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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb sind häufig mit Hochvolt-Akkumulatoren ausgestattet, die eine für den Menschen gefährliche Spannung abgeben können. Weiterhin befinden sich Komponenten mit Energiespeichern wie Kondensatoren in derartigen Fahrzeugen, die mit der Spannung des Akkumulators bzw., gleichgerichteter Netzspannung einer Ladestation aufgeladen sein können und somit auch potentiell gefährlich für den Menschen sind.
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Zum einen besteht ein Interesse daran, eine gefährliche Berührspannung an einem Ladeanschluss zu verhindern, wenn der Anschluss nicht belegt ist. Zum anderen besteht ein Interesse daran, eine Gefahr durch hohe Berührspannungen zu vermeiden, die etwa durch nicht geschützte Kontakte oder durch Fehler bei einem Auffahrunfall auf ein ladendes Fahrzeug auftreten kann.
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Es besteht daher eine Aufgabe darin, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der ein Schutz gegen gefährliche Berührspannung realisiert werden kann, insbesondere in Hinblick auf freiliegende Kontakte oder Auffahrunfälle auf ladende Fahrzeuge und auch im Hinblick auf elektrische Speicher wie Kondensatoren, die, abgesehen vom Akkumulator, ebenso eine gefährliche Spannung tragen können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Fahrzeugladeschaltung nach Anspruch 1. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, eine Fahrzeugladeschaltung mit einer Gleichrichtereinrichtung, mindestens einem Zwischenkreiskondensator und mindestens einer Vor-/Entladeschaltung auszustatten. Die Vor-/Entladeschaltung verfügt über einen Umschalter (allgemein als „erster Umschalter“ bezeichnet), der einen Pol des Zwischenkreiskondensators wahlweise mit der Gleichrichtereinrichtung zum Vorladen verbindet oder mit dem anderen Pol des Zwischenkreiskondensators verbindet, um diesen zu entladen. Dadurch, dass ein Umschalter verwendet wird, der wahlweise den Pol des Zwischenkreiskondensators mit dem Gleichrichter oder mit dem Entladewiderstand verbindet, kann bedingt durch den Aufbau des Umschalters auch bei fehlerhafter Ansteuerung die Gleichrichterschaltung nicht mit dem Entladewiderstand verbunden sein. Dadurch wird vermieden, dass bei fehlerhafter oder verzögerter Abtrennung der Ladestation oder bei einem Fehler des Umschalters der Gleichrichter mit dem Entladewiderstand verbunden ist und so diesen dauerhaft unter Spannung setzt. Insbesondere wird vermieden, dass der Entladewiderstand dann durch die Energie des Gleichrichters, entsprechend einem dauerhaften Stromfluss, überhitzt und versagen kann.
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Der Umschalter verbindet in ansteuerfreiem Zustand den Zwischenkreiskondensator mit dem Entladewiderstand und nicht mit dem Gleichrichter, sodass bei Ausfall einer Ansteuerung ein Stromfluss ausgehend vom Gleichrichter vermieden wird. Auch dies dient zur Unterbindung eines fehlerhaften dauerhaften Stroms ausgehend von der Gleichrichtereinrichtung und ermöglicht insbesondere eine funktionale Trennung der Gleichrichtereinrichtung von den nachgeschalteten Komponenten wie dem Zwischenkreiskondensator und anderen Komponenten.
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Hierin werden beispielhaft drei verschiedene Varianten der Verschaltung des Umschalters und des Entladewiderstands dargestellt, wobei die 1 bis 3 einer ersten Variante zuzuordnen sind, die 4, 5 und 8 einer zweiten Variante angehören und die 6 und 7 zur Erläuterung einer dritten Variante dienen.
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Es wird allgemein eine Fahrzeugladeschaltung beschrieben, die eine Gleichrichtereinrichtung, mindestens einen Zwischenkreiskondensator und mindestens eine Vor-/Entladeschaltung aufweist. Die Fahrzeugladeschaltung ist insbesondere in einem Fahrzeug vorgesehen (im Sinne einer fahrzeugseitigen Fahrzeugladeschaltung), etwa in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, kann jedoch auch in einer Ladestation vorgesehen sein.
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Die Fahrzeugladeschaltung und deren Komponenten sind insbesondere für Spannungen von über 60 Volt ausgelegt, etwa für Nennspannungen von mindestens 100, 200, 400 oder 800 Volt. Die Fahrzeugladeschaltung ist insbesondere zum Laden eines Traktionsakkumulators eines Fahrzeugs vorgesehen, der gemäß einer der genannten Spannungen ausgelegt ist. An den Zwischenkreiskondensator kann sich jeweils ein Gleichspannungswandler anschließen, der etwa zu dem Akkumulator oder zu einem Akkumulatoranschluss führt.
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Die Vor-/Entladeschaltung weist mindestens einen ersten Umschalter auf, der eingerichtet ist, in einer ersten Stellung einen ersten Pol des Zwischenkreiskondensators mit einem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung zu verbinden. Dies erlaubt die direkte Verbindung, das heißt eine Verbindung ohne (strombegrenzendes) Widerstandsbauelement, zwischen Zwischenkreiskondensator und Gleichrichtereinrichtung, um einen Ladestrom zu führen. In einer zweiten Stellung verbindet der Umschalter den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators über einen Entladewiderstand mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators. Der Entladewiderstand ermöglicht dadurch einen begrenzten Stromfluss zum Zwecke der Entladung des Zwischenkreiskondensators, wenn die zweite Stellung vorliegt. Der Begriff „Entladewiderstand“ bedeutet, dass dieser zum Entladen vorgesehen ist, wobei dies jedoch andere Funktionen wie das Vorladen nicht ausschließt.
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Schließlich ist der Umschalter eingerichtet, in ansteuerfreiem Zustand die zweite Schaltposition einzunehmen. In diesem Zustand ermöglicht der erste Umschalter eine Anbindung des Zwischenkreiskondensators über den Entladewiderstand und somit den begrenzten Stromfluss zum Zwecke der Entladung des Zwischenkreiskondensators (ggf. auch zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators, vgl. dritte Variante).
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Der erste Umschalter ist vorzugsweise als elektromechanischer Umschalter ausgebildet. Dieser weist einen Mittelanschluss auf. Der Mittelanschluss ist mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden, insbesondere mit dem ersten Pol des Zwischenkreiskondensators, etwa dem Pluspol. Der Umschalter kann wahlweise mit einem ersten Kontakt oder mit einem zweiten Kontakt des Umschalters verbunden werden, wobei der Umschalter insbesondere ausgestaltet ist, dass der Mittelanschluss nicht mit beiden Kontakten gleichzeitig verbunden ist, und auch dass die beiden Kontakte des Umschalters zu keiner Zeit miteinander verbunden sein können. Der Entladewiderstand kann direkt, das heißt über eine schalterfreie Verbindung, oder indirekt, das heißt über einen weiteren, zweiten Umschalter mit dem ersten Kontakt verbunden sein. Der zweite Kontakt ist direkt, das heißt vorzugsweise schalterfrei, oder indirekt, das heißt über einen zweiten Umschalter, mit der Gleichrichtereinrichtung verbunden, insbesondere über den bereits genannten Gleichrichter. In ansteuerfreiem Zustand des Umschalters ist der Mittelanschluss mit dem zweiten Kontakt verbunden.
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In ansteuerfreiem Zustand ist der Umschalter somit in der zweiten Schaltposition. Der Umschalter ist insbesondere als Relais ausgebildet, wobei vorzugsweise in ansteuerfreiem Zustand eine Federkraft oder Ähnliches den Mittelanschluss an den zweiten Kontakt drückt und mit diesem elektrisch verbindet. Hierbei kann insbesondere ein bewegliches Kontaktelement vorgesehen sein, das elektrisch mit dem Mittelanschluss verbunden ist (unabhängig vom Zustand des Umschalters) und das abhängig vom Zustand des Umschalters mit dem ersten oder dem zweiten Kontakt verbunden ist. Dies verhindert eine Verbindung der beiden Kontakte untereinander oder eine Verbindung des Mittelanschlusses mit beiden Kontakten gleichzeitig. Der zweite Umschalter kann in der gleichen Weise wie der erste Schalter ausgebildet sein. Der zweite Umschalter ist jedoch vorzugsweise auf andere Weise in der Fahrzeugladeschaltung angebunden wie der erste Umschalter.
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Dem Zwischenkreiskondensator kann ein Gleichspannungswandler nachgeschaltet sein. Dieser Wandler ist Teil der Fahrzeugladeschaltung. Bei mehreren Zwischenkreiskondensatoren kann ein- und derselbe Gleichspannungswandler beiden Zwischenkreiskondensatoren nachgeschaltet sein. Bei mehreren Zwischenkreiskondensatoren können diese direkt seriell miteinander verbunden sein oder können über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden sein, mit der sich einstellen lässt, ob die Zwischenkreiskondensatoren seriell oder parallel miteinander verbunden sind.
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Ein weiterer Aspekt ist es, dass die Gleichrichtereinrichtung als passiver Gleichrichter, vorzugsweise jedoch als aktiver Gleichrichter und insbesondere vorzugsweise als Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC, power factor correction) ausgestaltet ist. Als Leistungsfaktorkorrekturfilter wird insbesondere eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung bezeichnet, die eingerichtet ist, aktiv die Stromform und die Phasenlage des Stromes zur Eingangsspannung zu korrigieren. Die Gleichrichterschaltung kann ein- oder mehrphasig ausgestaltet sein und kann einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, der dementsprechend ein- oder mehrphasig ausgestaltet ist. Insbesondere ist die Gleichrichtereinrichtung dreiphasig ausgestaltet, ist jedoch für den einphasigen und für den dreiphasigen Betrieb ausgelegt.
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Gemäß einer ersten Variante ist der erste Umschalter eingerichtet, in der ersten Stellung einen ersten Pol des Zwischenkreiskondensators über einen Schalter mit der Gleichrichtereinrichtung, insbesondere dessen ersten Potential, zu verbinden. Die Vor-/Entladeschaltung weist hierbei einen Vorladewiderstand auf, sowie den Schalter. Dieser Schalter ist als Öffner oder (vorzugsweise) als Schließer ausgebildet. Der Schalter ist parallel zum Vorladewiderstand angeschlossen. Ist der Schalter geschlossen, dann überbrückt dieser den Vorladewiderstand (und insbesondere nur diesen). Ist der Schalter offen, dann begrenzt der Vorladewiderstand den Stromfluss zwischen Zwischenkreiskondensator und Gleichrichter. Der Schalter oder Vorladewiderstand sind zwischen dem ersten Umschalter und der Gleichrichtereinrichtung angeschlossen und bilden vorzugsweise die einzige Verbindung zwischen dem Umschalter und dem ersten Potential (etwa dem positiven Potential) der Gleichrichtereinrichtung. Mit anderen Worten ist der erste Umschalter über die Parallelschaltung, die gebildet wird aus dem Vorladewiderstand und dem ersten Umschalter, mit dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung verbunden.
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Der Schalter ist vorzugsweise als Schließer ausgebildet und ist daher in ansteuerfreiem Zustand offen, kann jedoch auch als Öffner ausgebildet sein. Ist die Fahrzeugladeschaltung nur mit einer und nicht mehreren dieser Vor-/Entladeschaltungen ausgebildet, dann umfasst diese vorzugsweise auch nur einen Zwischenkreiskondensator. In diesem Fall ist ferner die Gleichrichtereinrichtung einphasig ausgebildet. Zudem ist auch vorzugweise vorgesehen, dass auch nur ein Gleichspannungswandler vorgesehen ist, der dem Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet ist. Der Schalter kann auch als zweiter Umschalter betrachtet werden, der in einer ersten Stellung geschlossen ist und den Vorladewiderstand überbrückt, und in einer zweiten Stellung eine Verbindung mit einem nicht weiter verbundenen Kontakt herstellt, und so offen ist. Auch der zweite Umschalter ist vorzugsweise eingerichtet, in einem steuerfreien Zustand die zweite Schaltposition einzunehmen.
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Weitere Ausführungsformen dieser ersten Variante sehen mehrere Vor-/Entladeschaltungen und mehrere Zwischenkreiskondensatoren vor, insbesondere zwei. In dieser Ausführungsform ist vorzugsweise ferner ein Neutralleiteranschluss vorgesehen, sowie zwei der Vor-/Entladeschaltungen und zwei der Zwischenkreiskondensatoren. Diese sind ausgebildet wie die vorangehend genannten einzelnen Vor-/Entladeschaltungen. Auf die Anbindung innerhalb der Fahrzeugladeschaltung wird im Weiteren Bezug genommen. Die Zwischenkreiskondensatoren sind in dieser Ausführungsform über einen Zwischenpunkt miteinander verbunden. Dieser Zwischenpunkt ist vorzugsweise mit dem Neutralleiteranschluss verbunden, wobei bei einer Gleichrichtereinrichtung, die als Vienna-Gleichrichter ausgebildet ist, diese Verbindung mit dem Neutralleiteranschluss entfallen kann oder einen Symmetrieregler aufweisen kann. Auch die Gleichrichtereinrichtung weist einen Neutralleiteranschluss auf und ist ferner vorzugsweise dreiphasig ausgebildet. Der Neutralleiteranschluss der Gleichrichtereinrichtung ist insbesondere mit dem Zwischenpunkt zwischen den beiden Zwischenkreiskondensatoren verbunden. Die beiden Vor-/Entladeschaltungen und die Zwischenkreiskondensatoren sind bezüglich des Zwischenpunkts bzw. des Neutralleiteranschlusses symmetrisch geschaltet und mit verschiedenen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung verbunden. Die erste der Vor-/Entladeschaltungen ist zwischen dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem ersten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Das erste Potential kann hierbei das positive Potential der Gleichrichtereinrichtung sein, insbesondere der Gleichspannungsseite der Gleichrichtereinrichtung. Die zweite Vor-/Entladeschaltung ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Potential der Gleichrichtereinrichtung und dem zweiten Zwischenkreiskondensator angeschlossen. Das zweite Potential ist vorzugsweise das Minuspotential der Gleichrichtereinrichtung, insbesondere der Gleichspannungsseite der Gleichrichtereinrichtung. Die Entladewiderstände der beiden Vor-/Entladeschaltungen sind vorzugsweise über den Zwischenpunkt miteinander verbunden. Somit sind beide Entladewiderstände mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Die beiden Vorladewiderstände und die dazu parallelen Schalter, das heißt die beiden Parallelschaltungen der beiden Vor-/Entladeschaltungen, sind mit unterschiedlichen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung verbunden. Es ergibt sich eine erste Parallelschaltung eines Vorladewiderstands in einer ersten Potentialverbindung zwischen dem ersten Potential und dem ersten Zwischenkreiskondensator sowie eine zweite Parallelschaltung eines Vorladewiderstands und Schalters in einer zweiten Potentialschiene, die das zweite Potential der Gleichrichtereinrichtung mit dem zweiten Zwischenkreiskondensator verbindet. Bei einer derartigen Ausführungsform ist die Gleichrichtereinrichtung dreiphasig ausgebildet, das heißt mit drei einzelnen Phasenanschlüssen und vorzugsweise auch mit einem Neutralleiteranschluss. Die Gleichrichtereinrichtung kann auch ohne Neutralleiteranschluss vorgesehen sein, wobei jedoch vorzugsweise der Zwischenpunkt mit einem Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung verbunden ist.
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In der voranstehenden Ausführungsform sind die beiden Zwischenkreiskondensatoren über einen Verbindungspunkt direkt miteinander verbunden. Eine weitere Ausführungsform sieht jedoch vor, dass diese über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden sind. Diese Konfigurationsschaltung ist vorzugsweise auch mit einem Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung verbunden, die insbesondere auch mit einem optionalen Neutralleiteranschluss der Gleichrichtereinrichtung verbunden sein kann. Die Konfigurationsschaltung verbindet die Zwischenkreiskondensatoren miteinander und ist eingerichtet zur wählbaren Parallel- oder Seriellschaltung der Zwischenkreiskondensatoren. Auch für andere Ausführungsformen und Varianten gilt, dass die Konfigurationsschaltung beispielsweise zwei Umschalter sowie zwei Dioden aufweisen kann, die über einen Diodenverbindungspunkt miteinander seriell verbunden sind. Dieser Diodenverbindungspunkt ist mit dem Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung und optional auch mit der Gleichrichtereinrichtung verbunden. Die Umschalter verbinden wahlweise die Zwischenkreiskondensatoren direkt und seriell miteinander unter Überbrückung der Dioden, oder verbinden beide Zwischenkreiskondensatoren mit einem Potential der Gleichrichtereinrichtung, sodass beide Kondensatoren parallel miteinander verschaltet sind und beide Kondensatoren parallel an die beiden Potentiale der Gleichrichtereinrichtung angeschlossen sind.
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Ist eine Konfigurationsschaltung vorgesehen, dann ist vorzugsweise auch die Gleichrichtereinrichtung dreiphasig ausgebildet. Sind mehrere Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, kann die Gleichrichtereinrichtung dreiphasig ausgebildet sein. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die Gleichrichtereinrichtung wahlweise im einphasigen oder im dreiphasigen Betriebszustand ansteuern kann, wobei diese Steuerung vorzugsweise auch mit der Konfigurationsschaltung verbunden ist. Im einphasigen Betriebszustand steuert die Steuerung vorzugsweise die Konfigurationsschaltung an, die Kondensatoren parallel miteinander zu verbinden, und steuert im dreiphasigen Zustand der Gleichrichtereinrichtung die Konfigurationsschaltung an, die Zwischenkreiskondensatoren seriell miteinander zu verbinden. Dadurch ergibt sich bei dreiphasigem Betrieb, der eine höhere Ausgangsgleichspannung der Gleichrichtereinrichtung als der einphasige Betrieb mit sich bringt, die jeweils halbe Ausgangsspannung für die einzelnen Zwischenkreiskondensatoren, während im einphasigen Betrieb durch die Parallelschaltung die Kapazität der beiden Kondensatoren addiert wird und so die im Vergleich zum dreiphasigen Betrieb höhere Welligkeit der gleichgerichteten Spannung der Gleichrichtereinrichtung besser geglättet werden kann. Dadurch, dass im seriellen Betrieb die beiden Zwischenkreiskondensatoren nur die halbe Ausgangsspannung erhalten, können diese gemäß einer geringeren Nennspannung ausgelegt werden bzw. es kann bei gleicher Nennspannungsauslegung der Kondensatoren eine höhere Eingangsspannung verwendet werden.
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Es wurde somit eine erste Ausführungsform der ersten Variante beschrieben, die nur eine einzige Vor-/Entladeschaltung und einen einzigen Zwischenkreiskondensator aufweist, wobei die Gleichrichtereinrichtung vorzugsweise einphasig ausgebildet ist. Eine zweite und dritte Ausführungsform der ersten Variante sieht mehrere Vor-/Entladeschaltungen sowie mehrere Zwischenkreiskondensatoren vor, sowie eine direkte Seriellschaltung der Kondensatoren, während eine dritte Ausführungsform der ersten Variante eine Verbindung der Zwischenkreiskondensatoren über eine Konfigurationsschaltung vorsieht, die eine Seriell- oder Parallelschaltung der Zwischenkreiskondensatoren auswählbar ermöglicht.
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Eine zweite Variante sieht vor, dass die Vor-/Entladeschaltung der Fahrzeugladeschaltung neben dem ersten Umschalter einen zweiten Umschalter hat. In der ersten Schaltstellung des ersten Umschalters ist der zweite Umschalter nicht mit dem ersten Umschalter verbunden. In der zweiten Stellung des ersten Umschalters verbindet der erste Umschalter den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators mit dem zweiten Umschalter. Der zweite Umschalter ist eingerichtet, in einer ersten Stellung den ersten Umschalter über einen Vorladewiderstand mit dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung zu verbinden, und in einer zweiten Stellung dem ersten Umschalter über den Entladewiderstand mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators zu verbinden. Mit anderen Worten sind ein Entladewiderstand sowie ein Vorladewiderstand als weiterer Widerstand vorgesehen, wobei der zweite Umschalter dazu dient, den ersten Umschalter auswählbar mit dem Vorladewiderstand oder dem Entladewiderstand zu verbinden. Mittels des zweiten Umschalters kann somit zwischen Entlademodus und Vorlademodus gewählt werden. Der erste Umschalter dient hierbei zur Auswahl, ob eine direkte Verbindung zwischen der Gleichrichtereinrichtung oder Zwischenkreiskondensator bestehen soll, oder ob eine Vor- oder Entladung stattfinden soll, und somit der Zwischenkreiskondensator über den zweiten Umschalter mit einem der beiden genannten Widerstände verbunden ist und somit keine direkte, widerstandsbauteilfreie Verbindung zwischen Zwischenkreiskondensator und erstem Potential der Gleichrichtereinrichtung bestehen. In dieser und in allen Varianten, die einen Vorladewiderstand getrennt von einem Entladewiderstand vorsehen, kann der Entladewiderstand für eine höhere Leistung als der Vorladewiderstand ausgelegt sein. Dies ermöglicht eine schnelle Entladung, die besonders sicherheitsrelevant ist, während der Vorladewiderstand mit geringerer Nenn- oder Maximalleistung ausgelegt sein kann und somit kostensparend ausgebildet sein kann.
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Eine erste Ausführungsform dieser (zweiten) Variante sieht vor, dass nur eine Vor-/Entladeschaltung und auch nur ein Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Gleichrichtereinrichtung vorzugsweise einphasig ausgebildet. Falls ein Gleichspannungswandler vorgesehen ist, so besteht vorzugsweise nur ein Gleichspannungswandler, der dem einzigen Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet ist. Im Weiteren werden Ausführungsformen dieser zweiten Variante dargestellt, bei denen mehrere Zwischenkreiskondensatoren und mehrere Vor-/Entladeschaltungen vorgesehen sind.
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Eine erste Ausführungsform der zweiten Variante sieht mehrere Zwischenkreiskondensatoren vor, die seriell verschaltet sind. Insbesondere sind zwei Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, die über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, der insbesondere mit einem Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung verbunden sein kann. Dieser Anschluss kann auch optional mit einem Neutralleiteranschluss der Gleichrichtereinrichtung verbunden sein. Die beiden Vor-/Entladeschaltungen (und die beiden Zwischenkreiskondensatoren) sind unterschiedlichen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung zugeordnet. Eine erste der Vor-/Entladeschaltungen ist zwischen dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem ersten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Eine zweite der Vor-/Entladeschaltungen ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem zweiten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Das erste Potential ist vorzugsweise das Pluspotential (=positive Potential) und das zweite Potential ist das Minuspotential (=negative Potential) der Gleichrichtereinrichtung bzw. der Gleichspannungsseite der Gleichrichtereinrichtung. Die Entladewiderstände der beiden Vor-/Entladeschaltungen sind insbesondere über den Zwischenpunkt miteinander verbunden. Die beiden Vorladewiderstände verbinden den jeweiligen zweiten Umschalter der Vor-/Entladeschaltungen mit unterschiedlichen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung. Die Fahrzeugladeschaltung ist mit Vor-/Entladeschaltungen und Zwischenkreiskondensatoren ausgestattet, die symmetrisch gegenüber dem Neutralleiteranschluss bzw. dem Verbindungspunkt zwischen den Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen sind. Bei mehreren Zwischenkreiskondensatoren weisen diese vorzugsweise die gleiche Kapazität auf und sind für vorzugsweise auch für dieselbe Spannung ausgelegt.
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Nachdem die vorangehend dargestellte zweite Ausführungsform der zweiten Variante eine feste Verbindung der Zwischenkreiskondensatoren, das heißt eine serielle Verbindung vorsieht, wird im Weiteren eine dritte Ausführungsform der zweiten Variante dargestellt, bei der eine Konfigurationsschaltung vorgesehen ist.
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In der dritten Ausführungsform der zweiten Variante ist eine Konfigurationsschaltung vorgesehen, über die die beiden Zwischenkreiskondensatoren miteinander verbunden sind. Die Konfigurationsschaltung ist eingerichtet, die Zwischenkreiskondensatoren wählbar parallel oder seriell zu verschalten. Insbesondere besteht ein Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung. Dieser ist vorzugsweise mit der Konfigurationsschaltung verbunden. Die Konfigurationsschaltung kann hierbei der vorangehend dargestellten Konfigurationsschaltung entsprechen.
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In der dritten Ausführungsform der zweiten Variante ist wie bei der zweiten Ausführungsform der zweiten Variante die erste der Vor-/Entladeschaltungen zwischen dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtungen und einem ersten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Eine zweite der Vor-/Entladeschaltungen ist zwischen dem zweiten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem zweiten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Die Entladewiderstände der beiden Vor-/Entladeschaltungen sind, über die Konfigurationsschaltung miteinander verbunden. Dies ergibt sich dadurch, dass die Zwischenkreiskondensatoren über die Konfigurationsschaltung miteinander verbunden sind und die jeweiligen Vor-/Entladeschaltungen parallel an die jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen sind. Die beiden Vorladewiderstände verbinden den jeweiligen zweiten Umschalter der Vor-/Entladeschaltungen mit unterschiedlichen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung.
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Bei der dritten Ausführungsform ist die Gleichrichtereinrichtung insbesondere für den einphasigen und den dreiphasigen Betrieb ausgelegt, wobei im einphasigen Betrieb die Konfigurationsschaltung eine Parallelschaltung vorsieht und im dreiphasigen Betrieb eine Seriellschaltung vorsieht.
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Eine dritte Variante sieht vor, dass die Vor-/Entladeschaltung bzw. jede Vor-/Entladeschaltung einen zweiten Umschalter aufweist, der über den Entladewiderstand mit dem ersten Umschalter verbunden ist. Der zweite Umschalter verbindet hierbei den Entladewiderstand wahlweise mit der Gleichrichtereinrichtung (zum Vorladen, oder mit dem Zwischenkreiskondensator) zum Entladen desselben. Der erste Umschalter ist hierbei wie bei der zweiten Variante dazu vorgesehen, wahlweise entweder eine direkte Verbindung zwischen Zwischenkreiskondensator(en) einerseits und Gleichrichtereinrichtung andererseits vorzusehen, oder einen Vor- oder Entladepfad über den zweiten Umschalter vorzusehen. Der zweite Umschalter dient hierbei zur Auswahl, ob ein- und derselbe Widerstand mit der Gleichrichtereinrichtung oder dem Zwischenkreiskondensator verbunden wird. Hierbei weist die (mindestens eine) Vor-/Entladeschaltung neben dem ersten Umschalter einen zweiten Umschalter auf. Der erste Umschalter ist eingerichtet, in der zweiten Stellung den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators über den Entladewiderstand mit dem zweiten Umschalter zu verbinden, der mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators verbunden ist. Der zweite Umschalter ist eingerichtet, in einer ersten Stellung den Entladewiderstand mit dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung zu verbinden.
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Dadurch erhält der Entladewiderstand die zusätzliche Funktion des Vorladens, wobei wie erwähnt der zweite Umschalter dazu dient, die Funktion Entladen oder Vorladen einzustellen. In der zweiten Stellung verbindet der zweite Umschalter den ersten Umschalter über den Entladewiderstand mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators. Dadurch ergibt sich eine Entladefunktion für den Zwischenkreiskondensator. Dieser kann aufgrund der Doppelfunktion auch aus Vorlade-/Entladewiderstand bezeichnet werden. Ist die Gleichrichtereinrichtung nur einphasig ausgebildet, dann wird vorzugsweise auch nur eine Vor-/Entladeschaltung vorgesehen und der (einzige) Zwischenkreiskondensator ist parallel an die beiden Potentiale der Gleichrichtereinrichtung angeschlossen.
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In weiteren Ausführungsformen ist die Fahrzeugladeschaltung mit mehreren bzw. zwei Vor-/Entladeschaltungen ausgestattet, wobei bei diesen Ausführungsformen die Gleichrichtereinrichtung vorzugsweise zum dreiphasigen Betrieb (ggf. zusätzlich zu einer einphasigen Betriebsart) ausgebildet ist.
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Eine zweite Ausführungsform der dritten Variante sieht daher vor, dass zwei Vor-/Entladeschaltungen vorliegen sowie zwei Zwischenkreiskondensatoren. Die Zwischenkreiskondensatoren sind über einen Zwischenpunkt miteinander verbunden. Dieser Zwischenpunkt kann mit einem Neutralleiteranschluss der Fahrzeugladeschaltung verbunden sein. Eine erste der Vor-/Entladeschaltungen ist zwischen dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem ersten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. An der zweiten der Vor-/Entladeschaltungen ist zwischen dem zweiten Potential der Gleichrichtereinrichtung und einem zweiten der Zwischenkreiskondensatoren angeschlossen. Die zweiten Umschalter der beiden Vor-/Entladeschaltungen sind über den Zwischenpunkt miteinander verbunden. Dies ergibt sich dadurch, dass auch die Zwischenkreiskondensatoren über einen Zwischenpunkt miteinander verbunden sind und die jeweilige Vor-/Entladeschaltung parallel an den zugehörigen Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist.
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Die beiden ersten Umschalter verbinden den jeweiligen Entladewiderstand der betreffenden Vor-/Entladeschaltung mit unterschiedlichen Potentialen der Gleichrichtereinrichtung. Dabei sind, im Gegensatz zu den einphasigen Ausführungsformen bzw. den Fahrzeugladeschaltungen mit nur einer Vor-/Entladeschaltung und nur einem Zwischenkreiskondensator in beiden Potentialschienen jeweils eine Vor-/Entladeschaltung vorgesehen, wobei die Potentialschienen die Zwischenkreiskondensatoren mit den Gleichrichtereinrichtungen verbinden.
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Eine dritte Ausführungsform der dritten Variante sieht keine starre, serielle Verbindung zwischen den Zwischenkreiskondensatoren vor, sondern eine Verbindung über eine Konfigurationsschaltung. Diese ist eingerichtet, die Zwischenkreiskondensatoren wählbar parallel oder seriell zu verschalten. Ein optionaler Neutralleiteranschluss ist mit der Konfigurationsschaltung verbunden. Auch hier wird vorzugsweise die Konfigurationsschaltung zur Parallelverbindung der Zwischenkreiskondensatoren eingestellt, wenn die Gleichrichtereinrichtung einphasig arbeitet (im einphasigen Betrieb ist), und sieht eine Seriellverschaltung zwischen den Kondensatoren vor, wenn der dreiphasige Betrieb der Gleichrichtereinrichtung vorgesehen ist.
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Ausführungsformen nach der dritten Variante erlauben die Verwendung ein- und desselben Widerstands zur Darstellung der Funktion des Ent- und Vorladens. Dies ist insbesondere möglich, da Entladephasen und Vorladephasen üblicherweise nicht unmittelbar und häufiger aufeinander folgen, sodass der Widerstand bei entsprechender Auslegung nicht überhitzt.
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Die hier erwähnten Widerstände sind vorzugsweise PTC-Widerstände und haben aufgrund ihres temperaturabhängigen Widerstandswerts einen Schutz vor Überhitzung. Tritt ein Fehler auf, erhitzt sich der PTC-Widerstand, wodurch sich der Widerstandswert erhöht und der PTC-Widerstand eine elektrische Abtrennung realisiert. Während der Abkühlzeit, die im Bereich von einigen Minuten liegen kann, ist es möglich, die Fehlerursache zu lösen. Während der Abkühlzeit kann die Ladestation elektrisch abgetrennt werden, etwa durch Trennung der Gleichrichtereinrichtung von einem Wechselstrom-Ladeanschluss der Schaltung oder durch Trennung der fahrzeugexternen Verbindung zwischen Ladestation bzw. Energiequelle der Ladestation und dem Fahrzeug.
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Ferner kann die Fahrzeugladeschaltung zur Ausführung mindestens einer der folgenden Funktionen ausgebildet sein, die der Sicherheit dienen. Insbesondere umfasst die Fahrzeugladeschaltung hierzu eine Überwachungseinheit, die zur Realisierung mindestens einer der folgenden Funktionen eingerichtet ist.
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Eine erste Funktion, insbesondere der Überwachungseinheit, ist es, eine Spannung über dem mindestens einen Zwischenkreiskondensator zu überwachen, etwa mittels eine entsprechend angeschlossenen Spannungserfassungseinrichtung, wobei ein Fehlersignal abgeben wird (insbesondere von der Überwachungseinheit), wenn eine vorgegebene Spannungsgrenze von der erfassten Spannung am Zwischenkreiskondensator überschritten wird. Die Spannungsgrenze kann hierbei die Auslegung des mindestens einen Zwischenkreiskondensators wiedergeben, gegebenenfalls einschließlich einer Sicherheitsmarge.
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Eine zweite Funktion, insbesondere der Überwachungseinheit, ist es, die vom Entladewiderstand aufgenommene Leistung zu überwachen und aus der Leistung eine sich durch die Leistung ergebende Temperaturerhöhung des Entladewiderstands zu bilden, und ein Fehlersignal abzugeben, wenn die Temperaturerhöhung über einer Grenze liegt. Eine Variante hiervon ist es, anhand der Leistung, gegebenenfalls bezogen auf die Dauer einer zugehörigen Zeitspanne, die Temperaturerhöhung festzustellen. Das Fehlersignal kann abgegeben werden, wenn die Temperaturerhöhung eine Grenze überschreitet, wenn die aus der Temperaturerhöhung abgeleitete Temperatur eine Grenze überschreitet, die sich an der Temperaturauslegung des Entladewiderstands orientieren kann und ggf. eine Umgebungstemperatur des Entladewiderstands berücksichtigt, oder wenn die Temperaturerhöhung innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer über einer vorgegebenen Grenze liegt.
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Eine dritte Funktion, insbesondere der Überwachungseinheit, ist es, zu ermitteln, ob ein vollständiges Entladen des mindestens einen Zwischenkreiskondensator nicht oder nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne möglich ist. Die Fahrzeugladeschaltung und insbesondere die Überwachungseinheit eingerichtet, den mindestens einen Zwischenkreiskondensator erneut zu laden, falls dies zutrifft.
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Eine vierte Funktion, insbesondere der Überwachungseinheit, ist es ein Fehlersignal auszugeben, wenn eine vollständige Entladung länger als eine vorgegebene Zeitspanne beansprucht.
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Als vollständiges Entladen wird die Entladung um eine vorgegebene Energiedifferenz bezeichnet, etwa die Entladung um 80% oder 90% oder 95% der nominellen Gesamtkapazität des mindestens einen Zwischenkreiskondensators. Alternativ wird als vollständiges Entladen die Entladung auf einen Spannungswert oder darunter bezeichnet, der unter einer Sicherheitsgrenze liegt, etwa auf einen Spannungswert von weniger als 60 V, von 40 V, 20 V oder 5V, oder darunter.
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Von diesen Funktionen ist eine, sind mehrere oder alle in der Fahrzeugladeschaltung implementiert, insbesondere im Wesentlichen in der Überwachungseinheit. Diese kann mit der Steuerung integriert sein oder durch die gleiche Hardware realisiert sein, oder mit dieser in Datenaustausch stehen (direkt oder indirekt). Es ist möglich, dass diese Funktionen allgemein in einer Fahrzeugladeschaltung - etwa in Form einer Überwachungseinheit - implementiert ist, die mindestens einen Zwischenkreiskondensator und mindestens einen Entladewiderstand aufweist und die nicht notwendigerweise die Merkmale der hier beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
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In den 1 bis 8 sind beispielhaft Fahrzeugladeschaltungen dargestellt, die zum Verständnis der hier dargestellten Realisierungsmöglichkeiten, Varianten und Ausführungsformen dienen sollen.
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Die 1 bis 3 stellen Beispiele für die erste Variante dar, bei der 1 eine Fahrzeugladeschaltung mit einer einzelnen Vor-/Entladeschaltung darstellt. Die 2 und 3 zeigen Ausführungsformen mit mehreren Vor-/Entladeschaltungen wobei bei der 2 die zugehörigen Zwischenkreiskondensatoren direkt verbunden sind und die 3 die Zwischenkreiskondensatoren über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden sind.
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Weitere Beispiele, die der zweiten Variante zugeordnet werden können, sind in den 8, 5 und 4 dargestellt, wobei die 8 eine Fahrzeugladeschaltung mit einer einzelnen Vor-/Entladeschaltung darstellt und die 5 und 4 beispielhafte Ladeschaltungen mit mehreren Vor-/Entladeschaltungen. Hierbei sind in der 5 die Zwischenkreiskondensatoren direkt miteinander verbunden, während in 4 die Zwischenkreiskondensatoren mittels einer Konfigurationsschaltung verbunden sind.
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Die 6 und 7 dienen zur Erläuterung von Ausführungsformen, die der dritten Variante zugeordnet werden können. In den 6 und 7 sind Fahrzeugladeschaltungen dargestellt, die mehrere Zwischenkreiskondensatoren aufweisen. In der 6 sind diese über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden und in 7 sind die Zwischenkreiskondensatoren direkt miteinander verbunden.
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Komponenten, die mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, sind vergleichbar und sind insbesondere gleichartig ausgeführt. Mit den Pfeilen r und g sind Stromflüsse dargestellt, wobei mit g ein Vorladestromfluss dargestellt ist und mit rein Entladestromfluss. Diese dienen zur Erläuterung der Funktion des Vor-/Entladens.
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In einigen Figuren ist ein Gleichspannungswandler W dargestellt, der den Zwischenkreiskondensatoren nachgeschaltet ist. Dieser ist optional und kann auch in Ausführungsformen von Figuren vorhanden sein, die den Wandler nicht explizit darstellen. Anstatt des Gleichspannungswandlers W können auch Akkumulatoranschlüsse oder Bordnetzzweiganschlüsse vorgesehen sein, die zum Anschluss an einen Akkumulator oder an einen Bordnetzzweig (ggf. mit Akkumulator) dienen.
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Die 1 zeigt eine Fahrzeugladeschaltung mit einer Gleichrichtereinrichtung, die als Leistungsfaktorkorrekturfilter (power factor correction) PFC ausgebildet ist. Die Gleichrichtereinrichtung PFC ist einphasig ausgebildet („1ph“) und hat einen ersten Phaseneingang L1 sowie einen Neutralleitereingang N. Bei der Verwendung von zwei Phasen zur Versorgung der Gleichrichtereinrichtung PFC kann an den unteren Eingang auch ein zweites Phasensignal L2 angelegt werden. Die Eingänge L1 bzw. L2/N sind somit Wechselspannungseingänge. Auf der hierzu entgegengesetzten Seite der Gleichrichtereinrichtung befindet sich eine Gleichspannungsseite mit einem ersten Potential + und einem zweiten Potential -. Über eine im Weiteren näher erläuterte Vor-/Entladeschaltung ist ein Zwischenkreiskondensator C angeschlossen, der sich wiederum ein galvanisch trennender Gleichspannungswandler W anschließt. Die vom Zwischenkreiskondensator C abgewandte Seite des Gleichspannungswandlers W weist zwei Gleichspannungsanschlüsse HV+, HV- auf.
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In der 1 besteht ein (erster) Umschalter S2, der einen ersten Pol + des Zwischenkreiskondensators C wahlweise mit einem Entladewiderstand PTC2 verbindet oder mit einer Parallelschaltung aus einem Schalter S1 und einem Vorladewiderstand PTC1. In nicht angesteuertem Zustand ist der erste Umschalter S2 in der Stellung NC und verbindet den ersten Pol + des Zwischenkreiskondensators C mit dem Entladewiderstand PTC2. Zur direkten Ladung ist der Umschalter S2 in der ersten Schaltung LO und verbindet den ersten Pol + des Zwischenkreiskondensators C mit dem Vorladewiderstand PTC1 sowie dem ersten Schalter S1. Ist der Schalter S1 offen, Stellung NC, dann kann eine Vorladung durchgeführt werden. Wird der Schalter S1 geschlossen, Stellung NO, dann ist der Vorladewiderstand PTC1 überbrückt und die Gleichrichtereinrichtung PFC, bzw. dessen erstes Potential +, ist über den Schalter S1 und den Umschalter S2 direkt mit dem Zwischenkreiskondensator C verbunden. Beim Entladen ist der Umschalter S2 in der zweiten Stellung, wobei in dieser Stellung das erste Potential + der Gleichrichtereinrichtung PFC von durch den Umschalter S2 von dem ersten Pol + des Zwischenkreiskondensators C getrennt ist. Ein dauerhafter Stromfluss bei fehlerhafter Ansteuerung ausgehend von der Gleichrichtereinrichtung PFC durch den Entladewiderstand PTC2 hindurch wird somit ausgeschlossen.
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Die 1 ist eine einphasige Fahrzeugladeschaltung, bei der typischerweise am Zwischenkreiskondensator C eine Spannung von 400 Volt auftritt. Weitere Ausführungsformen (2 bis 7) zeigen dreiphasige Ausführungen, bei denen an den Potentialen +, - der Gleichrichtereinrichtungen PFC höhere Spannungen vorliegen.
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Die 2 zeigt eine mehrphasige Fahrzeugladeschaltung (dreiphasig) mit einer dreiphasigen Gleichrichtereinrichtung, die drei Phasenanschlüsse L1 bis L3 und einen Neutralleiteranschluss N. Dieser ist optional und daher mit einem Stern versehen, sowie aus diesem Grund über eine gestrichelte Linie mit den Entladeschaltungen verbunden.
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Die Schaltung der 2 weist zwei Entladeschaltungen auf, wobei diese symmetrisch zu einem Verbindungspunkt zwischen den zwei Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 aufgebaut sind. Somit ist in jeder Potentialschiene +, - (angeschlossen an die betreffenden Potentiale), mit der die Gleichrichtereinrichtung PFC mit den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 verbunden ist, eine Vor-/Entladeschaltung vorgesehen. Beide Vor-/Entladeschaltungen sind jeweils aufgebaut wie die in 1 dargestellte Vor-/Entladeschaltung. Die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 sind über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden. Im Gegensatz zum Entladewiderstand PTC2 der 1, der mit zwischen dem ersten Umschalter S2 und dem zweiten Potential vorliegt, sind die Entladewiderstände PTC2 der 2 zwischen den jeweiligen ersten Umschaltern S2 und dem Verbindungspunkt zwischen den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 angeschlossen. Das Potential des Zwischenpunkts tritt somit an die Stelle des Potentials, mit dem in der 1 der Entladewiderstand direkt verbunden ist.
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In der 2 ist der Verbindungspunkt ferner mit dem Neutralleiteranschluss N verbunden. Aufgrund der Mehrphasigkeit erzeugt die Gleichrichtereinrichtung PFC (dreiphasig, 3ph) eine höhere Ausgangsspannung an den beiden Potentialen +, -, so dass an jedem der in Reihe geschalteten Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 eine Spannung von 400 Volt abfallen kann.
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Sind die Schalter S1 offen und der Umschalter S2 in der Stellung NO, dann wird über die Widerstände PTC1 ein Vorladestrom geführt. Zum darauffolgenden Laden sind die Schalter S1 geschlossen (Stellung NC) und der Umschalter S2 befindet sich in der Stellung NO. Dadurch ergibt sich eine direkte Verbindung zwischen Gleichrichtereinrichtung PFC und den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2.
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Als direkte Verbindung wird insbesondere eine Verbindung bezeichnet, die kein Widerstandsbauteil aufweist, das den Stromfluss merklich reduziert. Ein Shunt-Widerstand (etwa mit einem Wert von < 1 Ohm oder < 10 mOhm) fällt nicht unter dieser Formulierung.
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Die 3 zeigt eine Schaltung ähnlich wie die der 2. Im Unterschied zur 2 sind die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 nicht direkt, sondern über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden. Diese weist im dargestellten Beispiel eine Seriellschaltung von zwei Dioden D auf, deren Verbindungspunkt mit dem Neutralleiter N verbunden ist. Dies erlaubt eine Ableitung von asymmetrischen Drehstromkomponenten zum Neutralleiter hin. Die Konfigurationsschaltung weist ferner zwei Schalter S3 auf. Für jeden Schalter S3 gilt, dass dieser an einen Pol eines der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 angeschlossen ist, der nicht direkt mit einem der Umschalter S2 verbunden ist. Jeder der Umschalter S3 kann wahlweise diesen Pol mit dem gegenüberliegenden Potential der Gleichrichtereinrichtung +, -, verbinden (bei Parallelschaltung der Zwischenkreiskondensatoren), oder kann, wie dargestellt, die beiden genannten Pole der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 miteinander verbinden, unter Umgehung der Dioden N. Es sind jedoch auch allgemein andere Konfigurationsschaltungen denkbar, etwa Konfigurationsschaltungen mit zwei ersten Schaltern, die die beiden Zwischenkreiskondensatoren parallel an die Potentiale +, -, anschließt und einen dritten Schalter, der in geschlossenem Zustand die beiden Zwischenkreiskondensatoren seriell verbindet. Anstatt des genannten Schalters kann auch eine Diode verwendet werden. Die dargestellte Ausführungsform sieht vor, dass die Konfigurationsschaltung die Zwischenkreiskondensatoren mit den Potentialen +, - der Gleichrichtereinrichtung PFC verbindet (und nicht mit den Potentialen der Zwischenkreiskondensatoren, d. h. den Potentialen, an die der jeweilige Mittenanschluss des ersten Umschalters S2 angeschlossen ist).
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Die 4 und 5 zeigen eine weitere (zweite) Variante von Vor-/Entladeschaltungen, bei der ein erster Umschalter das erste Potential (ggf. auch das zweite Potential) mit dem Zwischenkreiskondensator bzw. dem zugehörigen von mehreren Zwischenkreiskondensatoren verbindet. Der zugehörige Zwischenkreiskondensator kann durch den ersten Umschalter (hier: S1) wahlweise mit den zugehörigen ersten Potential + (oder auch zweiten Potential -) verbunden werden, entsprechend einer ersten Stellung NO, und in einer zweiten Stellung NC mit einem zweiten Umschalter S2. Der zweite Umschalter S2 jeder Vor-Entladeschaltung verbindet den ersten Umschalter S1 wahlweise über einen Vorladewiderstand PTC1 mit dem Potential der Gleichrichtereinrichtung, an das auch der erste Umschalter S1 angeschlossen ist, entsprechend einer Stellung NO, oder in einer Stellung NC mit einem Entladewiderstand PTC2, der zu den Potential führt, welches dem mit dem Umschalter S1 direkt verbundenen Potential der Gleichrichtereinrichtung entgegengesetzt ist. Dies lässt sich gut anhand der einphasigen Ausführung der 8 erkennen.
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In den 4 und 5 ist jeweils eine beispielhafte Ladeschaltung dargestellt, die das in 8 dargestellte Prinzip verwendet. Die 8 zeigt hierbei eine Ladeschaltung mit nur einer Vor-/Entladeschaltung und einem Zwischenkreiskondensator C, während die 4 und 5 eine symmetrische Spannungsversorgung darstellen, wobei die dargestellte Fahrzeugladeschaltung zwei Vor-/Entladeschaltungen und zwei Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 aufweist. Das in 8 dargestellte Prinzip ist es, ausgehend von der Gleichrichtereinrichtung PFC über den ersten Umschalter S1 den Zwischenkreiskondensator C anzuschließen. In der 8 ist die Gleichrichtereinrichtung PFC nur einphasig („1ph“) dargestellt und hat einen Neutralleitereingang N sowie einen Phaseneingang, im Gegensatz zu dem Gleichrichtereinrichtung der 4 und 5, die zum dreiphasigen Betrieb („3ph“) ausgebildet sind. In einer ersten Stellung NO des Umschalters S1 ist der Zwischenkreiskondensator C direkt an die zwei Potentiale +, - der Gleichrichtereinrichtung PFC angeschlossen. In der zweiten Stellung NC des ersten Umschalters S1 ist der Zwischenkreiskondensator über den ersten Umschalter S1 mit dem zweiten Umschalter S2 verbunden, der in einer ersten Stellung NO den ersten Umschalter S1 über einen Vorladewiderstand PTC1 mit dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung verbindet, und in einer zweiten Stellung NC den ersten Umschalter S1 über den Entladewiderstand mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators C verbindet. Hierbei wird über den zweiten Umschalter S2 der erste Pol des Kondensators C über den Entladewiderstand PTC2 in der Stellung NC mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators verbunden. Es ergibt sich der Entladestrompfad r. Der Vorladestrompfad g ergibt sich, wenn der erste Pol des Zwischenkreiskondensators über den ersten Umschalter (Stellung NC) und den zweiten Umschalter (Stellung NO) über den Vorladewiderstand PTC1 mit dem ersten Pol der Gleichrichtereinrichtung verbunden ist. Befindet sich der erste Umschalter S1 in der Stellung NO, dann ist der Widerstand PTC1 sowie auch der zweite Umschalter überbrückt und es ergibt sich ein direkter Pfad von der Gleichrichtereinrichtung PFC zum Zwischenkreiskondensator C.
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Dies wird in der 4 in beiden Vor-/Entladeschaltungen angewandt. In der 4 sind die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 über eine Konfigurationsschaltung miteinander verbunden. Diese weist zwei Dioden D und zwei Umschalter S3 auf, die zusammen eingerichtet sind, wahlweise die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 parallel oder seriell miteinander zu verbinden. Befinden sich in der 4 die ersten Umschalter S1 in der Stellung NO, ergibt sich eine direkte Verbindung zwischen Gleichrichtereinrichtung PFC und Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 (die über die Konfigurationsschaltung miteinander verbunden sind). Befinden sich die ersten Umschalter S1 in der Schaltstellung NC, kann durch die zweiten Umschalter S2 gewählt werden, ob der erste Pol des Zwischenkreiskondensators (für C1 ist dies + und für C2 ist dies aufgrund der Symmetrie der Minuspol -) wenn die ersten Umschalter mit dem Vorladewiderstand PTC1 oder mit dem Entladewiderstand PTC2 verbunden wird. Über die Widerstände PTC2 wird der erste Pol (siehe Bezugszeichen + bei C1) des jeweiligen Zwischenkreiskondensators C1, C2 mit dem zweiten Pol (siehe Bezugszeichen + für C2) verbunden, sofern sich die Umschalter S2 in der Stellung NC befinden. In der Stellung NO der zweiten Umschalter S2 ergibt sich eine Verbindung der ersten Pole der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 mit dem jeweiligen Potential +, - der Gleichrichtereinrichtung PFC, an die die jeweilige Vor-/Entladeschaltung angeschlossen ist.
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Ein Neutralleiteranschluss N ist an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden D und an den Verbindungspunkt Umschalter S2 angeschlossen, wobei diese Verbindungspunkte miteinander verbunden sind. Optional kann an den Verbindungspunkten bzw. an den dargestellten Anschluss N ein Neutralleiter der Gleichrichtereinrichtung PFC angeschlossen werden, wobei dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. In der 4 sind mit dem Bezugszeichen r Strompfade zur Entladung dargestellt und mit dem Bezugszeichen g ein beispielhafter Vorladepfad über den Widerstand PTC1.
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Die 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Fahrzeugentladeschaltung mit zwei Vor-/Entladeschaltungen, die nach dem Prinzip der Vor-/Entladeschaltung der 8 bzw. gemäß dem Prinzip der 4 arbeiten. Auch hier sind zwei Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 vorgesehen, die jedoch im Gegensatz zur 4 direkt miteinander verbunden sind. Der betreffende Verbindungspunkt ist mit dem Neutralleiter N verbunden. Auch hier kann optional der Verbindungspunkt zwischen den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 mit einem Neutralleiter N der Gleichrichtereinrichtung (bzw. der Fahrzeugladeschaltung) verbunden sein. Ansonsten entsprechen die Entladeschaltungen den Entladeschaltungen der 4. Es sind auch hier Entladepfade r sowie Vorladepfade g dargestellt.
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Bei Ausführungsformen, die etwa in den 4, 5 und 8 beispielhaft dargestellt sind, ist es möglich, dass nur der erste Umschalter S1 dazu ausgelegt ist, den Ladestrom (d.h. den Laststrom, der beim Laden auftritt) zu tragen. Da der oder die Umschalter S2 entweder nur ein Vorladestrom oder nur einen Entladestrom führen müssen, können diese mit einer geringen Strombelastbarkeit ausgelegt werden. Somit sind die Schalter S1 mit einer höheren Strombelastbarkeit A1 ausgelegt als die Strombelastbarkeit A2 der zweiten Umschalter S2. Beispielsweise kann, etwa im Hinblick auf die Beispiele der 4, 5 und 8 der mindestens eine erste Umschalter mit einer Nenn-Strombelastbarkeit A1 oder einer Maximal-Strombelastbarkeit ausgelegt sein, die doppelt so groß ist, oder mindestens um den Faktor 4, 10 oder 20 größer ist als die Nenn- oder Maximal-Strombelastbarkeit A2 der zweiten Umschalter S2.
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Schließlich werden anhand der 6 und 7 weitere beispielhafte Ausführungsformen erläutert, die sich an der dritten Variante orientieren. Betrachtet man in den 6 und 7 nur eine der beiden Vor-/Entladeschaltungen, etwa, dann ist dort der jeweilige Zwischenkreiskondensator C1 oder C2 über den ersten Umschalter S1 mit dem ersten Potential der Gleichrichtereinrichtung + oder - verbunden. Dies betrifft die erste Stellung NO des ersten Umschalters S1. In einer zweiten Stellung NC des Umschalters S1 ist der erste Pol des Zwischenkreiskondensators (der bei der Schaltstellung NO von S1 mit der Gleichrichtereinrichtung verbunden ist) mit dem Widerstand PTC verbunden, der wiederum zu dem zweiten Umschalter S2 führt. Mittels des zweiten Umschalters kann der Widerstand PTC entweder mit der Gleichrichtereinrichtung PFC oder mit dem Zwischenkreiskondensator C1, C2 verbunden werden, je nachdem, ob eine Vorladung oder eine Entladung gewünscht ist. Auch hier kann der zweite Umschalter S2 mit einer geringeren Strombelastbarkeit als der erste Umschalter S1 ausgelegt sein, da dieser Umschalter S2 nur Vor- und Entladeströme, jedoch keine Ladeströme (d.h. Lastströme des Ladevorgangs oder eines Rückspeisevorgangs) führen muss. Ferner sei bemerkt, dass nur ein Widerstand PTC erforderlich ist, der je nach Schaltstellung des Umschalters S2 ein Widerstand mit Vorladefunktion oder ein Widerstand mit Entladefunktion ist.
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In der 6 sind zwei dieser Vor-/Entladeschaltungen dargestellt, wobei jeweils eine in einer Stromschiene + bzw. - vorhanden ist, wobei die Stromschienen die Verbindungen zwischen den Gleichrichtereinrichtung und den Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 sind. Die Konfigurationsschaltung, mittels der in der 6 die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 miteinander parallel oder seriell verbindbar sind, ist bereits oben beschrieben. Zusammengefasst weist die Konfigurationsschaltung der 6 wie die anderen Konfigurationsschaltungen zwei Dioden D auf, die in Serie geschaltet sind, wobei der betreffende Verbindungspunkt mit dem Neutralleiteranschluss N verbunden ist, während die beiden Umschalter S3 eine wählbare Verbindung derart herstellen, dass die Kondensatoren C1, C2 entweder parallel oder seriell miteinander verbunden sind. Bei serieller Verbindung schließen die Umschalter S3 die Dioden D kurz bzw. überbrücken diese. Eine Verbindung des dargestellten Neutralleiteranschlusses N mit einem Neutralleiteranschluss der Gleichrichtereinrichtung PFC ist optional möglich, wobei dies für die 6 sowie die 7 gilt.
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Die 7 zeigt eine vergleichbare Fahrzeugladeschaltung, wobei jedoch im Gegensatz zur 6 keine Konfigurationsschaltung, sondern eine direkte Verbindung die beiden Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 miteinander verbindet. Ansonsten ergeben sich wie in der 6 auch in der 7 die gewünschten Entladepfade r sowie die gewünschten Vorladepfade g.
