DE102020115369A1

DE102020115369A1 - Energiespeichervorrichtung für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020115369A1
Application number: DE102020115369.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Seliger; Boris Zuev
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (100) für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher (800), aufweisend ein Bordnetz (500) mit einer Systemspannung von 800 V, wobei die Energiespeichervorrichtung (100) eingerichtet ist, das Kraftfahrzeug an einer Gleichspannungs-Ladesäule (200), aufweisend eine Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von 400 V bis 500 V oder eine Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von 800 V, zu laden, wobei die Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule (200) und die gleichgerichtete Spannung einer Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) für den ersten Ladespannungsbereich in Serie schaltbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb und einer Systemspannung von beispielsweise 800 V können an zahlreichen Ladesäulen mit einer maximaler Ladespannung von beispielsweise 400 V oder 500 V nicht ohne weitere Hilfsmittel geladen werden. Meist wird ein Gleichspannungswandler oder ein seriell/parallel verschaltbarer Speicher mit einer Umschaltmatrix verwendet. Eine wesentliche Voraussetzung für die Alltagstauglichkeit von „Mild Plug-In Hybrid Electrical Vehicles“, sogenannten mPHEV-Fahrzeugen, ist jedoch eine zuverlässige und kostengünstige, auch als Nachrüstlösung geeignete, vielseitige Ladeeinrichtung. Eine derartige Lösung schlägt die vorliegende Erfindung vor.
Aus dem Dokument DE 10 2018 216 238 A1 ist eine Energiespeichervorrichtung und ein Hochvolt-Fahrzeugbordnetz bekannt, ausgestattet mit einem ersten elektrischen Energiespeicher und einem zweiten elektrischen Energiespeicher, wobei die beiden Energiespeicher untereinander und mit dem Bordnetzanschluss über eine schaltbare Verbindungsschaltung verbunden sind. Die Verbindungsschaltung ist eingerichtet, in einem ersten Schaltzustand die Energiespeicher seriell miteinander zu verbinden und in einem zweiten Schaltzustand parallel miteinander zu verbinden.
Aus dem Dokument DE 10 2010 040 239 A1 ist ein System zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie eines Elektrofahrzeugs bekannt. Im abgestellten Zustand des Elektrofahrzeugs ist eine Gleichstrom-Ladestation entweder ausschließlich oder gleichzeitig mit einem einphasigen Wechselstromnetz als elektrische Leistungsquelle zur Versorgung der Batterie mit Ladeleistung verwendbar.
Aus dem Dokument DE 10 2018 008 030 A1 ist eine Steckereinrichtung aufweisend mehrere Steckfelder zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie bekannt, wobei ein erstes Steckfeld für ein Wechselstromladen ausgebildet ist und ein zweites und ein drittes Steckfeld für ein Gleichstromladen ausgebildet ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug aufweisend ein Bordnetz mit einer Systemspannung von ca. 800 V, wobei die Energiespeichervorrichtung eingerichtet ist, das Kraftfahrzeug an einer Gleichspannungs-Ladesäule, aufweisend eine Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V oder eine Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von ca. 800 V, zu laden, die Energiespeichervorrichtung aufweisend (a) einen Energiespeicher aufweisend eine Nennspannung von ca. 800 V oder eine Serienschaltung von zwei Energiespeichern aufweisend Nennspannungen von jeweils ca. 400 V; (b) einen Bordnetzanschluss für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Systemspannung von ca. 800 V; (c) eine Anordnung von Bordnetz-Schaltern, aufweisend einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter zur Trennung des Energiespeichers von dem Bordnetzanschluss; (d) eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung aufweisend einen Gleichrichter, eingerichtet für eine variable gleichgerichtete Spannung bis ca. 800 V, und eine Regelvorrichtung ausgebildet für eine Regelung des Ladestroms; (e) eine Anordnung von Lade-Schaltern, aufweisend einen dritten Ladeschalter, einen vierten Ladeschalter, einen fünften Ladeschalter, und einen sechsten Ladeschalter zur Steuerung des kombinierten Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Ladens; und (f) einen Gleichspannungs-Ladeanschluss für eine Gleichspannungs-Ladesäule aufweisend eine Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V, oder eine Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von ca. 800 V.
Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der Vorteil erreicht, dass ein Kraftfahrzeug mit einer Systemspannung von beispielsweise 800 V rückwärtskompatibel auch an einer Gleichspannungs-Ladeinfrastruktur von beispielsweise 400 V oder 500 V geladen werden kann. Erfindungsgemäß kann das Kraftfahrzeug neben einem kombinierten Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Laden von beispielsweise 400/400 V oder 500/300 V auch an einer Gleichspannungs-Ladeinfrastruktur von beispielsweise 800 V oder an einer Wechselspannungs-Ladeinfrastruktur von beispielsweise 400 V oder darunter geladen werden. Bei einem kombinierten Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Laden kann mit der doppelten Ladeleistung, bezogen auf die Ladeleistung der im Fahrzeug vorhandenen Wechselspannungs-Ladevorrichtung in einem 400 V-Betrieb, geladen werden. Damit können in Summe Ladeleistungen von ca. 22 kW aus einer 400 V-Wechselspannungs-Ladevorrichtung und ca. 22 kW aus einer 400 V-Gleichspannungs-Ladesäule erreicht werden. Der Energiespeicher des Kraftfahrzeugs kann somit auch schneller geladen werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Gleichspannungs-Ladesäulenanschluss mit einer Nennspannung von beispielsweise 400 V oder 500 V mit einer an Bord des Kraftfahrzeugs vorhandenen Wechselspannungs-Ladevorrichtung mit einer maximalen Ladespannung von beispielsweise 800 V, dem sogenannten „On-Board-Charger“, zum Laden des 800 V-Energiespeichers in Serienschaltung zu kombinieren. Dabei muss die 800 V-Wechselspannungs-Ladevorrichtung mit einer geringeren Spannung von beispielsweise 400 V oder 300 V betrieben werden können und eine Ladestromregelung aufweisen, die über einen Spannungsbereich von ca. 300 V bis ca. 800 V arbeiten kann. Eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung für den erweiterten Betrieb in einem variablen Spannungsbereich von ca. 300 V bis ca. 800 V erweist sich als kostengünstiger und vorteilhaft hinsichtlich Gewicht und Bauraum im Vergleich zu dem Einsatz eines zusätzlichen Gleichspannungswandlers.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre gegenüber den im Stand der Technik bekannten Umschaltlösungen von Energiespeichern zwischen einer Parallelschaltung im Ladebetrieb und einer Serienschaltung im Fahrzeugbetrieb ist ein gleichmäßigerer Ladestand, sofern die Energiespeicher ausschließlich in Serienschaltung betrieben werden. Entsprechend kann sich ein ungleicher Entladestand ergeben bei umgekehrten Umschaltlösungen zwischen einer Serienschaltung im Ladebetrieb und einer Parallelschaltung im Fahrzeugbetrieb.
Differenzen des Entadestandes im Fahrzeugbetrieb können während eines anschließenden Ladevorgangs in Serienschaltung nicht mehr ausgegelichen werden. Die vorliegende Erfindung geht darum von der Erkenntnis aus, dass ein Kombinieren von Ladevorrichtungen während des Ladevorgangs vorteilhaft ist gegenüber einem Umschalten von Energiespeichern zwischen Serienbetrieb und Parallelbetrieb.
Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung eingerichtet zum Anschluss an die Gleichspannungs-Ladesäule mit der Ladegleichspannung in dem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V, wobei der dritte und fünfte Schalter geöffnet sind und der vierte und sechste Schalter geschlossen sind, und wobei die Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule und die gleichgerichtete Spannung der Wechselspannungs-Ladevorrichtung in Serie geschaltet sind.
Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung eingerichtet zum Anschluss an die Gleichspannungs-Ladesäule mit der Ladegleichspannung in dem zweiten Bereich von ca. 800 V eingerichtet ist, wobei der dritte und vierte Schalter geöffnet sind und der fünfte und sechste Schalter geschlossen sind, und wobei der Energiespeicher ausschließlich aus der Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule geladen wird und die Wechselspannungs-Ladevorrichtung abgeschaltet ist.
Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung eingerichtet zum Anschluss an die Wechselspannungs-Ladevorrichtung, wobei der dritte Schalter geschlossen ist und der vierte, fünfte und sechste Schalter geöffnet sind, und wobei der Energiespeicher ausschließlich aus der Wechselspannungs-Ladevorrichtung geladen wird und eine Ladeverbindung mit der Gleichspannungs-Ladesäule nicht besteht.
Die erste Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein 800 V-Energiespeicher an Gleichspannungs-Ladesäulen mit Ladespannungen zwischen 400 V und 800 V in Kombination mit einer Wechselspannungs-Ladevorrichtung geladen werden kann. Die Ladespannung ist nicht auf 400 V beschränkt, sondern kann beispielsweise auch 500 V betragen. Die zweite Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass eine 800 V-Ladesäule genutzt werden kann, ohne Kombination mit einer Wechselspannungs-Ladevorrichtung. Die dritte Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der Energiespeicher ausschließlich mittels der Wechselspannungs-Ladevorrichtung geladen werden kann, ohne Kombination mit einer Gleichspannungs-Ladesäule.
Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist der Ladestrom des Energiespeichers mittels einer Regelvorrichtung der Wechselspannungs-Ladevorrichtung regelbar.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass der gemeinsame Ladestrom der Gleichspannungs-Ladesäule und der Wechselspannungs-Ladevorrichtung mittels der Wechselspannungs-Ladevorrichtung regelbar ist. Dabei sind Gleichspannungs-Ladesäulen mit einem weiten Spannungsbereich zwischen 400 V und 800 V nutzbar.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Energiespeichervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Entsprechend einer exemplarischen Ausgestaltung weist das Kraftfahrzeug eine kombinierte Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Ladedose auf.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Gleichspannung einer Ladesäule und die Wechselspannung zum Betrieb einer Wechselspannungs-Ladevorrichtung mittels einer kombinierten Ladedose und/oder eines kombinierten Ladekabels der Energiespeichervorrichtung des Kraftfahrzeugs zugeführt werden können. Hierzu ist ein Adapter notwendig, der sowohl Gleichspannung als auch Wechselspannung an die fahrzeugseitige kombinierte Ladedose führt.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen exemplarische Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, soweit technisch sinnvoll, auch für den zweiten Aspekt der Erfindung.
Die angegebenen Spannungsebenen von ca. 800 V für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz sowie ca. 400 V bzw. ca. 500 V oder ca. 800 V für eine Ladesäulen-Infrastruktur sind beispielhafte Spannungsebenen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene kombinierte Gleichspannungs-/Wechselspannungs-Laden umfasst sämtliche Kombinationen von Kraftfahrzeug-Bordnetzen und Ladesäulen, bei denen ein Ladevorgang bei gleicher wie auch bei wesentlich höherer, beispielsweise doppelter Bordnetzspannung gegenüber der Ladespannung einer Ladesäule durchführbar sein soll.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
Entsprechend dieser ersten beispielhaften Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung 100 mit einem Energiespeicher 800 eingerichtet zum Anschluss an eine Gleichspannungs-Ladesäule 200 mit einer Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V, wobei ein dritter und fünfter Schalter 103, 105 geöffnet sind und ein vierter und sechster Schalter 104, 106 geschlossen sind, und wobei eine Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule 200 und eine gleichgerichtete Spannung einer Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 in Serie geschaltet sind. Die Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 regelt den Ladestrom.
Der Ladestrom fließt von einem positiven Pol eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses 201 der Ladesäule 200 über den sechsten Schalter 106 durch den Energiespeicher 800, durch die Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 und über den vierten Schalter 104 zurück zu einem negativen Pol der Ladesäule 200.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 100 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
Entsprechend dieser zweiten beispielhaften Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung 100 mit einem Energiespeicher 800 eingerichtet zum Anschluss an eine Gleichspannungs-Ladesäule 200 mit einer Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von ca. 800 V, wobei ein dritter und vierter Schalter 103, 104 geöffnet sind und ein fünfter und sechster Schalter 105, 106 geschlossen sind, und wobei der Energiespeicher 800 ausschließlich aus der Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule 200 geladen wird und eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 abgeschaltet ist.
Der Ladestrom von einem positiven Pol eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses 201 der Ladesäule 200 über den sechsten Schalter 106 durch den Energiespeicher 800, und über den fünften Schalter 105 zurück zu einem negativen Pol der Ladesäule 200.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiespeichervorrichtung 100 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
Entsprechend dieser dritten beispielhaften Ausgestaltung ist die Energiespeichervorrichtung 100 mit einem Energiespeicher 800 eingerichtet zum Anschluss an eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300, wobei ein dritter Schalter 103 geschlossen ist und ein vierter, fünfter und sechster Schalter 104, 105, 106 geöffnet sind, und wobei der Energiespeicher 800 ausschließlich aus der Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 geladen wird und eine Ladeverbindung mit einer Gleichspannungs-Ladesäule 200 nicht besteht.
Der Ladestrom fließt von einem positiven Pol der Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300 über den dritten Schalter 103 durch den Energiespeicher 800 und zurück zu einem negativen Pol der Wechselspannungs-Ladevorrichtung 300.
Bezugszeichenliste

100: Energiespeichervorrichtung
101: erster Schalter
102: zweiter Schalter
103: dritter Schalter
104: vierter Schalter
105: fünfter Schalter
106: sechster Schalter
200: Gleichspannungs-Ladesäule
201: Gleichspannungs-Ladeanschluss
300: Wechselspannungs-Ladevorrichtung
301: Gleichrichter
401: erster Energiespeicher Nennspannung 400 V
402: zweiter Energiespeicher Nennspannung 400 V
500: Kraftfahrzeug-Bordnetz 800 V
501: Bordnetzanschluss
800: Energiespeicher Nennspannung 800 V

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

DE 102018216238 A1 [0003]
DE 102010040239 A1 [0004]
DE 102018008030 A1 [0005]

Claims

Energiespeichervorrichtung (100) für ein kombiniertes Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Laden für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug aufweisend ein Bordnetz (500) mit einer Systemspannung von ca. 800 V, wobei die Energiespeichervorrichtung (100) eingerichtet ist, das Kraftfahrzeug an einer Gleichspannungs-Ladesäule (200), aufweisend eine Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V oder eine Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von ca. 800 V, zu laden, die Energiespeichervorrichtung (100) aufweisend: a. einen Energiespeicher (800) aufweisend eine Nennspannung von ca. 800 V oder eine Serienschaltung von zwei Energiespeichern (401, 402) aufweisend Nennspannungen von jeweils ca. 400 V; b. einen Bordnetzanschluss (501) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Systemspannung von ca. 800 V; c. eine Anordnung von Bordnetz-Schaltern (101, 102), aufweisend einen ersten Schalter (101) und einen zweiten Schalter (102) zur Trennung des Energiespeichers (800) von dem Bordnetzanschluss (501); d. eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) aufweisend einen Gleichrichter (301), eingerichtet für eine variable gleichgerichtete Spannung bis ca. 800 V, und eine Regelvorrichtung ausgebildet für eine Regelung des Ladestroms; e. eine Anordnung von Lade-Schaltern (103, 104, 105, 106), aufweisend einen dritten Ladeschalter (103), einen vierten Ladeschalter (104), einen fünften Ladeschalter (105), und einen sechsten Ladeschalter (106) zur Steuerung des kombinierten Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Ladens; f. einen Gleichspannungs-Ladeanschluss (201) für eine Gleichspannungs-Ladesäule (200) aufweisend eine Ladegleichspannung in einem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V, oder eine Ladegleichspannung in einem zweiten Bereich von ca. 800 V.
Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung (100) zum Anschluss an die Gleichspannungs-Ladesäule (200) mit der Ladegleichspannung in dem ersten Bereich von ca. 400 V bis ca. 500 V eingerichtet ist, wobei der dritte und fünfte Schalter (103, 105) geöffnet sind und der vierte und sechste Schalter (104, 106) geschlossen sind, und wobei die Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule (200) und die gleichgerichtete Spannung der Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) in Serie geschaltet sind.
Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung (100) zum Anschluss an die Gleichspannungs-Ladesäule (200) mit der Ladegleichspannung in dem zweiten Bereich von ca. 800 V eingerichtet ist, wobei der dritte und vierte Schalter (103, 104) geöffnet sind und der fünfte und sechste Schalter (105, 106) geschlossen sind, und wobei der Energiespeicher (800) ausschließlich aus der Ladegleichspannung der Gleichspannungs-Ladesäule (200) geladen wird und die Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) abgeschaltet ist.
Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichervorrichtung (100) zum Anschluss an die Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) eingerichtet ist, wobei der dritte Schalter (103) geschlossen ist und der vierte, fünfte und sechste Schalter (104, 105, 106) geöffnet sind, und wobei der Energiespeicher (800) ausschließlich aus der Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) geladen wird und eine Ladeverbindung mit der Gleichspannungs-Ladesäule (200) nicht besteht.
Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 4, wobei der Ladestrom des Energiespeichers (800) mittels einer Regelvorrichtung der Wechselspannungs-Ladevorrichtung (300) regelbar ist.
Kraftfahrzeug aufweisend eine Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, aufweisend eine kombinierte Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Ladedose.