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Zur Erreichung von hohen Traktionsleistungen werden Fahrzeuge mit elektrischem Traktionsantrieb (Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge) mit Akkumulatoren und Antrieben ausgestattet, die eine hohe Nennspannung aufweisen, etwa mindestens 400 V oder mindestens 800 V. Zum Laden eines Akkumulators mittels einer Ladestation werden ebenso hohe Spannungen verwendet. Diese hohen Spannungen bilden potentiell eine hohe Berührspannung, wobei nicht nur die Spannung des Akkumulators, sondern auch die Spannung von Filter- bzw. Zwischenkreiskondensatoren (Cy- und Cx-Kondensatoren) im Fahrzeugbordnetz zu potentiell gefährlichen Berührspannungen führen können, wenn ein Fehler auftritt. Derartige Berührspannungen und auch Kurzschlüsse in Bordnetzabschnitten mit hoher Nennspannung können durch fehlerhafte Ansteuerungen oder durch Fehler von Schaltern auftreten, wobei letztere beispielsweise auch im Stehen durch einen Auffahrunfall auch ein gerade ladendes Fahrzeug ausgelöst werden können. Insbesondere bezieht sich dies auf Schalter, die zur Steuerung von Entlade- oder Vorladevorgängen verwendet werden, mittels denen die Vorladung von Kondensatoren im Fahrzeugbordnetz zur Vorbereitung auf eine Ladephase oder die Entladung von Kondensatoren zur Vorbereitung auf eine Ruhephase gesteuert wird.
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Die Druckschrift
EP 2 523 332 A1 beschreibt einen Frequenzumrichter mit einer Seriellschaltung aus einem Vorladewiderstand und einem Thyristor, wobei diese Seriellschaltung parallel zu einem weiteren Thyristor angeschlossen ist. Dieser zur Vorladung dienende Seriellschaltung ist ein Gleichrichter in Form einer Einspeiseeinheit vorgeschaltet, an deren Eingang sich netzseitige Drosseln vorgeschaltet.
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Die Druckschrift
DE 11 2017 008 212 T5 beschreibt eine Stromversorgungsvorrichtung mit Vorladeschaltung, die betrieben wird, bevor eine Batterie an einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebs angeschlossen wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2020 100 380 A1 beschreibt eine Lade- und Entladelösung für den Zwischenkreiskondensator eines Wechselrichters, wobei zum Laden ein Schalter über einen Widerstand eine Verbindung zwischen Spannungsquelle und Zwischenkreiskondensator in einer ersten Stromschiene herstellt und zum Entladen dieser Widerstand über einen weiteren Schalter mit einer zweiten Stromschiene verbunden werden kann, deren Polarität entgegengesetzt ist zur Polarität der ersten Stromschiene.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Gefahren durch Kurzschlüsse oder hohe Berührspannungen mit hoher Verlässlichkeit vermeiden lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Es wird eine Fahrzeugladeschaltung vorgeschlagen, bei der eine Vorladediode und ein Strombegrenzungswiderstand als Reihenschaltung (in einer ersten Potentialschiene) verbunden sind. Durch die Vorladediode, die eingerichtet ist, nur beim Vorladen zu leiten, wird ein Kurzschluss zwischen Potentialen im Bordnetz auch bei Störungen der Schaltung vermieden. Insbesondere wird selbst dann ein Kurzschluss vermieden, wenn der Vorladewiderstand aufgrund eines Fehlers mit dem gegenüberliegenden Potential (der anderen Potentialschiene) in Kontakt kommt, etwa durch Kurzschlussbrücken oder bei einem Schaltfehler eines Schalters, der den Strombegrenzungswiderstand mit dem gegenüberliegenden Potential verbindet. Daher kann der Strombegrenzungswiderstand nicht nur zum Vorladen, sondern auch zum Entladen verwendet werden, indem dieser über einen Entladeschalter mit dem Potential verbunden ist, das demjenigen Potential entgegengesetzt ist, an welches der Strombegrenzungswiderstand und die Vorladediode angeschlossen ist. Hierbei ist durch die Vorladediode die Gefahr eines Kurzschlusses bei einer nicht beabsichtigten Verbindung eines Punktes der Reihenschaltung mit dem gegenüberliegenden Potential stark verringert. Da diese Vorladediode ferner nur in den Vorladephasen Strom trägt und auch ansonsten nicht auf bewegliche Teile oder korrekte Ansteuerung angewiesen ist, ist deren Ausfallwahrscheinlichkeit sehr gering.
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Es wird eine Fahrzeugladeschaltung mit einer Eingangsstufe vorgeschlagen, die über eine Vorladeschaltung der Fahrzeugladeschaltung mit einer Zwischenkreisschaltung verbunden ist. Die Fahrzeugladeschaltung ist vorzugsweise fahrzeugseitig vorgesehen, kann jedoch auch ladestationsseitig vorgesehen sein. Die Eingangsstufe weist insbesondere eine Steckschnittstelle auf, die von außerhalb des Fahrzeugs zugänglich ist, etwa in Form einer Ladebuchse, die vorzugsweise gemäß einem Standard zum leitungsgebundenen Laden (Plug-In-Laden) ausgebildet ist. Die Fahrzeugladeschaltung kann für das Wechselstrom laden ausgestaltet sein, wobei die Eingangsstufe die Funktion einer Gleichrichtung realisiert, gegebenenfalls kombiniert mit einer Gleichspannungswandlungsfunktion. Die Fahrzeugladestation kann jedoch auch zum Gleichstromladen ausgestaltet sein, und weist optional eine Gleichspannungswandlungsfunktion auf. Die Fahrzeugladestation ist zur Hochvoltladung ausgestaltet, d.h. für Betriebsspannungen von mehr als 60 V oder von mindestens 200 V, 400 V oder 800 V. Die Zwischenkreisschaltung weist ferner mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf. Die Vorladeschaltung ist insbesondere zum Vorladen dieses mindestens einen Kondensators ausgestaltet. Die Vorsilbe „Vorlade-“ definiert hier lediglich, dass die betreffende Komponente zur Vorladung (der Zwischenkreisschaltung) verwendet wird und somit eine Funktion des Vorladens realisiert. Dies schließt jedoch nicht auch die Verwendung für andere Zwecke aus, insbesondere für das Entladen.
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Die Vorladeschaltung weist einen Ladeschalter auf, der auch als erster Ladeschalter bezeichnet werden kann. Der Ladeschalter kann als Halbleiterschalter oder als elektromechanischer Schalter ausgebildet sein. Der Ladeschalter ist ausgestaltet, den Ladestrom zu tragen und/oder zu schalten. Über den Ladeschalter ist ein erstes Gleichspannungspotential der Eingangsstufe schaltbar mit einem ersten Gleichspannungspotential der Zwischenkreisschaltung verbunden ist. Eine erste Potentialschiene verbindet die Eingangsstufe mit der Zwischenkreisschaltung. Dieser Potentialschiene sind die ersten Gleichspannungspotentiale zugeordnet. Der Ladeschalter ist in dieser Potentialschiene als Serienschalter vorgesehen. Neben einem Ladeschalter in dieser Potentialschiene kann ein weiterer Ladeschalter in einer zweiten Potentialschiene (etwa als negative Potentialschiene ausgebildet) vorgesehen sein. Die ersten Gleichspannungspotentiale (kurz: Potentiale) sind vorzugsweise positive Potentiale. Mit dem Ladeschalter ist die Vorladeschaltung in der Lage, gesteuert die Eingangsstufe mit der Zwischenkreisstufe zu verbinden, um so beim Laden einen Leistungsfluss von der Eingangsstufe an die Zwischenkreisstufe (ohne widerstandsbasierte Strombegrenzung) zu ermöglichen.
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Die Vorladeschaltung verfügt ferner wie erwähnt über einen Strombegrenzungswiderstand und eine Vorladediode. Diese sind in einer Reihenschaltung über einen Vorlade-Verbindungspunkt miteinander verbunden, wobei diese Reihenschaltung parallel an den Ladeschalter angeschlossen ist. Die Enden der Reihenschaltung sind somit beidseits mit dem Ladeschalter verbunden. Vorzugsweise ist eingangsstufenseitige Ende der Reihenschaltung mit dem Strombegrenzungswiderstand (kurz: Widerstand) verbunden, der über den Vorlade-Verbindungspunkt zur Vorladediode führt, welche wiederum mit dem zwischenkreisstufenseitigen Ende der Reihenschaltung verbunden ist. Der Vorlade-Verbindungspunkt besteht aufgrund der Notwendigkeit, die beiden Bauteile, die den Widerstand und die Vorladediode realisieren, miteinander zu verbunden. Wie erwähnt entsteht aufgrund der Vorladediode kein Kurzschluss zwischen den Potentialen der Zwischenkreisstufe, selbst wenn durch einen Fehler der Vorlade-Verbindungspunkt mit dem gegenüberliegenden Potential verbunden wird. Der Begriff „Vorlade-Verbindungspunkt“ ergibt sich dadurch, dass dieser Verbindungspunkt Teil der Vorladeschaltung ist. Die Vorladediode ist vorzugsweise als Diodenbauelement ausgebildet, kann jedoch auch als ein Transistorbauelement realisiert sein, welches von außen nicht angesteuert wird und einen Diodenübergang aufweist, der als Diode im Sinne der Vorladediode verwendet wird.
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Vorzugsweise weist die Vorladeschaltung auch einen Entladeschalter auf. Mittels diesem (und dem Strombegrenzungswiderstand) kann eine Entladefunktion realisiert werden. Die Vorladeschaltung realisiert dann auch die Funktion des Entladens, neben der Funktion des Vorladens. Um den Strombegrenzungswiderstand für beide Funktionen zu verwenden, ist der Vorlade-Verbindungspunkt über den Entladeschalter (schaltbar) mit einem zweiten Potential (vorzugsweise das negative Potential) der Zwischenkreisstufe verbunden. Die an den beiden Potentialen der Zwischenkreisstufe anliegende Spannung entspricht der Eingangsspannung der Zwischenkreisstufe. Das erste und das zweite Potential der Zwischenkreisstufe sind somit Eingangspotentiale der Zwischenkreisstufe. Ohne weiteren Ladeschalter in der zweiten Potentialschiene (d.h. zwischen einem zweiten Potential der Eingangsstufe und dem zweiten Potential der Zwischenkreisstufe) bzw. bei geschlossenem zweiten Ladeschalter in der zweiten Potentialschiene entspricht das zweite Potential der Zwischenkreisstufe dem zweiten Potential der Eingangsstufe. Die zweiten Potentiale sind vorzugsweise negative Potentiale.
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Die Durchlassrichtung der Vorladediode ist derart vorgesehen, dass die Vorladediode leitend ist, wenn zwischen den Gleichspannungspotentialen der Eingangsstufe eine höhere Spannung als zwischen den Gleichspannungspotentialen der Zwischenkreisschaltung besteht. Ansonsten sperrt die Vorladediode. Ist die Vorladediode zwischen den ersten Potentialen der Eingangsstufe und der Zwischenkreisschaltung vorgesehen, weist ihre Durchlassrichtung zur Zwischenkreisstufe (d.h. zu deren ersten Potential). Mit anderen Worten: ist die Reihenschaltung aus Vorladediode und Strombegrenzungswiderstand zwischen den ersten Potentialen der Eingangsstufe und der Zwischenkreisschaltung vorgesehen, weist die Durchlassrichtung der Vorladediode zur Zwischenkreisstufe (d.h. zu deren ersten Potential). Die ersten Potentiale sind vorzugsweise die positiven Potentiale. Die Sperrrichtung der Vorladediode ist derart vorgesehen, dass ein durch diese Diode führender Stromfluss zwischen den Potentialen der Zwischenkreisspannung verhindert wird. Ein zum Entladen des Zwischenkreis notwendiger Strom führt nicht über die Vorladediode (sondern über den Strombegrenzungswiderstand und über einen Entladeschalter). Es ergibt sich ein Vorladepfad vom ersten Potential der Eingangsstufe über den Strombegrenzungswiderstand und die Vorladediode, der zum ersten Potential der Zwischenkreisschaltung führt.
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Ausführungsformen der Fahrzeugladeschaltung sehen eine Entladediode vor. Diese überbrückt den Ladeschalter. Insbesondere überbrückt die Entladediode nur den Ladeschalter bzw. nur einen Ladeschalter (wenn mehrere vorgesehen sind), und überbrückt insbesondere nicht den Vorladewiderstand. Die beiden Enden des Ladeschalters sind verbunden über die Entladediode. Die Entladediode und die Vorladediode sind beide an das zwischenkreisschaltungsseitige Ende des Ladeschalters angeschlossen, wobei die Durchlassrichtung der Entladediode von diesem Ende weg weist und die Durchlassrichtung der Vorladediode zu diesem Ende hin weist. Die Entladediode und der Strombegrenzungswiderstand sind über einen Verbindungspunkt in Reihe geschaltet, der mit dem eingangsstufenseitigen Ende des Ladeschalters verbunden ist, wobei dieser Reihenschaltung der Entladeschalter nachgeschaltet ist, der zu dem gegenüberliegenden Potential führt. Es ergibt sich ein Entladepfad von dem ersten Potential der Zwischenkreisschaltung über die Entladediode, den Strombegrenzungswiderstand und den Entladeschalter zum zweiten Potential der Zwischenkreisschaltung.
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Die Durchlassrichtung der Entladediode ist derart eingerichtet ist, dass die Entladediode leitend ist, wenn zwischen den Gleichspannungspotentialen der Zwischenkreisschaltung eine höhere Spannung als zwischen den Gleichspannungspotentialen der Eingangsstufe besteht. Ansonsten sperrt die Entladediode. An dem eingangsstufenseitigen Ende des Ladeschalters ist auch der Strombegrenzungswiderstand angeschlossen, der insbesondere zum Entladeschalter führt. Ist das erste Potential der Zwischenkreisschaltung höher als das Potential des Vorlade-Verbindungspunkts, dann leitet die Entladediode (sofern der Ladeschalter offen ist). Insbesondere fließt ein Entladestrom durch den Strombegrenzungswiderstand, wenn zwischen den Potentialen der Zwischenkreisschaltung eine Spannung größer null ist, und der Entladeschalter geschlossen ist. Der (oder die) Ladeschalter kann hierbei offen sein. Die Vorladediode sperrt währenddessen.
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Die Entladediode ist vorzugsweise als Diodenbauelement ausgebildet und ist insbesondere ausgestaltet, wie es für die Vorladediode vorangehend beschrieben ist.
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Die Fahrzeugladeschaltung und insbesondere die Vorladeschaltung kann einen weiteren Ladeschalter aufweisen, der im Folgenden durchgehend als „weiterer Ladeschalter“ oder „zweiter Ladeschalter“ bezeichnet wird, zur Abgrenzung zu dem vorangehend beschriebenen Ladeschalter, der auch als erster Ladeschalter bezeichnet werden kann. Die Fahrzeugladeschaltung mit einem zweiten Ladeschalter ermöglicht ein Entladen, auch wenn die Eingangsstufe noch an ein externes Versorgungsnetz angeschlossen ist, da der zweite Ladeschalter eine vollständige Trennung von der Eingangsstufe ermöglicht und das Entladen bei offenem zweiten Ladeschalter durchführbar ist. Der Entladepfad führt von dem ersten Potential der Zwischenkreisschaltung über die Entladediode oder den ersten Ladeschalter zum Widerstand und über den darauffolgenden (geschlossenen) Entladeschalter zum zweiten Potential der Zwischenkreisschaltung. Über den weiteren Ladeschalter ist das zweite Gleichspannungspotential der Eingangsstufe schaltbar mit dem zweiten Gleichspannungspotential der Zwischenkreisschaltung verbunden ist. Die Vorladeschaltung ist vorzugsweise mittels des weiteren Ladeschalters an die Eingangsstufe angebunden. Der weitere Ladeschalter befindet sich in der zweiten Potentialschiene, die vorzugsweise einem negativen Potential zugeordnet ist. Von der Eingangsstufe aus gesehen befindet sich der weitere Ladeschalter vor dem Entladeschalter bzw. vor einem Punkt, an den der Entladeschalter angeschlossen ist. Daher trennt der weitere Ladeschalter in offenem Zustand die weiteren Komponenten der Vorladeschaltung (und auch die Zwischenkreisschaltung) von der Eingangsstufe ab. Der weitere Ladeschalter ist vorzugsweise ausgestaltet wie der erste Ladeschalter. Beide Ladeschalter können Schalterelemente einer gemeinsamen Schaltervorrichtung sein, die vorzugsweise mit doppelter Kontaktausführung (2 Schließer, 2 Öffner oder 2 Wechsler) ausgestaltet ist, etwa ein zweipoliges Relais.
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Die Eingangsstufe hat vorzugsweise eine Gleichrichtungsfunktion. Die Eingangsstufe weist insbesondere einen Leistungsfaktorkorrekturfilter auf, der vorzugsweise dreiphasig ausgestaltet ist. Ferner kann die Eingangsstufe eine Diodenhalbbrücke aufweisen. Diese verfügt insbesondere über einen Diodenbrücken-Verbindungspunkt, der mit einem Sternpunkt des Leistungsfaktorkorrekturfilters verbunden ist. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist insbesondere als Vienna-Gleichrichter ausgestaltet; der Sternpunkt des Leistungsfaktorkorrekturfilters entspricht dann dem Sternpunkt des Leistungsfaktorkorrekturfilters. Der Vienna-Gleichrichter weist für jede Phase eine Gleichrichter-Vollbrücke auf, die eine ersten Halbbrücke aufweist, die mit einem Wechselstromeingang verbunden ist, und eine zweite Halbbrücke, die einen Verbindungspunkt aufweist. Die Verbindung aller Verbindungspunkte aller zweiten Halbbrücken wird als Sternpunkt des Leistungsfaktorkorrekturfilters bezeichnet. Dieser ist insbesondere mit einem Neutralleiteranschluss (der Eingangsstufe) verbunden. Ferner ist dieser mit dem Diodenbrücken-Verbindungspunkt der Diodenhalbbrücke verbunden, insbesondere um asymmetrische Stromkomponenten ableiten zu können. Die Eingangsstufe hat ferner vorzugsweise eine Hochsetzfunktion, die mittels des Leistungsfaktorkorrekturfilters realisiert ist. Ferner ist eine Eingangsstufe mit einem einphasigen Gleichrichter denkbar.
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Die Zwischenkreisschaltung kann einen Zwischenkreiskondensator aufweisen, der die beiden Potentiale der Zwischenkreisschaltung miteinander verbindet. Vorzugsweise verfügt die Zwischenkreisschaltung über mehrere Zwischenkreiskondensatoren. Diese können über einen Kondensator-Verbindungspunkt seriell verbunden sein. Es ergibt sich eine (starre) Reihenschaltung zweier Zwischenkreiskondensatoren. Alternativ kann die Zwischenkreisschaltung mehrere Zwischenkreiskondensatoren (insbesondere zwei) sowie eine Konfigurationsschaltung aufweisen, die eingerichtet ist, die Zwischenkreiskondensatoren wahlweise seriell oder parallel miteinander zu verbinden. Die Konfigurationsschaltung verfügt über einen Mittenpunkt, der als Kondensator-Verbindungspunkt verwendet wird, insbesondere indem dieser mit dem Diodenbrücken-Verbindungspunkt bzw. mit dem Neutralleiteranschluss verbunden ist. Diese Verbindung ist optional.
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Die Konfigurationsschaltung kann zwei Umschalter aufweisen, die wahlweise Enden unterschiedlicher Zwischenkreiskondensatoren miteinander verbindet und so eine Reihenschaltung der Zwischenkreiskondensatoren erzeugt, oder die Enden der Zwischenkreiskondensatoren mit Potentialen der Zwischenkreisschaltung miteinander verbindet und so eine Parallelschaltung der Zwischenkreiskondensatoren erzeugt. Im Falle der Reihenschaltung ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen den Zwischenkreiskondensatoren mit dem Neutralleiteranschluss bzw. dem Diodenbrücken-Verbindungspunkt verbunden ist.
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Die Konfigurationsschaltung kann gemäß weiterer Ausführungsformen zwei Schalter (Öffner oder Schließer) aufweisen sowie eine Diodenschaltung, die die Zwischenkreiskondensatoren in Reihe miteinander verbindet. Einer der Schalter verbindet schaltbar das erste Potential der Zwischenkreisschaltung mit einem (freien) Ende des mit dem zweiten Potential verbundenen Zwischenkreiskondensators. Der andere Schalter verbindet schaltbar das zweite Potential der Zwischenkreisschaltung mit einem Ende des mit dem ersten Potential verbundenen Zwischenkreiskondensators. Die Diodenschaltung umfasst eine Reihenschaltung zweier Dioden, wobei der Verbindungspunkt dieser Dioden als Kondensator-Verbindungspunkt fungiert. Mit anderen Worten ist der Verbindungspunkt zwischen den Dioden der Diodenschaltung mit dem Verbindungspunkt der Diodenhalbbrücke der Eingangsstufe bzw. mit dem Neutralleiteranschluss der Eingangsstufe verbunden. Der Kondensator-Verbindungspunkt kann direkt mit einem Neutralleiteranschluss der Eingangsstufe verbunden, ist jedoch vorzugsweise über einen Neutralleiterschalter mit dem Neutralleiteranschluss verbunden. Der Neutralleiterschalter wird beim Laden geschlossen angesteuert und ist beim Entladen bzw. Vorladen offen angesteuert. Die 1 zeigt eine Konfigurationsschaltung, die dieser Ausführung entspricht. Der Neutralleiterschalter ist im Vorlademodus geöffnet, im Lademodus geschlossen (insbesondere beim Wechselspannungsladen) und kann im Entlademodus geschlossen sein, ist jedoch vorzugsweise geöffnet, um ein Nachladen der Zwischenkreiskondensatorschaltung aus Versorgungsnetz, welches an die Eingangsstufe angeschlossenen ist, zu verhindern.
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Die Fahrzeugladeschaltung verfügt ferner vorzugsweise über eine Gleichspannungswandlerstufe. Diese verfügt über einen Gleichspannungswandler verfügt, dessen erste Seite mit dem Zwischenkreis und dessen zweite Seite mit einem Bordnetzanschluss verbunden ist. Vorzugsweise weist die Gleichspannungswandlerstufe mehrere Gleichspannungswandler auf, insbesondere zwei. Die erste Seiten der Gleichspannungswandler können mit verschiedenen Zwischenkreiskondensatoren der Zwischenkreisschaltung verbunden sein. Die ersten Seiten der Gleichspannungswandler können jedoch auch mit ein- und demselben Zwischenkreiskondensator verbunden sein, insbesondere wenn ein Zwischenkreiskondensator verwendet wird, dessen Enden an die beiden Potentiale der Zwischenkreisschaltung angeschlossen sind. Die zweiten Seiten der Gleichspannungswandler sind parallel oder seriell miteinander verbunden. Die so verbundenen zweiten Seiten sind ferner mit dem Bordnetzanschluss verbunden. An diesen kann sich etwa ein Hochvoltakkumulator anfügen.
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Die Fahrzeugladeschaltung weist ferner eine Steuereinheit auf, die ansteuernd mit dem (mindestens einen) Ladeschalter und dem Entladeschalter verbunden. Über den Entladeschalter ist der Vorlade-Verbindungspunkt schaltbar mit dem zweiten Potential der Eingangsstufe verbunden. Die Steuereinheit ist eingerichtet ist, in einem Lademodus den Ladeschalter in einem geschlossenen Zustand vorzusehen. Bei zwei Ladeschaltern steuert die Steuereinheit im Lademodus beide in geschlossenem Zustand an. Die Ent- und Vorladeschalter sind im Lademodus vorzugsweise geöffnet angesteuert. Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, in einem Vorlademodus den Ladeschalter und den Entladeschalter jeweils in einem offenen Zustand vorzusehen. Die Steuereinheit ist eingerichtet, in einem Entlademodus den Entladeschalter in geschlossenen Zustand vorzusehen. Der oder die Ladeschalter sind hierbei vorzugsweise geöffnet, wobei insbesondere der Ladeschalter, an den die Vorlade- oder die Entladediode angeschlossen ist, auch geschlossen sein kann. Die Entladediode würde auch bei offenem Ladeschalter einen Entladestrom ermöglichen.
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Die Steuereinheit ist in Ausführungsformen der Fahrzeugladeschaltung, die neben dem Ladeschalter (in der ersten Potentialschiene) den weiteren Ladeschalter (in der zweiten Potentialschiene) aufweist, mit dem weiteren Ladeschalter ansteuernd verbunden. Der Steuereinheit ist vorzugsweise ausgestaltet, diesen weiteren Ladeschalter im Lademodus anzusteuern, einen geschlossenen Zustand einzunehmen. Die Steuereinheit ist insbesondere ausgestaltet, den weiteren Ladeschalter im Vorlademodus anzusteuern, einen geschlossenen Zustand anzunehmen. Zudem ist die Steuereinheit vorzugsweise ausgestaltet, den weiteren Ladeschalter im Entlademodus anzusteuern, einen offenen Zustand einzunehmen.
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Die Steuereinheit ist ferner ansteuernd mit einem Leistungsfaktorkorrekturfilter der Eingangsstufe verbunden. In einem Vorlademodus der Steuereinheit betreibt diese den Leistungsfaktorkorrekturfilter in einem Gleichrichtermodus. In dem genannten Vorlademodus ist der (erste) Ladeschalter offen, so dass der Strombegrenzungswiderstand den Vorladestrom begrenzt. Dieser Vorlademodus kann daher auch als Strombegrenzungs-Vorlademodus (mit Vorladewiderstand) bezeichnet werden. In einem darauffolgenden Direkt-Vorlademodus betreibt die Steuereinheit den Leistungsfaktorkorrekturfilter in einem Boostmodus (Aufwärtswandlungsmodus). In diesem Boostmodus erzeugt der Leistungsfaktorkorrekturfilter - bei gleicher Eingangswechselspannung - zwischen den Potentialen der Eingangsstufe eine höhere Spannung als im Gleichrichtermodus. Dadurch wird zunächst in dem Strombegrenzungs-Vorlademodus (d.h. im erstgenannten Vorlademodus) die Zwischenkreiskondensatorschaltung mit einer Spannung vorgeladen, die der Netzkuppenspannung am Ladeanschluss der Eingangsstufe entspricht. Ist diese gegen Ende dieses Vorlademodus erreicht, dann beginnt der Direkt-Vorlademodus. In diesem wird die Boost-Funktion des Leistungsfaktorkorrekturfilters verwendet, um mit einer höheren Spannung als die Netzkuppenspannung vorzuladen. Insbesondere kann in dem Direkt-Vorlademodus die Steuereinheit den Leistungsfaktorkorrekturfilter ansteuern, eine steigende Spannung zu erzeugen, um so die Zwischenkreisstufe geführt vorzuladen. Vorzugsweise ist in dem erstgenannten Vorlademodus der Neutralleiterschalter offen und wird im Direkt-Vorlademodus angesteuert, einen geschlossenen Zustand einzunehmen. Die Steuereinheit ist eingerichtet, diese Steuerung auszuführen. Insbesondere wird der Neutralleiterschalter geschlossen, wenn die Zwischenkreisschaltung die Netzkuppenspannung (der am Ladeanschluss anliegenden Spannung) erreicht. Sind in der Zwischenkreisschaltung mehrere Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, dann wird der Neutralleiterschalter vorzugsweise geschlossen, wenn alle (beide) Zwischenkreiskondensatoren jeweils die Netzkuppenspannung erreichen. In dem Direkt-Vorlademodus sind die Zwischenkreiskondensatoren der Zwischenkreisschaltung (sofern mehrfach vorhanden) vorzugsweise seriell geschaltet, wobei insbesondere die Konfigurationsschaltung die serielle Verschaltung vorsieht.
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Nach dem Vorlademodus kann der Lademodus beginnen, in dem die Steuereinheit den Leistungsfaktorkorrekturfilter ansteuert, eine Spannung wie in der zweiten Phase zu erzeugen, zumindest zu Beginn des Lademodus.
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Ferner wird ein Fahrzeugbordnetz mit einer Fahrzeugladeschaltung beschrieben, wie sie hierin dargelegt ist. Ein von außerhalb des Fahrzeugs zugänglicher Ladeanschluss ist an die Eingangsstufe angeschlossen (oder Teil hiervon). Ein Hochvolt-Akkumulator oder ein Hochvolt-Bordnetzzweig kann wandlerfrei oder über eine Gleichspannungswandlerstufe der Fahrzeugladeschaltung an die Zwischenkreisschaltung angeschlossen sein. Der Hochvolt-Akkumulator ist vorzugsweise ein Traktionsakkumulator. Der Hochvolt-Bordnetzzweig kann einen Akkumulator wie dargestellt umfassen. Die Eingangsstufe kann Schaltelemente umfassen, die eingerichtet sind, eine Phase des Ladeanschlusses schaltbar mit mehreren Phasen der Eingangsstufe zu verbinden. Dadurch kann bei einer einphasigen Quelle diese Quelle an mehrere Phasen der Eingangsstufe angeschlossen werden, um die zu übertragende Leistung auf die mehreren Phasen zu verteilen. Etwa kann an die zweite und dritte Phase der Eingangsstufe jeweils ein Umschalter vorgesehen sein, der wählbar die betreffende Phase der Eingangsstufe entweder mit einer entsprechenden zweite oder dritten Phase des Ladeanschlusses (für das dreiphasige Laden) oder mit der ersten Phase des Ladeanschlusses (für das einphasige Laden) verbindet.
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Die 1 dient zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung.
- Die 1 zeigt eine Fahrzeugladeschaltung mit einer Eingangsstufe ES, einer Vorladeschaltung VN und einer Zwischenkreisschaltung ZK sowie einer optionalen Gleichspannungswandlerstufe GW, die in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind. An die Gleichspannungswandlerstufe GW oder an die Zwischenkreisschaltung kann sich ein zu versorgender Bordnnetzzweig oder eine zu versorgende Komponente wie ein zu ladender Akkumulator angeschlossen sein.
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Der Eingangsstufe ES ist ein Ladeanschluss AC vorgeschaltet, der in dem dargestellten Beispiel über einen Neutralleiteranschluss NL und drei Phasenanschlüsse PH verfügt. Über eine Umschaltereinrichtung U können die Phasenanschlüsse PH wahlweise jeweils mit einer individuellen Phase der Eingangsstufe EI verbunden werden oder es kann einer der Phasenanschlüsse mit allen Phasen der Eingangsstufe EI verbunden werden, um die zu übertragende Leistung auf mehrere Phasen der Eingangsstufe zu verteilen.
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Die Eingangsstufe EI verfügt über eine Gleichrichtereinrichtung GR, die einen Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC und eine Diodenhalbbrücke DB aufweist. Die Wechselspannungsseite des PFC ist mit dem Ladeanschluss AC verbunden und die Gleichspannungsseite des PFC ist mit der Diodenhalbbrücke DB verbunden. Die Diodenhalbbrücke DB weist wie dargestellt einen Diodenbrücken-Verbindungspunkt V auf, über den die beiden Dioden der Diodenhalbrücke DB miteinander verbunden sind. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC kann als Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein, der über einen Sternpunkt SP verfügt. Dieser ist mit dem Diodenbrücken-Verbindungspunkt V verbunden. Die dargestellte Eingangsstufe EI ist zum Wechselstrom laden eingerichtet und mit einer Gleichrichtungsfunktion ausgestattet. Es sind auch DC-Eingangsstufen denkbar, die zum Gleichspannungsladen ausgebildet sind und keine Komponente mit Gleichrichterfunktion aufweisen, jedoch ggf. einen Gleichspannungswandler stattdessen.
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Die auf die Eingangsstufe EI folgende Vorladeschaltung VN weist einen Ladeschalter SL1 in der positiven Potentialschiene und einen weiteren Ladeschalter SL2 in der negativen Potentialschiene auf. Die positive Potentialschiene verbindet das erste Gleichspannungspotential U+ der Eingangsstufe (bzw. der Gleichspannungsseite der Eingangsstufe) mit der Zwischenkreisschaltung ZK bzw. deren ersten Gleichspannungspotential U'+. Die negative Potentialschiene verbindet das zweite Gleichspannungspotential U- der Eingangsstufe (bzw. der Gleichspannungsseite der Eingangsstufe) mit der Zwischenkreisschaltung ZK bzw. deren zweitem Gleichspannungspotential U`-. Über die Ladeschalter SL1, 2 ist die Eingangsstufe EI allpolig schaltbar der Zwischenkreisschaltung ZK verbunden. Der weitere Ladeschalter SL2 ist optional und, wie zahlreiche andere optionale Komponenten, daher gestrichelt dargestellt. Die Ladeschalter dienen zur widerstandselementlosen Verbindung zwischen Eingangsstufe EI und Zwischenkreisschaltung ZK, um Ladeenergie von der Eingangsstufe EI zur Zwischenkreisschaltung ZK zu übertragen. Die dargestellte Ausführungsform ist ferner mit Komponenten ausgestattet, die zum Vorladen verwendet werden. Ein Strombegrenzungswiderstand R, der beim Vorladen als Vorladewiderstand dient, und eine Vorladediode DV, sind über einen Vorlade-Verbindungspunkt VP seriell miteinander verbunden und überbrücken wie dargestellt zusammen den Ladeschalter SL1. Zum Vorladen kann so vom Potential U+ über den Widerstand R und die Vorladediode DV Vorladestrom zur Zwischenkreisschaltung (insbesondere zu deren Potential U`+) geführt werden. Wie dargestellt, kann so der Vorlade-Verbindungspunkt VP mit U- oder U`- verbunden werden, ohne dass ein kritischer Strom fließt. Eine derartige Verbindung kann etwa bei einem Unfall unbeabsichtigt auftreten oder kann auch gezielt zum Entladen der Zwischenkreisschaltung hergestellt werden.
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Es kann daher ein Entladeschalter SE vorgesehen sein, der den Vorlade-Verbindungspunkt VP mit U`- (oder U-) verbindet, und der einen Entladepfad für die Zwischenkreisschaltung ZK vorsieht, der von U`+ über SL1 oder die im weiteren beschriebene Diode DE zum Widerstand R führt und von diesem bzw. dem Verbindungspunkt VP über den Entladeschalter SE zu U`-. Diode DE ist eine Entladediode DE, die den Ladeschalter SL1 überbrückt, so dass auch bei offenem Schalter SL1 ein Entladestrom fließen kann. Die Durchlassrichtung der Vorladediode DV zeigt von der Eingangsstufe EI und dem Widerstand R zum Zwischenkreis ZK, um zum Vorladen Energie von der Eingangsstufe EI über den Widerstand R zum Zwischenkreis ZK übertragen zu können. Die Durchlassrichtung der (optionalen) Entladediode DE weist von positiven Potential U`+ des Zwischenkreises ZK zu dessen negativen Potential U`-, um so einen Entlade-Stromfluss zwischen den Potentialen des Zwischenkreises ZK zu ermöglichen. Diese Funktionen der Dioden DE und/oder DV werden auch dargestellt, wenn die Elemente DE, R und DV am bzw. im negativen Strompfad vorgesehen sein, d.h. bei einer Schaltung, die komplementär zur dargestellten Schaltung ist; die konkrete Polarität der Dioden richtet sich nach den Funktionen des Vorladens bzw. Entladens.
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Ferner ist eine Zwischenkreisschaltung ZK mit zwei Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 und einer spezifischen Konfigurationsschaltung dargestellt. Die ersten und zweiten Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 sind über die Konfigurationsschaltung miteinander in konfigurierbarer Weise verbunden. Ein erster Schalter Sa der Konfigurationsschaltung verbindet das erste Potential U`+ der Schaltung ZK mit einem Ende des Kondensators C2, das demjenigen Ende des Kondensators C2 entgegengesetzt ist, welches mit dem zweiten Potential U`- der Schaltung ZK verbunden ist. Der erste Schalter Sa verbindet somit das erste Potential U`+ schaltbar über den zweiten Kondensator C2 mit dem zweiten Potential U`- der Zwischenkreisschaltung ZK. Der zweite Schalter Sb der Konfigurationsschaltung ist in symmetrischer Weise angeschlossen und verbindet somit das zweite Potential U`- schaltbar über den ersten Kondensator C1 mit dem ersten Potential U`+ der Zwischenkreisschaltung ZK. Sind die Schalter Sa, Sb geschlossen, dann sind die Kondensatoren C1, C2 parallel miteinander verbunden. Die Kondensatoren C1, C2 sind ferner über eine Diodenschaltung D miteinander verbunden, so dass bei offenen Schaltern Sa, Sb die Kondensatoren C1, C2 in Reihe miteinander verbunden sind. Dadurch kann durch die Stellung der Schalter Sa, Sb definiert werden, ob die Kondensatoren in Reihe oder parallel miteinander verbunden und an die Potentiale U`+, U`- der Zwischenkreisschaltung ZK angeschlossen sind.
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In der dargestellten Schaltung weist die Diodenschaltung D die beiden Dioden D1, D2 auf, die über den Punkt M miteinander verbunden sind. Der Punkt M ist der Symmetriepunkt der Kondensatoren C1 und C2 und bildet den Kondensator-Verbindungspunkt der dargestellten Schaltung.
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In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen der Zwischenkreisschaltung können die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 in Reihe direkt und unveränderlich miteinander verbunden sein; der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2 bildet dann den Kondensator-Verbindungspunkt. Eine weitere Möglichkeit ist es, zwei Umschalter zu verwenden, um die nicht mit den Potentialen V`+, V`- verbundenen Enden der Zwischenkreiskondensatoren (d.h. die freien Enden) wahlweise in einer ersten Schalterstellung miteinander zu verbinden, um die Zwischenkreiskondensatoren seriell zu verschalten, oder in einer zweiten Schalterstellung mit dem jeweils gegenüberliegenden Potential zu verbinden, um die Zwischenkreiskondensatoren parallel zu verschalten. Die zur Darstellung der seriellen Verschaltung erforderliche Verbindung zwischen Kontakten der Umschalter (die in der ersten Schalterstellung gewählt sind) würde den Kondensator-Verbindungspunkt bilden.
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Der jeweilige Kondensator-Verbindungspunkt ist optional mit dem Diodenbrücken-Verbindungspunkt V bzw. mit dem Neutralleiter NL (oder einem Neutralleiterkontakt der Eingangsstufe) verbunden. Diese Verbindung kann schaltbar sein, indem ein Neutralleiterschalter SN in dieser Verbindung in Reihe vorgesehen ist, wie in der 1 dargestellt ist.
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Eine Steuereinheit C ist ansteuernd mit den Schaltern verbunden, wie mit den leeren Doppelpfeilen symbolhaft dargestellt ist. Ferner ist diese ansteuernd mit dem Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC verbunden, wie mit dem schraffierten Doppelpfeil symbolhaft dargestellt ist.
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In einer Ladephase steuert die Steuereinheit C die Schalter SL1, SL2 in geschlossenem Zustand an. Bei einphasigem Laden (nur eine Phase an Ladeanschluss AC) steuert die Steuereinheit C die Konfigurationsschaltung (Sa, Sb) an, die Kondensatoren C1, C2 parallel miteinander zu verbinden. Bei dreiphasigem Laden (drei Phasen an Ladeanschluss AC angeschlossen) steuert die Steuereinheit C die Konfigurationsschaltung (Sa, Sb) an, die Kondensatoren C1, C2 seriell miteinander zu verbinden.
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In einer Vorladephase steuert die Steuereinheit C den Schalter SL1 in offenem Zustand und in SL2 in geschlossenem Zustand an. Es kann vorgesehen sein, dass die Vorladephase abgeschlossen ist, sobald die Zwischenkreisschaltung die Netzkuppenspannung der an AC anliegenden Wechselspannung erreicht hat, beispielsweise bei einphasiger Wechselspannung i. H. v. 230 V ca. 325 V und bei dreiphasiger Wechselspannung ca. 566 V. Es kann jedoch auch ein zweiter Teil der Vorladung (=Direkt-Vorlademodus) folgen, wobei zunächst wie erwähnt die Netzkuppenspannung an der Zwischenkreisschaltung endet und als zweiter Teil der Vorladung der Zwischenkreisschaltung auf die letztendliche DC/DC-Betriebsspannung von z.B. 800V wird nicht über den Widerstand R ausgeführt wird, sondern der Schalter SL1 geschlossen wird, und die Boost-Funktion des Leistungsfaktorkorrekturfilters PFC dazu verwendet wird, das Hochsetzen (Boosten) auf die Ziel-Spannung von z.B. 800V durchzuführen bzw. zu regeln.
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In einer Entladephase ist die Steuereinheit C eingerichtet, die Schalter SL1 und SE zu schließen (oder nur SE zu schließen).
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In der Vorladephase ist der Schalter SN geöffnet. In der Ladephase ist er geschlossen, insbesondere bei dreiphasigem Laden. Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Schalter SN bei einphasigem Laden geöffnet ist. Beim Entladen ist der Schalter SN vorzugsweise geöffnet, um ein ungewolltes Nachladen zu vermeiden.
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Der Widerstand R kann als PTC-Widerstand ausgebildet sein. Der Schalter SE kann als Halbleiterschalter ausgebildet sein (oder als elektromechanischer Schalter).
