möglichen Betriebsmodi dienen:
- Geringleistungszustand 1 (Laden mit einer Sollleistung bis 5,5 kW):
- Laden mit einer Leistung bis 5,5 kW: Aktivierung von DC1 oder DC2 (DC3 deaktiviert)
- Geringleistungszustand 2 (Laden mit einer Leistung von weniger als 7,4 kW (Laden mit einer Sollleistung bis 7,4 kW, insbesondere von mehr als 5,5 kW und weniger als 7,4 kW):
- Aktivieren von DC1 und DC2 (bei deaktiviertem DC3) oder Aktivieren von DC3 (bei deaktiviertem DC1, DC2)
- Hochleistungszustand:
- Dreiphasiges Laden mit aktiviertem DC3 (und aktiviertem DC1 und DC2).
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Die Steuerung ist eingerichtet, die genannten Zustände anhand einer Sollvorgabe einzustellen. Die Sollvorgabe kann eine Sollleistung, eine Sollspannung oder ein Sollstrom sein, der von der Ladevorrichtung zu liefern ist. Die genannten Werte beziehen sich auf ein dreiphasiges 230-Volt-Wechselstromnetz. Die Geringleistungszustände können auch als Geringspannungsszustände bezeichnet werden und betreffen einen Betrieb, bei dem der Gleichrichter eine Spannung von ca. 400 Volt erzeugt. Der Hochleistungszustand kann auch einen Hochvolt-Spannungszustand darstellen, bei dem dreiphasig gleichgerichtet wird und somit der Gleichrichter GR eine Spannung von 700 bis 800 Volt erzeugt.
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Weiterhin sind folgende Betriebsmodi möglich (wobei die Steuerung zum Einstellen der Zustände eingerichtet ist:
- Geringleistungszustand 1 - Sollleistung bis 5,5 kW:
- Aktivieren von DC1 oder DC2
- Geringleistungszustand 2 - Sollleistung von 5,5 kW bis 11 kW:
- Aktivieren von DC1 und DC2 oder Aktivieren von DC3
- Hochleistungszustand - Sollleistung mindestens 11 kW:
- Aktivieren von DC1, DC2 und DC3.
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Auch diese Modi beziehen sich auf ein 230 Volt-Drehstromnetz. Da wie erwähnt der Gleichrichter ein- und dreiphasig arbeiten kann, kann je nach Soll-Spannung der Batterie bzw. Ladezustand der Batterie, die an GA angeschlossen sein kann, der Gleichrichter ein- oder dreiphasig betrieben werden. Bei einphasigem Betrieb ergibt sich eine geringere gleichgerichtete Spannung am Gleichrichter GR, um so einer geringeren Soll-Spannung am Anschluss GA Rechnung zu tragen. Soll mit einer hohen Leistung geladen werden, so kann der Gleichrichter GR dreiphasig betrieben werden, wobei dadurch auch eine höhere Spannung erzeugt wird (welche mit einer Soll-Spannung korrespondieren sollte).
