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Fahrzeuge mit elektrischem Traktionsantrieb weisen einen Akkumulator auf, der Energie zum elektrischen Fahren bereithält. Ferner sind elektrisch betriebene Fahrzeuge mit Ladeanschlüssen ausgestattet, mittels denen elektrische Energie von einer Ladestation an den Akkumulator des Fahrzeugs übertragen werden kann. Um möglichst weitreichend kompatibel zu sein, können Elektrofahrzeuge mit einem Gleichstromladeanschluss und einem Wechselstromladeanschluss ausgestattet sein. Eine entsprechende Ladeschaltung muss somit nicht nur Komponenten zur Stromrichtung oder Stromanpassung des Ladestroms vorhalten, sondern auch eine möglichst kostengünstige Anwendung weiterer elektrisch zu versorgender Komponenten des Fahrzeugs ermöglichen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die beim elektrischen Fahren und beim Laden zu übertragenden Leistungen hoch sind und somit die verwendeten Komponenten des Bordnetz bzw. der betreffenden Ladeschaltung einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen. Ferner ist Sorge zu tragen, dass an den Ladeanschlüssen keine gefährlichen Berührspannungen auftreten, insbesondere an nicht belegten Ladeanschlüssen.
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Die Druckschrift
DE 10 2019 202 345 A1 beschreibt eine Ladeschaltung, mit einem Akkumulator, einem Gleichstromanschluss und einem Wechselstromanschluss. Der letztere ist an eine Wechselstromseite eines Gleichrichters der Ladeschaltung angeschlossen. Die Gleichstromseite des Gleichrichters ist mit einer ersten Seite eines Gleichspannungswandlers verbunden, wobei eine zweite Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Akkumulator. Auch die Gleichstromanschluss ist mit dem Akkumulator verbunden, nämlich über einen Trennschalter.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich auf kostengünstige Weise ein sicheres Laden mittels Wechselstrom oder Gleichstrom realisieren lässt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ladeschaltung und das Bordnetz gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungen und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen, der Beschreibung und der 1.
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Es wird vorgeschlagen, eine Ladeschaltung mit einem Akkumulatoranschluss sowie mit einem Gleichstrom- und einem Wechselstromanschluss vorzusehen, wobei der Wechselstromanschluss an einen Gleichrichter angeschlossen ist. Der Gleichstromanschluss ist zur Übertragung von Ladeenergie an den Akkumulatoranschluss angeschlossen, während der Gleichrichter über einen Gleichspannungswandler mit dem Akkumulatoranschluss verbunden ist. Mittels des Gleichspannungswandlers kann eine Spannungslage an die geeignete Ladespannung angepasst werden. Über einen Umschalter kann wahlweise (je nach Ladeart) der Gleichrichter oder der Gleichspannungsanschluss mit dem Gleichspannungswandler verbunden werden, sodass für beide Ladearten der Gleichspannungswandler zur Spannungsanpassung herangezogen werden kann. Eine Ausführungsform sieht vor, dass in diesem Fall ein Trennschalter in direkter Verbindung zwischen Gleichstromanschluss und Akkumulatoranschluss trennen kann.
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Um kostengünstig eine Beaufschlagung des Gleichstromanschlusses durch die Spannung des Gleichrichters beim Wechselstromladen zu vermeiden, ist in der Verbindung zwischen dem Gleichstromladeanschluss und dem Gleichspannungswandler eine Diode vorgesehen, die sperrt, wenn der Ausgang des Gleichrichters eine Spannung für den Gleichspannungswandler erzeugt. Dadurch kann ferner der Umschalter (zur Umschaltung zwischen Wechselstromladen und Gleichstromladen) einpolig vorgesehen werden. Somit betrifft der Umschalter nur ein Gleichstrompotential, während die Diode in dem anderen Gleichstrompotential wirkt. Dadurch ist sichergestellt, dass keine der genannten Potentiale der Gleichstromseite des Gleichrichters an dem Gleichstromladeanschluss präsent sein kann, wobei für ein Potential die Trennung durch die Diode und für das andere Potential die Trennung durch den Umschalter vorgesehen ist. Ein vorzugsweise allpoliger Trennschalter zwischen Gleichstromanschluss und Akkumulatoranschluss erlaubt die Abtrennung des Gleichstromanschlusses von dem Akkumulator und dem Gleichspannungswandler. Die Gleichstromseite des Gleichrichters über den Umschalter und den Gleichspannungswandler (in dieser Reihenfolge) mit dem Akkumulatoranschluss verbunden. Der Trennschalter ist zwischen dem Gleichstromanschluss und dem Akkumulatoranschluss vorgesehen und erlaubt eine (vorzugsweise allpolige) Trennung des Gleichstromanschluss sowohl von dem Akkumulatoranschluss als auch von dem Gleichspannungswandler, d.h. von der Seite des Gleichspannungswandlers, die mit dem Akkumulatoranschluss verbunden ist.
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Es wird daher eine Ladeschaltung, insbesondere eine fahrzeugseitige Ladeschaltung vorgeschlagen, die über einen Gleichstromanschluss und über einen Wechselstromanschluss verfügt. Diese Anschlüsse sind zum kabelgebundenen Laden eingerichtet. Der Wechselstromanschluss ist an eine Wechselstromseite eines Gleichrichters der Ladeschaltung angeschlossen. Der Gleichrichter weist auch eine Gleichstromseite auf, wobei der Gleichrichter eingerichtet ist, einen elektrischen Strom, der einer Wechselstromseite anliegt, in einen Gleichstrom an der Gleichstromseite umzuwandeln. Die Gleichstromseite ist über einen Umschalter mit einem Gleichspannungswandler verbunden. Der Umschalter verbindet eine erste Seite des Gleichspannungswandlers (insbesondere ein erstes Potential hiervon) wahlweise mit dem Gleichstromanschluss (bzw. ein erstes Potential hiervon) oder mit einem ersten Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters. Dadurch kann ausgewählt werden, ob der Gleichrichter mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist (und somit über den Gleichspannungswandler mit einem Akkumulatoranschluss verbunden ist) oder ob der Gleichspannungswandler mit dem Gleichstromanschluss zu verbinden ist. Der Umschalter wird gemäß der Lademodus (Gleichstrom / Wechselstrom) eingestellt. Ein zweites Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters ist über eine Diode mit dem Gleichstromanschluss verbunden. Die Sperrrichtung der Diode weist zum Gleichstromanschluss hin. Dadurch ist gemäß dieser Sperrrichtung eine Übertragung von einem gefährlichen Potential ausgehend von der Gleichstromseite des Gleichrichters (das heißt beim Wechselstromladen) an den Gleichstromanschluss unterdrückt. Am Gleichstromanschluss liegt somit kein Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters vor, da sowohl die Diode für ein Potential als auch der Umschalter für das andere Potential eine Trennung vornimmt. Ein Trennschalter verbindet den Akkumulatoranschluss einerseits mit dem Umschalter und dem Gleichstromanschluss andererseits. Mit anderen Worten ist eine zweite Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Akkumulatoranschluss verbunden, wobei der Gleichstromanschluss über den Trennschalter mit dem Akkumulatoranschluss verbunden ist.
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Der Umschalter kann somit einpolig ausgestaltet sein und ist damit gegenüber einem zweipoligen Umschalter kostengünstiger. Die Diode ist im Vergleich zu einem zweipoligen Umschalter ein kostengünstiges Bauelement, auch bei Hochleistungsanwendungen, und ermöglicht gleichzeitig eine effektive Abtrennung des betreffenden Potentials der Gleichstromseite des Gleichrichters gegenüber dem Gleichstromanschluss.
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Der Gleichstromanschluss kann auch als Gleichstrom-Ladeanschluss bezeichnet werden. Der Wechselstromanschluss kann auch als Wechselstrom-Ladeanschluss bezeichnet werden. Beide Anschlüsse sind vorzugsweise Steckkontakte, insbesondere Steckkontakte, die an einer Außenseite des Fahrzeugs an ein Ladekabel angebunden werden können. Die Ladeschaltung ermöglicht, dass der Gleichstromanschluss direkt mit einem Akkumulator des Fahrzeugs verbunden werden kann, um so ein Schnellladen zu realisieren. Ferner ist durch den Gleichspannungswandler und die Anwendung über den Umschalter möglich, dass zur Spannungsanpassung, etwa beim Beginn einer Ladephase, Leistung vom Gleichstromanschluss über den Gleichspannungswandler zur Spannungsanpassung an den Akkumulator geliefert werden kann. Die Schaltung ermöglicht neben einer kostengünstigen Abtrennung des Gleichstromanschlusses während dem Wechselstromladen auch eine Schnellladung, wobei der Gleichspannungswandler sowohl beim Gleichspannungsladen verwendet werden kann, sofern eine Spannungsanpassung erforderlich ist, als auch beim Wechselstromladen verwendet werden kann.
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Eine zweite Seite des Gleichspannungswandlers ist mit einem Akkumulatoranschluss der Ladeschaltung verbunden. An diesem Akkumulatoranschluss ist vorzugsweise auch der Gleichstromanschluss (über einen Trennschalter, jedoch ohne Spannungswandlung) angeschlossen. Die zweite Seite des Gleichspannungswandlers kann auch als Ausgang bezeichnet werden, während die erste Seite einen Eingang darstellen kann. Diese Bezeichnungen betreffen insbesondere einen Ladevorgang.
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Bei offenem Trennschalter (d.h. unterbrochene Verbindung zwischen dem Gleichstromanschluss und dem Akkumulatoranschluss) ist der Gleichstromanschluss über die Diode und den Umschalter (betreffend jeweils eines von zwei Potentialen des Gleichstromanschlusses) über den Gleichspannungswandler mit dem Akkumulatoranschluss verbunden. Der Umschalter und Dioden des Gleichrichters verhindern eine Übertragung von Spannung des Gleichstromanschlusses zum Wechselstromanschluss. Zum direkten Gleichstromladen kann der Trennschalter geschlossen sein. Beim Wechselstrom laden verhindern der Umschalter und die Diode (jeweils für eines von zwei Potentialen der Gleichstromseite des Gleichrichters), dass an dem Gleichstromanschluss ein gefährliches Potential auftreten kann. Der Trennschalter verhindert hierbei eine Übertragung von Gleichspannung vom Akkumulatoranschluss an den (nicht belegten) Gleichstromanschluss während des Wechselstromladens. Der Trennschalter ist als allpoliger Trennschalter ausgestaltet. Der Umschalter einpolig ist ausgestaltet.
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Der Gleichspannungswandlers (insbesondere dessen zweite Seite) kann direkt mit dem Akkumulatoranschluss verbunden sein. Alternativ ist ein zweite, vorzugsweise allpoliger Trennschalter vorgesehen, über den der Gleichspannungswandler (insbesondere dessen zweite Seite) mit dem Akkumulatoranschluss verbunden ist.
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Das erste Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters ist vorzugsweise ein negatives Potential, beispielsweise ein negatives Hochvoltpotential (etwa das Minuspotential). Dieses kann über den Umschalter wahlweise mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers, insbesondere einem negativen Potential dieser Seite, verbunden werden, oder kann über den Umschalter mit dem Gleichstromanschluss, insbesondere einem negativen Potential des Gleichstromanschlusses, verbunden werden. Das erste Potential ist somit ein negatives Potential, welches über den Umschalter mit einem negativen Potential der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Das zweite Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters ist hierbei vorzugsweise ein positives Potential. Dieses ist über die Diode mit einem positiven Potential des Gleichstromanschlusses verbunden. Die Kathode der Diode ist hierbei mit dem positiven Potential, das heißt dem zweiten Potential verbunden, während die Anode der Diode mit dem Gleichstromanschluss verbunden ist, insbesondere mit dessen positiven Potential. Der Gleichstromanschluss umfasst hierbei zwei Kontakte, ein Kontakt für ein positives Potential und ein Kontakt für ein negatives Potential.
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Es sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Diode das negative Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters mit dem negativen Potential des Gleichstromanschlusses verbindet, während der Umschalter mit einem positiven Potential der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist, und wahlweise ein positives Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters oder ein positives Potential der Gleichstromseite des Gleichstromanschlusses mit diesem verbindet. Die Diode ist dann entsprechend in dem anderen Potential vorgesehen und weist eine Sperrrichtung auf, die einen Fluss von Strom von der Gleichstromseite zum Gleichstromanschluss unterbindet.
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Allgemein ist die Sperrrichtung der Diode derart, dass die Diode einen Stromfluss vom Gleichrichter zum Gleichstromanschluss unterbindet, wenn an diesem keine Spannung vorliegt, und einen Strom vom Gleichstromanschluss zum Gleichspannungswandler leitet, wenn eine Ladespannung am Gleichstromanschluss anliegt. Die Dioden des Gleichrichters weisen eine Sperrwirkung auf, die einen Stromfluss von einem Potential der Gleichstromseite des Gleichrichters zum anderen Potential der Gleichstromseite unterbindet, wenn an der Gleichstromseite des Gleichrichters eine Spannung anliegt, etwa eine Ladespannung des Gleichstromanschlusses. Mit anderen Worten unterbinden die Gleichrichtelemente des Gleichrichters einen Stromfluss von einem Potential der Gleichstromseite zu Wechselstromseite, wenn Spannung an die Gleichstromseite angelegt wird bzw. wenn keine Spannung an der Wechselstromseite des Gleichrichters anliegt.
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Der Gleichrichter ist vorzugsweise nicht galvanisch trennend. Der Gleichrichter kann auch ein galvanisch trennender Gleichrichter sein, wobei die Verwendung eines galvanisch verbindenden Gleichrichters, d. h. eines nicht galvanisch trennender Gleichrichters, kostengünstiger ist. Der Gleichspannungswandler kann als galvanisch trennender bzw. galvanisch isolierender Gleichspannungswandler ausgebildet sein und somit einen Transformator aufweisen, über den die Leistung übertragen wird. Der Gleichspannungswandler kann jedoch auch ein galvanisch verbindender Gleichspannungswandler sein. Die Verwendung eines galvanisch verbindenden Gleichspannungswandlers ist kostengünstiger, jedoch erlaubt dieser keine Potentialtrennung zwischen den beiden Seiten des Wandlers.
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Die Leistungsschaltung umfasst vorzugsweise einen Zwischenkreiskondensator. Dieser ist parallel an die erste Seite des Gleichspannungswandlers angeschlossen. Der Zwischenkreiskondensator ist zwischen dem Umschalter und dem Gleichspannungswandler vorgesehen. Damit ist der Zwischenkreiskondensator unabhängig von der Schalterstellung des Umschalters mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers direkt verbunden. Der Zwischenkreiskondensator befindet sich somit auf der Seite des Gleichspannungswandlers, die dem Umschalter bzw. dem Gleichrichter zugewandt ist. Der Zwischenkreiskondensator ist insbesondere an der Stelle des Gleichspannungswandlers vorgesehen, die dem Akkumulatoranschluss abgewandt ist.
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Die Gleichstromseite des Gleichrichters kann über die Diode sowie über eine Sicherung mit dem Gleichstromanschluss verbunden sein. Die Gleichstromseite des Gleichrichters ist somit über eine Reihenschaltung mit dem Gleichstromanschluss verbunden, wobei die Reihenschaltung sich durch die Reihenschaltung von Diode und Sicherung ergibt. Vorzugsweise ist die Sicherung über die Diode mit dem Gleichrichter bzw. mit dessen Gleichstromseite verbunden. Dadurch ist die Schaltung bei einem Kurzschlussfehler der Diode abgesichert.
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Die Ladeschaltung umfasst vorzugsweise eine Steuerung. Diese ist ansteuernd mit dem Umschalter verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Wechselstromladezustand den Umschalter einzustellen, die erste Seite des Gleichspannungswandlers mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters zu verbinden. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem Gleichstromladezustand die erste Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Gleichstromanschluss zu verbinden. Der Wechselstromladezustand liegt vor, wenn an der Wechselstromseite des Gleichrichters eine ein- oder mehrphasige Spannung vorliegt (während am Gleichspannungsanschluss keine Spannung anliegt), und der Gleichstromladezustand liegt vor, wenn eine Gleichspannung, d. h. eine Ladegleichspannung am Gleichspannungsanschluss anliegt (und am Wechselspannungsanschluss keine Ladespannung anliegt).
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Die Steuerung ist vorzugsweise ansteuernd mit dem Trennschalter verbunden. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet ist, bei Vorliegen des Wechselstromladezustands den Trennschalter in offenem Zustand vorzusehen und bei Vorliegen des Gleichstromladezustands den Trennschalter in geschlossenem Zustand vorzusehen.
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Vorzugsweise sind der Wechselstromanschluss und der Gleichstromanschluss gemäß einem Standard zum konduktiven Laden von Plug-in-Fahrzeugen ausgebildet. Dieser Standard kann beispielsweise der IEC 61851, IEC 60309/CEE, SAEJ 1772, IEC 62196-2 oder EN62196 (Typ II) sein. Der Wechselstromanschluss und der Gleichstromanschluss werden vorzugsweise von Steckelementen vorgesehen, die von der Außenseite des Fahrzeugs erreichbar sind, um so einen Stecker einer Ladestation einzustecken. Der Wechselstromanschluss und der Gleichstromanschluss können auch von einer gemeinsamen Steckvorrichtung vorgesehen sein, die die Kontakte für den Wechselstromanschluss und den Gleichstromanschluss vereint, im Sinne eines Kombo-Anschlusses (CCS) oder ähnliches.
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Die Ladeschaltung kann mit einem Akkumulatoranschluss vorgesehen sein, der gleichermaßen mit dem Gleichstromanschluss und mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandler verbunden ist. Es bestehen somit (zwei) Verbindungsstellen, welche die zweite Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Akkumulatoranschluss verbinden. Die Verbindungsstelle sind auf einer Seite des Trennschalters vorgesehen, während die entgegengesetzte Seite des Trennschalters über den Umschalter mit dem ersten Potential der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Diese entgegengesetzte Seite des Trennschalters ist ferner über die Diode mit dem zweiten Potential ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. An die Verbindungsstellen ist der Akkumulatoranschluss angeschlossen, so dass sich eine zentrale Schnittstelle für den Anschluss eines Akkumulators ergibt.
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Die Ladeschaltung kann einen Akkumulator-Trennschalter aufweisen, der diesem Akkumulatoranschluss nachgeschaltet ist, um so einen Akkumulator (eines Bordnetzes) der über den Akkumulator-Trennschalter an die Ladeschaltung angeschlossen ist, abtrennen zu können. Der Akkumulatoranschluss ist zur Verbindung mit einem Akkumulator ausgestaltet und verfügt über Kontakte, die den Anschluss eines Akkumulators erlauben. Der Akkumulatoranschluss ist als Hochvolt-Akkumulatorschnittstelle ausgebildet. Die Vorsilbe „Hochvolt“-bedeutet eine Auslegung der betreffenden Komponente für eine Spannung von mehr als 60 V oder mindestens 100 V, 200 V, 400 V oder 800 V.
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Die Akkumulatorschnittstelle kann über den Umschalter mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers und über die Diode mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden sein. Hierbei ist die Akkumulatorschnittstelle über den Trennschalter mit der Diode und dem Umschalter verbunden. Ein Potentialanschluss des allpoligen (zweipoligen) Trennschalters ist mit der Diode verbunden und ein weiterer Potentialanschluss des allpoligen (zweipoligen) Trennschalters ist mit dem Umschalter verbunden.
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Die Ladeschaltung kann zudem einen weiteren Trennschalter aufweisen, über den die zweite Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Akkumulatoranschluss bzw. dem Gleichstromanschluss (d.h. mit den Verbindungsstellen) verbunden ist. Dieser weitere Trennschalter ist vorzugsweise ein allpoliger (zweipoliger) Schalter ausgebildet.
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Die Ladeschaltung kann zudem einen Bordnetzanschluss aufweisen, der sich an der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers befindet, insbesondere an der Seite des weiteren Trennschalters, die mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers (direkt) verbunden ist. Über diesen Bordnetzanschluss kann etwa beim Laden ein an die Ladeschaltung angeschlossener Bordnetzzweig mit weiteren elektrischen Komponenten angeschlossen werden, die sowohl beim Wechselstromladen als auch beim Gleichstromladen versorgt werden können. Im Falle des Wechselstromladens werden diese über den Gleichspannungswandler versorgt. Im Falle des Gleichspannungsladens können diese über den weiteren Trennschalter versorgt werden, oder können bei offenem Trennschalter ebenfalls über den Gleichspannungswandler versorgt werden.
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Das im weiteren beschriebene Bordnetz umfasst diesen, an die Ladeschaltung angeschlossenen Bordnetzzweig mit den entsprechenden Komponenten, etwa Komponenten, die beim Laden mit Strom versorgt werden, wie etwa ein Klimakompressor, ein 12-Volt-Bordnetzwandler, ein elektrisch heizbarer Katalysator, und ähnliches. Ferner kann in dem Bordnetzzweig ein elektrischer Traktionsantrieb vorgesehen sein. Wird dieser über den Akkumulatoranschluss mit Energie versorgt, dann trennt der Gleichspannungswandler der Bordnetzanschluss von der ersten Seite des Gleichspannungswandlers. In einem Traktionsmodus verbindet der Umschalter vorzugsweise den Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter und trennt den Gleichspannungswandler von dem ersten Potential des Gleichstromanschlusses.
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Ferner wird ein Bordnetz beschrieben, insbesondere ein Fahrzeugbordnetz, welches eine Ladeschaltung, wie hierin beschrieben, aufweist. Das Bordnetz umfasst ferner einen Akkumulator. Dieser ist an den Akkumulatoranschluss angeschlossen, und kann direkt oder über einen (vorzugsweise allpoligen) Akkumulator-Trennschalter der Ladeschaltung mit diesem verbunden sein. Der Akkumulator kann somit über den Trennschalter mit dem Gleichstromanschluss verbunden sein sowie mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden sein, entweder direkt oder über den weiteren Trennschalter.
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Das Bordnetz umfasst eine Ladeschaltung mit einem Wechselstromanschluss, der über einen Gleichrichter und einen in einem ersten Potential vorgesehen Umschalter mit einem Gleichspannungswandler verbunden ist. Das zweite Potential zwischen Gleichrichter und Gleichspannungswandler ist über eine Diode mit einem zweiten Potential eines Gleichspannungsanschlusses verbunden. Das erste Potential des Gleichspannungsanschlusses ist über die Diode mit dem ersten Potential zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichspannungswandler verbunden. Ein Trennschalter verbindet den Gleichspannungsanschluss (und somit die Diode und den Umschalter) mit dem Akkumulatoranschluss, an den ein Akkumulator (Teil des Bordnetzes, nicht der Ladeschaltung) angeschlossen ist. Der Umschalter verbindet ein Potential einer ersten Seite des Gleichspannungswandlers wahlweise mit einem ersten Potential der Gleichspannungsseite des Gleichrichters oder mit dem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses. Die zweite Seite des Gleichspannungswandlers ist direkt oder vorzugsweise über einen weiteren Trennschalter mit dem Akkumulatoranschluss verbunden. Die Anschlüsse, der Gleichrichter, der Wechselrichter, die Schalter und die Diode sind Teil der Ladeschaltung. Ein Akkumulator des Bordnetzes ist an den Akkumulatoranschluss verbunden. Ein Bordnetzanschluss der Ladeschaltung ist direkt mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden, wobei ein Bordnetzzweig des Bordnetzes, der nicht Teil der Ladeschaltung ist, an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Eine Steuerung schaltet zumindest den Umschalter wie oben dargestellt.
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Das Bordnetz ist mit einer Ladeschaltung ausgestattet, wie sie hierin beschrieben ist. Das Bordnetz weist einen Akkumulator aufweist, der an den Akkumulatoranschluss der Ladeschaltung angeschlossen ist. Das Bordnetz weist mindestens eine Komponente auf, die an einen Bordnetzanschluss der Ladeschaltung angeschlossen ist. Der Bordnetzanschluss ist mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers (vorzugsweise direkt) verbunden und ist über den (optionalen) weiteren Trennschalter der Ladeschaltung mit dem Akkumulatoranschluss der Ladeschaltung verbunden ist. Das Bordnetz ist vorzugsweise ein Hochvolt-Bordnetz. Das Bordnetz ist vorzugsweise ein Fahrzeugbordnetz, beispielsweise eines Fahrzeugs mit elektrischem Traktionsantrieb.
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Die 1 zeigt ein Schaltbild zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Ladeschaltung und des hier beschriebenen Bordnetzes.
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Die 1 zeigt eine Ladeschaltung LS, an die zum einen ein Akkumulator A und zum anderen eine Gleichstromquelle G sowie eine Wechselstromquelle W angeschlossen ist. Die Ladeschaltung LS umfasst eine Schnittstelle S, die einen Gleichstromanschluss GA und einen Wechselstromanschluss WA aufweist. Beide Anschlüsse sind Ladeanschlüsse. Es ist dargestellt, dass eine Wechselstromquelle W oder eine Gleichstromquelle G an die entsprechenden Anschlüsse WA, GA angeschlossen sein kann, so dass eine Kompatibilität für beide Ladearten gegeben ist.
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Die Ladeschaltung LS weist einen Gleichrichter G1 auf, der über eine Wechselstromseite WS verfügt, die mit dem Wechselstromanschluss WA (direkt) verbunden ist. An die entsprechende Gleichstromseite GS des Gleichrichters G1 ist über einen (einpoligen) Umschalter US ein Gleichspannungswandler GW der Ladeschaltung LS angeschlossen. Das erste Potential, d. h. das Minuspotential - der Gleichstromseite ist über den Umschalter US an das erste Potential - einer ersten Seite des Gleichspannungswandlers GW angeschlossen. Der Umschalter US ist eingerichtet, in einem ersten Schaltzustand 1 die erste Seite 1S des Gleichspannungswandlers GW, insbesondere dessen erstes Potential -, mit dem Gleichstromanschluss GA zu verbinden, insbesondere mit dessen ersten Potential -. Diese Schaltstellung des Umschalters US ist mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. In dieser Schaltstellung trennt der Umschalter US den Gleichspannungswandler GW von dem Gleichrichter GS (bezogen auf das erste Potential -).
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In der anderen Schaltstellung 2 des Umschalters US ist das erste Potential - der Gleichspannungsseite GS des Gleichrichters G1 mit dem ersten Potential - der ersten Seite des Gleichspannungswandlers GW verbunden. In dieser Schaltstellung trennt der Umschalter den Gleichspannungswandler GW von dem Gleichstromanschluss GA (bezogen auf das erste Potential - von GW und GA).
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Der Gleichspannungswandler GW weist eine zweite Seite 2S auf, die mit einem Bordnetzanschluss BA (direkt) verbunden ist. Ferner ist die zweite Seite 2S des Gleichspannungswandlers GW mit dem Akkumulatoranschluss (über einen weiteren Trennschalter TS2) verbunden. Die zweite Seite 2S des Gleichspannungswandlers ist (über den weiteren Trennschalter TS2) mit einem Verbindungspunkt V verbunden, an dem die zweite Seite 2S des Gleichspannungswandlers über den weiteren Trennschalter TS2 mit dem Trennschalter TS1 verbunden ist, der zu dem Gleichstromanschluss GA führt. Zudem ist dieser Verbindungspunkt V mit dem Akkumulatoranschluss AA der Ladeschaltung LS verbunden. An den Akkumulatoranschluss AA der Ladeschaltung LS ist ein Akkumulator A des dargestellten Bordnetzes angeschlossen. Die zweite Seite 2S des Gleichspannungswandlers (GW) ist somit mit dem Akkumulatoranschluss AA (über den optionalen weiteren Trennschalter TS2) verbunden, der über den Trennschalter TS1 mit dem Gleichspannungsanschluss GA verbunden ist. Der Akkumulatoranschluss ist über den Trennschalter TS1 sowie über die Diode D1 und den Umschalter US (in unterschiedlichen Potentialschienen +, - vorgesehen) mit dem Gleichrichter G1 (bzw. dessen Gleichspannungsseite GS) verbunden. Der Gleichstromanschluss GA ist direkt mit der Diode D1 sowie mit dem Umschalter US verbunden, die direkt zu der Gleichspannungsseite GS bzw. zu der ersten Seite 1S des Gleichspannungswandlers GW führen. Zwischen dem Verbindungspunkt V und dem Akkumulatoranschluss AA ein Akkumulator-Trennschalter (nicht dargestellt) vorgesehen sein, oder der Akkumulatoranschluss AA ist direkt mit dem Verbindungspunkt V verbunden.
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Der weitere Trennschalter TS2 ist optional und kann zwischen der zweiten Seite 2S des Gleichspannungswandlers GW und dem Akkumulatoranschluss (bzw. dem Trennschalter TS1) angeschlossen sein. Insbesondere ist der weitere Trennschalter TS2 zwischen dem Bordnetzanschluss BA und dem Akkumulatoranschluss AA angeschlossen. Die Trennschalter sind zweipolig ausgestaltet und trennen schaltbar beide Potentiale.
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Der Bordnetzanschluss BA ist Teil der Ladeschaltung, wobei sich weitere Komponenten (insbesondere Hochvolt-Komponenten wie ein Klimakompressor, ein 12 V-Wandler, ein Katalysator-Heizelement und insbesondere ein elektrischer Antrieb) des Bordnetzes an den Bordnetzanschluss BA anschließen können. Diese Komponenten sind jedoch nicht Teil der Ladeschaltung LS.
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Während ein erstes Potential - der Gleichspannungsseite GS des Gleichrichters G1 mit der ersten Seite 1S des Gleichspannungswandlers GW über den Umschalter US (einpolig ausgestaltet) verbunden ist, besteht für das zweite, positive Potential + eine direkte Verbindung zwischen der Gleichstromseite GS und der ersten Seite 1S. Das zweite Potential + ist über eine Diode D1 mit dem zweiten Potential + des Gleichstromanschlusses GA verbunden. Damit verbindet die Diode D1 auch das zweite Potential + der Gleichstromseite (und somit auch das zweite Potential Plus der ersten Seite 1S) über den Trennschalter TS1 mit dem Verbindungspunkt V bzw. mit dem Akkumulatoranschluss AA. Zwischen der Diode D1 und dem zweiten Potential + des Gleichstromanschlusses GA kann eine optionale Sicherung F vorgesehen sein.
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Eine Steuerung C ist ansteuernd mit dem Umschalter US verbunden (wie mit dem Pfeil dargestellt), um wahlweise die Schaltstellung 1 oder 2 des Umschalters US einzustellen. Vorzugsweise hat beim Wechselstromladen der Umschalter die Schaltstellung 2 und beim Gleichstromladen die Schaltstellung 1.
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Der Gleichrichter G1 weist ferner Dioden D2 bis DN auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Detail dargestellt sind. Der Gleichrichter G1 kann beispielsweise als Leistungsfaktorkorrekturfilter oder als BnC-Brücke vorgesehen sein, wobei n das Doppelte der Phasenanzahl des Wechselstromanschlusses WA ist. Bei einem Wechselstromladen wird der Umschalter US in der Schaltstellung 2 vorgesehen, so dass das erste Potential - der Gleichstromseite GS aufgrund des Umschalters US von dem ersten Potential - des Gleichstromanschlusses GA entkoppelt ist.
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Die Steuerung C kann ferner ansteuernd mit dem (allpolig ausgestalteten) Trennschalter TS1 verbunden sein, der sich zwischen dem Verbindungspunkt V bzw. dem Akkumulatoranschluss AA einerseits und dem Gleichstromanschluss GA andererseits befindet. Beim Wechselstrom laden steuert dann die Steuerung C den Umschalter US an, die Position 2 einzunehmen, während der Trennschalter TS1 von der Steuerung in einem offenen Schaltzustand vorgesehen wird. Das erste Potential - des Gleichstromanschlusses GA ist daher über den Umschalter US von dem ersten Potential - der Gleichstromseite GS sowie der ersten Seite 1S getrennt, und auch über den Trennschalter TS1 von dem ersten Potential - der zweiten Seite 2S des Gleichspannungswandlers getrennt. Für das zweite Potential + lässt sich beim Wechselstromladen feststellen, dass das zweite Potential Plus der Gleichstromseite GS (und somit auch der ersten Seite 1S des Gleichspannungswandlers GW) über die Diode D1 von dem zweiten Potential + des Gleichstromanschlusses GA getrennt ist. Ferner ist auch über den Trennschalter TS1 das zweite Potential + der zweiten Seite 2S des Gleichspannungswandlers GW von dem Gleichstromanschluss GA getrennt. Gleichermaßen ermöglicht jedoch die Verbindung zwischen 2S und AA einen Leistungsfluss vom Gleichspannungswandler GW zum Akkumulator A während des Wechselstromladens. Der optionale Trennschalter TS2 ist beim Wechselstromladen offen (und beim Gleichstromladen geschlossen), wobei die Steuerung C hierzu ansteuernd mit dem Trennschalter TS2 verbunden sein kann.
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Beim Gleichstromladen fließt Leistung vom Gleichstromanschluss GA über den Trennschalter TS1 (geschlossen angesteuert während dem direkten Gleichstromladen) zum Akkumulatoranschluss AA. Hierbei sperren die Dioden D2... Dn des Gleichrichters G1 jeglichen Stromfluss von der Gleichstromseite GS des Gleichrichters G1 zum Wechselstromanschluss WA. Zudem kann beim direktne Gleichstromladen der Schalter TS2 offen angesteuert sein. Ferner kann beim Spannungsanpassungs-Gleichstromladen der Trennschalter TS1 geöffnet (und der optionale Schalter TS2 geschlossen) sein, um so Leistung über den Wandler GW an den Akkumulatoranschluss AA zu übertragen. Auch hierbei ergibt sich durch die Dioden D2 ... Dn eine Sperrwirkung (für das zweite Potential), während der Umschalter US für das erste Potential - die erste Seite 1S des Wandlers GW von der Gleichstromseite GS des Gleichrichters G1 trennt. Dadurch ist auch beim Gleichstromladen (Direktladen und Spannungsanpassungs-Gleichstromladen über den Wandler GW) gesichert, dass der jeweils nicht belegte Anschluss, in diesem Fall der Anschluss WA, mit keinem der Potentiale des aktiven Ladeanschlusses (in diesem Beispiel der Ladeanschluss GA) stromleitend in Verbindung steht.
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Da der Umschalter US nur einpolig ausgebildet wird, ergibt sich ein Kostenvorteil gegenüber einer zweipoligen Ausführung des Umschalters US, auch wenn bei der einpoligen Ausführung des Umschalters US die Diode D1 notwendig ist, da diese im Vergleich zu einem mehrpoligen Umschalter US kostengünstiger ist.
