DE102022001418A1 - Charging device for a vehicle for charging an electrical energy store of the vehicle from an AC voltage, and method for operating such a charging device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Ladeeinrichtung (3) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) aus einer Wechselspannung (UAC), mit- einer Eingangsseite (6) zum Bereitstellen der Wechselspannung (UAC),- einer Ausgangsseite (7) zum Bereitstellen einer Gleichspannung (UDC) aus der Wechselspannung (UAC) für den elektrischen Energiespeicher (4),- einem Gleichrichter (8) zum Gleichrichten der Wechselspannung (UAC) in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1),- einem Gleichspannungswandler (9) zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung (UZ1) in die Gleichspannung (UDC) oder zum Wandeln einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2), wobei- einen Zwischenkreisabgriff (15), welcher zwischen dem Gleichrichter 8) und dem Gleichspannungswandler (9) angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung (UZ2) für ein elektrisches Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einen elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1).Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.The invention relates to a charging device (3) for an electrically operated vehicle (1) for charging an electrical energy store (4) of the electrically operated vehicle (1) from an AC voltage (UAC), with an input side (6) for providing the AC voltage (UAC ),- an output side (7) for providing a DC voltage (UDC) from the AC voltage (UAC) for the electrical energy store (4), - a rectifier (8) for rectifying the AC voltage (UAC) into a first intermediate circuit voltage (UZ1), - a direct-current converter (9) for converting the first intermediate circuit voltage (UZ1) into direct voltage (UDC) or for converting a battery voltage (UBatt) of the electrical energy store (4) into a second intermediate circuit voltage (UZ2), wherein- an intermediate circuit tap (15), which is arranged between the rectifier 8) and the DC voltage converter (9), for providing the second intermediate circuit voltage (UZ2) for an electrical vehicle network ( 16) of the electrically operated vehicle (1) and/or an electrical load (17) of the electrically operated vehicle (1). The invention also relates to a method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus einer Wechselspannung. Mit einer Ladeseite der Ladeeinrichtung kann die Wechselspannung bereitgestellt werden. Eine Ausgangsseite der Ladeeinrichtung ist ausgelegt, um eine Gleichspannung aus der Wechselspannung für den elektrischen Energiespeicher bereitzustellen. Des Weiteren weist die Ladeeinrichtung einen Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung mit einer ersten Zwischenkreisspannung auf. Ebenfalls gehört zu der Ladeeinrichtung ein Gleichspannungswandler zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung in die Gleichspannung oder zum Wandeln einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers in eine zweite Zwischenkreisspannung.The invention relates to a charging device for an electrically operated vehicle for charging an electrical energy store of the electrically operated vehicle from an AC voltage. The AC voltage can be provided with a charging side of the charging device. An output side of the charging device is designed to provide a DC voltage from the AC voltage for the electrical energy store. Furthermore, the charging device has a rectifier for rectifying the AC voltage with a first intermediate circuit voltage. The charging device also includes a DC voltage converter for converting the first intermediate circuit voltage into the DC voltage or for converting a battery voltage of the electrical energy store into a second intermediate circuit voltage.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei mit einem Gleichrichter der Ladeeinrichtung eine Wechselspannung, welche an einer Eingangsseite der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung gleichgerichtet wird und in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die erste Zwischenkreisspannung mit einem Gleichspannungswandler der Ladeeinrichtung in eine Gleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs umgewandelt wird. In einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung wird eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit dem Gleichspannungswandler in eine zweite Zwischenkreisspannung umgewandelt.Furthermore, the invention relates to a method for operating a charging device of an electrically operated vehicle, with a rectifier of the charging device being used to rectify an AC voltage which is provided on an input side of the charging device into a first intermediate circuit voltage and, in a first operating state of the charging device, the first intermediate circuit voltage is converted with a DC voltage converter of the charging device into a DC voltage for charging an electrical energy store of the electrically operated vehicle. In a second operating state of the charging device, a battery voltage of the electrical energy store is converted into a second intermediate circuit voltage using the DC voltage converter.

Beispielsweise wird in Plug-in-Fahrzeugen eine Abgasnachbehandlung benötigt, welche einen zusätzlichen Leistungsbedarf von zirka fünf Kilowatt erfordert. Zudem können Fahrzeuge auf das autonome Fahrlevel FAP6 gehoben werden, wozu ein weiterer Leistungsbedarf notwendig ist. Die Energiebereitstellung soll durch zwei separate DC-DC-Wandler aus der Batterie des Fahrzeugs erfolgen. Hierzu benötigt das Fahrzeug zusätzlichen Bauraum, welcher nur bedingt vorhanden ist. Bordlader, insbesondere galvanisch isolierte Bordlader (Phasenmodulladebordlader), bestehen aus drei einzelnen, eigenständigen Ladegeräten pro Phase. Es wird dabei die Sternspannung als Eingangsspannung abgegriffen, also die Spannung zwischen L1 und N beziehungsweise L2 und N und L3 und N.For example, exhaust gas aftertreatment is required in plug-in vehicles, which requires an additional power requirement of around five kilowatts. In addition, vehicles can be raised to the autonomous driving level FAP6, which requires additional power. The energy is to be provided by two separate DC-DC converters from the vehicle's battery. For this purpose, the vehicle requires additional installation space, which is only available to a limited extent. On-board chargers, in particular galvanically isolated on-board chargers (phase module chargers), consist of three individual, independent chargers per phase. The star voltage is tapped as the input voltage, i.e. the voltage between L1 and N or L2 and N and L3 and N.

In dem ersten Schritt erfolgen eine Gleichrichtung der AC-Eingangsspannung und eine Regelung eines Eingangsstroms, der von seinem Spitzenwert einem vorgegebenen Wert entspricht und dessen Strom in Phase mit der Spannung eingestellt wird. Dies wird beispielsweise als PFC („Power Factor Correction“) bezeichnet. Bei einem Bordlader mit Abgriff der Sternpunktspannung wird meist eine Ausgangsspannung der PFC von beispielsweise 400 Volt bis 450 Volt eingeregelt. Als nächstes folgt ein großer Kondensator, wie beispielsweise ein Bulk-Kondensator, dessen Aufgabe es ist, die schwankende Eingangsleistung zu glätten und eine möglichst stabile Ausgangsleistung des Bordladers zu ermöglichen. Nach dem Bulk-Kondensator erfolgt die galvanische Trennung durch einen isolierenden DC-DC-Wandler. Sofern das Fahrzeug eine HV-Spannung im 400-Volt-Bereich besitzt, bietet sich ein Übersetzungsverhältnis von beispielsweise eins zu eins an. Liegt die HV-Spannung im 800-Volt-Bereich, so wird ein Übersetzungsverhältnis von zirka eins zu zwei gewählt. Für eine PFC kommen unterschiedliche Schaltungen infrage, wie PFC unidirektional mit Brückengleichrichter und Boost-Konverter, Totem Pole PFC unidirektional Boost PFC oder Totem Pole PFC bidirektional Boost PFC. Hierbei können immer nur die Phase und N als Eingangsspannung verwendet werden. Heutzutage ist es üblich, die PFC als Boost-Wandler mit Gleichrichtung auszuführen. Dabei wird die Ausgangsspannung auf einen Wert oberhalb der maximalen AC-Eingangsspannung angehoben.In the first step, the AC input voltage is rectified and an input current is regulated, the peak value of which corresponds to a predetermined value and the current of which is set in phase with the voltage. This is referred to as PFC (“Power Factor Correction”), for example. In the case of an on-board charger with the neutral point voltage tapped off, an output voltage of the PFC of, for example, 400 volts to 450 volts is usually regulated. Next comes a large capacitor, such as a bulk capacitor, whose job is to smooth out the fluctuating input power and allow the on-board charger to output power as stable as possible. After the bulk capacitor, the galvanic isolation is provided by an isolating DC-DC converter. If the vehicle has an HV voltage in the 400-volt range, a transmission ratio of, for example, one to one is appropriate. If the HV voltage is in the 800 volt range, a transformation ratio of around one to two is selected. Different circuits can be used for a PFC, such as PFC unidirectional with bridge rectifier and boost converter, totem pole PFC unidirectional boost PFC or totem pole PFC bidirectional boost PFC. Here, only the phase and N can be used as the input voltage. Today it is common to implement the PFC as a boost converter with rectification. The output voltage is increased to a value above the maximum AC input voltage.

In Fahrzeugen wird beispielsweise eine Buck-PFC verwendet, das heißt eine PFC, deren Ausgangsspannung niedriger ist im Vergleich zu der maximalen AC-Eingangsspannung.In vehicles, for example, a buck PFC is used, ie a PFC whose output voltage is lower compared to the maximum AC input voltage.

Als galvanisch getrennter Wandler stehen ebenfalls mehrere Schaltungstopologien zur Auswahl. Die am häufigsten verwendete Schaltung ist die sogenannte LLC-Topologie („Logical Link Control“). Des Weiteren ist auch die Dual Active Bridge oder auch die Phase Shift-Full Bridge bekannt. Häufig wird in Bordladern als isolierende DC-DC-Wandler eine LLC-Topologie verwendet. Wäre dieser DC-DC-Wandler bidirektional gefordert, so können die Dioden D1 bis D4 des Gleichrichters durch Halbleiterschalter ersetzt werden.As a galvanically isolated converter, there are also several circuit topologies to choose from. The most commonly used circuit is the so-called LLC (Logical Link Control) topology. Furthermore, the Dual Active Bridge or the Phase Shift Full Bridge is also known. An LLC topology is often used in on-board chargers as isolating DC-DC converters. If this DC-DC converter were required to be bidirectional, the diodes D1 to D4 of the rectifier could be replaced by semiconductor switches.

Beispielsweise sind auch Bordlader mit Abgriff der verketteten Spannung bekannt. Solche bestehen aus einer einzigen Wandlerphase. die PFC (Leistungsfaktor Korrekturfilter) greift am Eingang alle drei Phasenspannungen und den Nullleiter ab. Die Ausgangsspannung der PFC beträgt mindestens die werteverkettete Spannung multipliziert mit Wurzel 2. Um auch den gewünschten Strom einstellen zu können, ist es notwendig, diese Spannung noch zu boostern beziehungsweise hochzusetzen. Demzufolge beträgt die Ausgangsspannung beispielsweise einen Wert von 600 Volt oder höher. Der in diesem Wandler vorgesehene Balg-Kondensator wird theoretisch bei einem 3-phasigen AC-Laden nicht benötigt, da die Eingangsleistung zeitlich konstant ist. Er wird jedoch trotzdem benötigt, da der Lader in der Regel auch einen einphasigen Ladebetrieb ermöglichen muss und somit eine Glättung der schwankenden Eingangsleistung erforderlich ist. Vorteilhaft ist jedoch, dass in dieser Topologie nur ein Bulk-Kondensator im gesamten Gerät verbaut ist, während in der Topologie mit drei eigenständigen Phasen dieser Kondensator in Summe dreimal verbaut ist. Nach dem Kondensator folgt auch hier ein galvanisch getrennter DC-DC-Wandler. Er verfügt bei einem 400-Volt-Fahrzeug über ein Übersetzungsverhältnis von zirka zwei zu eins bis drei zu zwei. In einem 800-Volt-Fahrzeug wäre es zirka drei zu vier bis eins zu eins. Als PFC kommen bei einem solchen Wandler beispielsweise eine B6-Brücke (Drei-Phasen-Inverter) oder ein „VIENNA RECTIFIR“ zum Einsatz. Eine Buck-Boost-PFC ist in Fahrzeugen üblicherweise nicht vorgesehen. Als galvanisch getrennter Wandler bestehen ebenfalls mehrere Schaltungstopologien zur Auswahl. Die am häufigsten verwendete Schaltung ist die sogenannte LLC-Topologie. Des Weiteren sind auch die Dual Active Bridge oder auch die Phase Shift-Full Bridge bekannt. Der galvanisch getrennte Wandler ist auf die Gesamtleistung des On-Bord-Laders auszulegen. Es können auch mehrere galvanisch getrennte DC-DC-Wandler parallel betrieben werden.For example, on-board chargers with tapping of the line-to-line voltage are also known. Such consist of a single converter phase. the PFC (power factor correction filter) picks up all three phase voltages and the neutral conductor at the input. The output voltage of the PFC is at least the value-linked voltage multiplied by square root 2. In order to be able to set the desired current, it is necessary to boost or increase this voltage. As a result, the output voltage is, for example, 600 volts or higher. The bellows capacitor provided in this converter is theoretically used with a 3-phase AC Charging not required as the input power is constant over time. However, it is still required because the charger usually also has to enable single-phase charging, which means that the fluctuating input power needs to be smoothed out. However, it is advantageous that in this topology only one bulk capacitor is installed in the entire device, while in the topology with three independent phases this capacitor is installed three times in total. Here, too, the capacitor is followed by a galvanically isolated DC-DC converter. In a 400-volt vehicle, it has a transmission ratio of around two to one to three to two. In an 800 volt vehicle it would be about three to four to one to one. For example, a B6 bridge (three-phase inverter) or a "VIENNA RECTIFIR" are used as PFC in such a converter. A buck-boost PFC is usually not provided in vehicles. As a galvanically isolated converter, there are also several circuit topologies to choose from. The most commonly used circuit is the so-called LLC topology. Furthermore, the Dual Active Bridge or the Phase Shift Full Bridge are also known. The galvanically isolated converter must be designed for the overall performance of the on-board charger. Several galvanically isolated DC-DC converters can also be operated in parallel.

Beispielsweise zeigen die DE 10 2019 001 196 A1 , die DE 10 2019 003 459 A1 , die DE 10 2019 005 732 A1 , die DE 10 2018 006 409 A1 oder die DE 10 2018 000 491 A1 beispielhafte Bordnetze und Ladesysteme von Fahrzeugen mit einem On-Bord-Lader zum Laden einer Fahrzeugbatterie an einem Wechselstromanschluss.For example, the DE 10 2019 001 196 A1 , the DE 10 2019 003 459 A1 , the DE 10 2019 005 732 A1 , the DE 10 2018 006 409 A1 or the DE 10 2018 000 491 A1 exemplary vehicle electrical systems and charging systems with an on-board charger for charging a vehicle battery at an AC connection.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ladeeinrichtung („On-BordLader“) für elektrisch betriebene Fahrzeuge funktioneller zu gestalten, sodass dieser für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann.An object of the present invention is to make a charging device (“on-board charger”) for electrically operated vehicles more functional, so that it can be used for various applications.

Diese Aufgabe wird durch eine Ladeeinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a charging device and a method according to the independent patent claims. Useful further developments result from the dependent patent claims.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus einer Wechselspannung, mit

  • - einer Eingangsseite zum Bereitstellen der Wechselspannung,
  • - einer Ausgangsseite zum Bereitstellen einer Gleichspannung aus der Wechselspannung für den elektrischen Energiespeicher,
  • - einem Gleichrichter zum Gleichrichten der Wechselspannung in eine erste Zwischenkreisspannung,
  • - einem Gleichspannungswandler zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung in die Gleichspannung oder zum Wandeln einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers in eine zweite Zwischenkreisspannung,
  • - einen Zwischenkreisabgriff, welcher zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichspannungswandler angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung für ein elektrisches Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder einen elektrischen Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
One aspect of the invention relates to a charging device for an electrically operated vehicle for charging an electrical energy store of the electrically operated vehicle from an AC voltage
  • - an input side for providing the AC voltage,
  • - an output side for providing a DC voltage from the AC voltage for the electrical energy store,
  • - a rectifier for rectifying the AC voltage into a first intermediate circuit voltage,
  • - a DC voltage converter for converting the first intermediate circuit voltage into the DC voltage or for converting a battery voltage of the electrical energy store into a second intermediate circuit voltage,
  • - An intermediate circuit tap, which is arranged between the rectifier and the DC voltage converter, for providing the second intermediate circuit voltage for an electrical system of the electrically operated vehicle and / or an electrical consumer of the electrically operated vehicle.

Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung können beispielsweise Bordlader umfangreicher und insbesondere vielseitiger im Fahrzeug eingesetzt werden. Da beispielsweise bei Plug-in-Fahrzeugen aufgrund beispielsweise von Abgasvorschriften notwendig sein kann, zusätzliche elektrische Leistung für eine Katalysator-Heizung oder ein zusätzliches Gebläse bereitzustellen, ist ein höherer Leistungsbedarf erforderlich. Dies kann durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung erreicht werden, da beispielsweise solche Verbraucher mittels des Zwischenkreisabgriffs elektrisch versorgt werden können. Beispielsweise kann es sich bei der zweiten Zwischenkreisspannung beziehungsweise ersten Zwischenkreisspannung um eine LV-Spannung, also eine Niedervolt-Spannung, handeln. Da beispielsweise die Heizelemente (wie die Katalysator-Heizung) über sehr hohe Temperaturen verfügen und eine elektrische Isolation hier kritisch gesehen wird, ist eine Niederspannung vorteilhaft. Aufgrund der trotzdem noch hohen Leistung wäre hier eine Spannungslage von 48 Volt beispielsweise zu favorisieren, um die Ströme noch etwas geringer zu halten und die Kabelquerschnitte beziehungsweise Kontaktierungselemente nicht zu groß werden zu lassen. Mithilfe des Zwischenkreisabgriffs der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung kann beispielsweise eine solche 48-Volt- und/oder 12-Volt-Spannung bereitgestellt werden.The charging device according to the invention makes it possible, for example, to use on-board chargers more extensively and in particular in a more versatile manner in the vehicle. Since, for example, in the case of plug-in vehicles it may be necessary to provide additional electrical power for a catalytic converter heater or an additional blower due to exhaust gas regulations, for example, a higher power requirement is required. This can be achieved by the charging device according to the invention since, for example, such consumers can be supplied with electricity by means of the intermediate circuit tap. For example, the second intermediate circuit voltage or first intermediate circuit voltage can be an LV voltage, that is to say a low-voltage voltage. Since, for example, the heating elements (such as the catalytic converter heater) have very high temperatures and electrical insulation is viewed critically here, a low voltage is advantageous. Due to the still high performance, a voltage level of 48 volts would be preferable here, for example, in order to keep the currents a little lower and not to let the cable cross-sections or contacting elements become too large. Such a 48 volt and/or 12 volt voltage, for example, can be provided with the aid of the intermediate circuit tap of the charging device according to the invention.

Vorteilhaft kommt die vorgeschlagene Ladeeinrichtung auch dann zum Tragen, wenn im Fahrzeug Weiterentwicklungen von autonomen Fahrfunktionen eingesetzt werden. Diese benötigen ein redundantes LV-Bordnetz, also ein Niedervoltbordnetz. Dieses Bordnetz muss aus Sicherheitsgründen aus einem weiteren galvanisch isolierenden DC-DC-Wandler aus dem Hauptbordnetz beziehungsweise Oberbordnetz des Fahrzeugs versorgt werden. Solche Zusatzfunktionen beziehungsweise Zusatzleistungen stellen einen erheblichen Zusatzbedarf an Bauraum und Kosten dar. Hierzu greift die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ein, da durch den erfindungsgemäßen Zwischenabgriff für das elektrische Bordnetz und/oder für elektrische Verbraucher die zweite Zwischenkreisspannung, insbesondere eine 48-Volt- oder 12-Volt-Spannung, bereitgestellt werden kann.The proposed charging device is also advantageous when further developments of autonomous driving functions are used in the vehicle. These require a redundant LV on-board network, i.e. a low-voltage on-board network. For safety reasons, this vehicle electrical system must be supplied from another galvanically isolating DC-DC converter from the vehicle's main vehicle electrical system or upper vehicle electrical system. Such additional functions or additional services The charging device according to the invention comes into play here, since the intermediate tap according to the invention for the on-board electrical system and/or for electrical consumers means that the second intermediate circuit voltage, in particular a 48-volt or 12-volt voltage, can be provided.

Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung eine, insbesondere maximale, Synergie zwischen einem Bordlader und einem LV-DC-DC-Wandler erreicht werden. Alle neuen erforderlichen Funktionen können durch eine Mehrfachnutzung der Ladeeinrichtung erreicht werden.In particular, by means of the charging device according to the invention, an in particular maximum synergy can be achieved between an on-board charger and an LV-DC-DC converter. All new required functions can be achieved by multiple use of the charging device.

Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung hat den Vorteil, dass diese im Vergleich zu einem verteilten HV-System bestehend aus OBC („On-Board-Charger“) und separater DC-DC-Wandler einen geringeren Bauraumbedarf aufweist. Somit können auch Kosteneinsparungen vorgenommen werden. Insbesondere kann durch die vorgeschlagene Ladeeinrichtung eine Gewichtseinsparung im Fahrzeug erreicht werden. Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung kann ein Bordlader („On-Bord-Loader“) so angepasst werden, dass dieser eine Wechselspannung in eine Niedervolt-Gleichspannung (LV-DC-Spannung) wandeln kann. Somit kann beim Laden des Fahrzeuges auch ein LV-Bereich (Lower Voltage) elektrisch versorgt werden. Über einen bidirektionalen Teil der Ladeeinrichtung kann dann auch im Fahrbetrieb aus einem HV-Bereich (High Voltage) der LV-Bereich des Bordnetzes elektrisch versorgt werden. Insbesondere kann mithilfe der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung ein Bordlader bereitgestellt werden, bei welchem die PFC nicht wie üblich die AC-Spannung auf ein höheres DC-Spannungsniveau anhebt, sondern die AC-Spannung auf ein LV-Spannungsniveau (zum Beispiel 48 Volt) absenkt, also im Buck-Betrieb. Der Ausgang der Buck-PFC ist über den internen Zwischenkreis im Bordlader beziehungsweise der Ladeeinrichtung mit einem bidirektional galvanisch isolierenden Wandler verbunden. Der interne Abgriff kann bei Bedarf mit einem LV-Bordnetz über Schaltelemente verbunden werden oder getrennt werden.The charging device according to the invention has the advantage that, in comparison to a distributed HV system consisting of an OBC (“on-board charger”) and a separate DC-DC converter, it requires less installation space. Thus, cost savings can also be made. In particular, the proposed charging device can save weight in the vehicle. With the charging device according to the invention, an on-board charger (“on-board loader”) can be adapted in such a way that it can convert an AC voltage into a low-voltage direct current (LV-DC voltage). This means that an LV area (lower voltage) can also be supplied with electricity when the vehicle is being charged. The LV area of the vehicle electrical system can then also be supplied with electricity from an HV area (high voltage) during driving operation via a bidirectional part of the charging device. In particular, the charging device according to the invention can be used to provide an on-board charger in which the PFC does not raise the AC voltage to a higher DC voltage level as is usual, but instead lowers the AC voltage to an LV voltage level (e.g. 48 volts), i.e. in Buck operation. The output of the buck PFC is connected to a bidirectional, galvanically isolating converter via the internal intermediate circuit in the on-board charger or the charging device. If required, the internal tap can be connected to an LV vehicle electrical system via switching elements or separated.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei

  • - mit einem Gleichrichter der Ladeeinrichtung eine Wechselspannung, welche an einer Eingangsseite der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung gleichgerichtet wird,
  • - in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die erste Zwischenkreisspannung mit einem Gleichspannungswandler der Ladeeinrichtung in eine Gleichspannung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des elektrisch betriebenen Fahrzeugs umgewandelt wird, und
  • - in einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung eine Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers mit dem Gleichspannungswandler in eine zweite Zwischenkreisspannung umgewandelt wird,
  • - in dem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung die zweite Zwischenkreisspannung einem elektrischen Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder einem elektrischen Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereitgestellt wird.
Another aspect of the invention relates to a method for operating a charging device of an electrically operated vehicle, wherein
  • - with a rectifier of the charging device, an AC voltage, which is provided on an input side of the charging device, is rectified into a first intermediate circuit voltage,
  • - In a first operating state of the charging device, the first intermediate circuit voltage is converted with a DC voltage converter of the charging device into a DC voltage for charging an electrical energy store of the electrically operated vehicle, and
  • - In a second operating state of the charging device, a battery voltage of the electrical energy store is converted into a second intermediate circuit voltage with the DC voltage converter,
  • - In the second operating state of the charging device, the second intermediate circuit voltage is provided to an on-board electrical system of the electrically operated vehicle and/or an electrical consumer of the electrically operated vehicle.

Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit der vorher geschilderten Ladeeinrichtung durchgeführt werden.In particular, the method just described can be carried out with the charging device described above.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise ein Teilbordnetz, Niedervoltbordnetz oder LV-Bordnetz des elektrisch betriebenen Fahrzeugs und/oder elektrische Verbraucher des elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einer LV-Spannung elektrisch versorgt werden. Dies kann insbesondere in einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges durchgeführt werden, sodass beispielsweise im Fahrbetrieb des Fahrzeuges durch die zweite Zwischenkreisspannung zusätzliche elektrische Verbraucher und/oder Funktionen im Fahrzeug elektrisch versorgt werden können. Somit kann auf zusätzliche Kapazitäten bezüglich des elektrischen Energiespeichers und/oder zusätzliche komplexe Schaltungen verzichtet werden.The method according to the invention can be used, for example, to electrically supply a partial vehicle electrical system, low-voltage vehicle electrical system or LV vehicle electrical system of the electrically operated vehicle and/or electrical consumers of the electrically operated vehicle with an LV voltage. This can be carried out in particular when the vehicle is being driven, so that additional electrical loads and/or functions in the vehicle can be electrically supplied by the second intermediate circuit voltage, for example when the vehicle is being driven. Additional capacities with regard to the electrical energy store and/or additional complex circuits can thus be dispensed with.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Ladeeinrichtung sind als vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen. Insbesondere weist die Ladeeinrichtung Mittel auf, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.Advantageous embodiments of the charging device are to be regarded as advantageous embodiments of the method and vice versa. In particular, the charging device has means for carrying out the method according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing(s). The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention.

Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung;
  • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1;
  • 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1; und
  • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Ladeeinrichtung aus 1.
The following figures show in:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of a charging device according to the invention;
  • 2 a schematic representation of a further embodiment of the charging device 1 ;
  • 3 a schematic representation of a further embodiment of the charging device 1 ; and
  • 4 a schematic representation of a further embodiment of the charging device 1 .

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function are provided with the same reference symbols in the figures.

Die 1 zeigt ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 1, bei welchem es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug, ein Plug-in-Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln kann. Das Fahrzeug 1 weist ein elektrisches Bordnetz 2 auf, mit welchem beispielsweise das Fahrzeugsystem und/oder Fahrzeugkomponenten des Fahrzeugs 1 elektrisch versorgt und insbesondere gesteuert werden können. Beispielsweise dient das elektrische Bordnetz 2 zum elektrischen Versorgen einer Antriebseinheit, wie eines Elektromotors des Fahrzeugs 1.the 1 shows an electrically operated vehicle 1, which can be, for example, an electric vehicle, a plug-in vehicle or a hybrid vehicle. The vehicle 1 has an on-board electrical system 2 with which, for example, the vehicle system and/or vehicle components of the vehicle 1 can be electrically supplied and in particular controlled. For example, the on-board electrical system 2 is used to supply electricity to a drive unit, such as an electric motor of the vehicle 1.

Bei dem Bordnetz 2 kann es sich um ein Haupt-Bordnetz oder um ein übergeordnetes Bordnetz des Fahrzeugs 1 handeln.The vehicle electrical system 2 can be a main vehicle electrical system or a higher-level vehicle electrical system of the vehicle 1 .

Insbesondere weist das Fahrzeug 1 eine Ladeeinrichtung 3 auf. Bei der Ladeeinrichtung 3 kann es sich um ein integriertes Ladegerät, On-Bord-Charger, On-Bord-Lader oder um eine elektrische Ladeeinheit des Fahrzeugs 1 handeln. Mithilfe der Ladeeinrichtung 3 kann primär ein elektrischer Energiespeicher 4 des Fahrzeugs 1 aus einer Wechselspannung UAC elektrisch geladen werden. Hierzu kann die Ladeeinrichtung 3, welche Bestandteil des elektrischen Bordnetzes 2 sein kann, an einen Wechselspannungsanschluss 5 angeschlossen werden. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Wechselstromladesäule handeln. Ebenso denkbar ist, dass es sich bei dem Wechselspannungsanschluss 5 um ein Spannungsnetz handelt. Beispielsweise kann die Wechselspannung UAC einer Eingangsseite 6 der Ladeeinrichtung 3 zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann die Wechselspannung UAC 110 Volt oder 230 Volt betragen. Mithilfe der Ladeeinrichtung 3 kann die Wechselspannung UAC in eine Gleichspannung UDC gewandelt werden. Diese kann wiederum an einer Ausgangsseite 7 der Ladeeinrichtung 3 bereitgestellt werden, sodass mithilfe der Gleichspannung UDC der elektrische Energiespeicher 4 geladen werden kann. Bei dem elektrischen Energiespeicher 4 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie, Hochvoltbatterie oder um Batteriesysteme sowie Batterieanordnungen des Fahrzeuges 1 handeln. Insbesondere weist die Gleichspannung UDC ein Spannungslevel von größer 60 Volt, beispielsweise 400 Volt, auf.In particular, the vehicle 1 has a charging device 3 . The charging device 3 can be an integrated charging device, on-board charger, on-board charger or an electric charging unit of the vehicle 1 . Using the charging device 3, an electrical energy store 4 of the vehicle 1 can primarily be electrically charged from an AC voltage UAC. For this purpose, the charging device 3 , which can be part of the on-board electrical system 2 , can be connected to an AC voltage connection 5 . This can be an AC charging station, for example. It is also conceivable that the AC voltage connection 5 is a voltage network. For example, the AC voltage UAC can be made available to an input side 6 of the charging device 3 . For example, the AC voltage UAC can be 110 volts or 230 volts. The AC voltage UAC can be converted into a DC voltage UDC with the aid of the charging device 3 . This can in turn be provided on an output side 7 of the charging device 3 so that the electrical energy store 4 can be charged using the direct voltage UDC. The electrical energy store 4 can be, for example, a vehicle battery, high-voltage battery or battery systems and battery arrangements of the vehicle 1 . In particular, the direct voltage UDC has a voltage level of more than 60 volts, for example 400 volts.

Mithilfe eines Gleichrichters 8 kann die Wechselspannung UAC in eine erste Zwischenkreisspannung UZ1 gleichgerichtet beziehungsweise gewandelt werden. Insbesondere kann hierzu der Gleichrichter 8 einen Leistungsfaktorkorrekturfilter und einen Abwärtswandler aufweisen. Somit kann der Gleichrichter 5 als Buck-PFC-Wandler beziehungsweise Buck-PFC-Einheit bezeichnet werden. Somit handelt es sich bei der ersten Zwischenkreisspannung UZ1 um eine Gleichspannung. Des Weiteren weist die Ladeeinrichtung 3 einen Gleichspannungswandler 9 auf. Mit diesem kann beispielsweise die erste Zwischenkreisspannung UZ1 in die Gleichspannung UDC gewandelt werden. Der Gleichspannungswandler 9 kann beispielsweise als galvanisch isolierender DC-DC-Wandler ausgebildet sein. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler 9 bidirektional, also als bidirektionaler isolierender DC-DC-Wandler, ausgebildet sein. Somit kann des Weiteren der Gleichspannungswandler 9 dazu verwendet werden, um eine Batteriespannung UBatt des elektrischen Energiespeichers 4 in eine zweite Zwischenkreisspannung UZ2 umzuwandeln. Insbesondere wird in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 die Wechselspannung UAC in die Gleichspannung UDC umgewandelt. Bei dem ersten Betriebszustand handelt es sich beispielsweise um einen Ladebetrieb beziehungsweise Ladezustand des Fahrzeugs 1. In einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 kann wiederum die Batteriespannung UBatt in die zweite Zwischenkreisspannung UZ2 gewandelt werden. Somit kann je nach Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 und insbesondere je nach Betriebszustand des Fahrzeugs 1 die Ladeeinrichtung 3 und insbesondere der Gleichspannungswandler 9 bidirektional, also in beide Richtungen wandelbar, betrieben werden.With the help of a rectifier 8, the AC voltage UAC can be rectified or converted into a first intermediate circuit voltage UZ1. In particular, the rectifier 8 can have a power factor correction filter and a step-down converter for this purpose. The rectifier 5 can thus be referred to as a buck PFC converter or buck PFC unit. The first intermediate circuit voltage UZ1 is therefore a direct voltage. Furthermore, the charging device 3 has a DC voltage converter 9 . With this, for example, the first intermediate circuit voltage UZ1 can be converted into the direct voltage UDC. The DC voltage converter 9 can be designed, for example, as a galvanically isolating DC-DC converter. In particular, the DC voltage converter 9 can be bidirectional, that is to say as a bidirectional isolating DC-DC converter. Thus, the DC voltage converter 9 can also be used to convert a battery voltage UBatt of the electrical energy store 4 into a second intermediate circuit voltage UZ2. In particular, in a first operating state of the charging device 3, the alternating voltage UAC is converted into the direct voltage UDC. The first operating state is, for example, a charging operation or state of charge of the vehicle 1. In a second operating state of the charging device 3, the battery voltage UBatt can in turn be converted into the second intermediate circuit voltage UZ2. Thus, depending on the operating state of the charging device 3 and in particular depending on the operating state of the vehicle 1, the charging device 3 and in particular the DC-DC converter 9 can be operated bidirectionally, ie convertible in both directions.

Beispielsweise ist die Eingangsseite 6 der Ladeeinrichtung 3 mit einer Eingangsseite 10 des Gleichrichters 8 elektrisch verbunden. Eine Ausgangsseite 11 des Gleichrichters 8 ist mit der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 elektrisch verbunden und die Ausgangsseite 7 der Ladeeinrichtung 3 ist mit einer Ausgangsseite 13 des Gleichspannungswandlers 9 elektrisch verbunden.For example, the input side 6 of the charging device 3 is electrically connected to an input side 10 of the rectifier 8 . An output side 11 of the rectifier 8 is electrically connected to the input side 12 of the DC-DC converter 9 and the output side 7 of the charging device 3 is electrically connected to an output side 13 of the DC-DC converter 9 .

Um, wie bereits eingangs erwähnt, die Ladeeinrichtung 3 in ihrem Funktionsumfang beziehungsweise Anwendungsgebiet vielfältiger zu nutzen beziehungsweise zu erweitern, ist zwischen der Ausgangsseite 11 des Gleichrichters 8 und der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 ein, insbesondere elektrischer, Zwischenkreis 14 angeordnet beziehungsweise geschalten. Dieser Zwischenkreis 14 kann zur Bereitstellung der beiden Zwischenkreisspannungen UZ1 und UZ2 dienen. Insbesondere kann es sich bei der ersten Zwischenkreisspannung und der zweiten Zwischenkreisspannung UZ1, UZ2 um ein und dieselbe Spannung handeln. Insbesondere kann die erste und zweite Zwischenkreisspannung UZ1, UZ2 denselben Spannungswert aufweisen.In order, as already mentioned, to use or expand the charging device 3 more diversely in terms of its range of functions or area of application, between the output side 11 of the rectifier 8 and the input On the output side 12 of the DC-DC converter 9, an intermediate circuit 14, in particular an electrical one, is arranged or connected. This intermediate circuit 14 can be used to provide the two intermediate circuit voltages UZ1 and UZ2. In particular, the first intermediate circuit voltage and the second intermediate circuit voltage UZ1, UZ2 can be one and the same voltage. In particular, the first and second intermediate circuit voltage UZ1, UZ2 can have the same voltage value.

Der Zwischenkreis 14 weist insbesondere einen Zwischenkreisabgriff 15 auf. Mit diesem kann insbesondere die zweite Zwischenkreisspannung UZ2 für ein elektrisches Bordnetz 16 und/oder einen elektrischen Verbraucher 17 zur Verfügung beziehungsweise bereitgestellt werden. Bei dem elektrischen Bordnetz 16 handelt es sich um ein gegenüber dem Bordnetz 2 separates beziehungsweise verschiedenes Bordnetz. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Bordnetz 16 um ein Teilbordnetz, Niedervoltbordnetz oder ein LV-Bordnetz. Das Bordnetz 16 ist zum Bordnetz 2 separat ausgebildet. Bei dem elektrischen Verbraucher 17 kann es sich wiederum um einen elektrischen Zusatzverbraucher des LV-Bordnetzes handeln. Insbesondere kann mithilfe der zweiten Zwischenkreisspannung UZ2 die Abgas-Nachbehandlung des Fahrzeugs 1 und/oder das LV-Bordnetz für autonome Fahrfunktionen elektrisch versorgt werden.The intermediate circuit 14 has in particular an intermediate circuit tap 15 . With this, in particular the second intermediate circuit voltage UZ2 for an electrical system 16 and/or an electrical load 17 can be made available or provided. The vehicle electrical system 16 is a vehicle electrical system that is separate or different from the vehicle electrical system 2 . In particular, the vehicle electrical system 16 is a partial vehicle electrical system, a low-voltage vehicle electrical system or an LV vehicle electrical system. The vehicle electrical system 16 is designed separately from the vehicle electrical system 2 . The electrical consumer 17 can in turn be an additional electrical consumer of the LV vehicle electrical system. In particular, the exhaust gas after-treatment of the vehicle 1 and/or the LV vehicle electrical system for autonomous driving functions can be supplied with electricity using the second intermediate circuit voltage UZ2.

Bei dem Zwischenabgriff 15, welcher insbesondere zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9 verschaltet ist, kann mittels Schaltelemente 18, 19 mit dem Zwischenkreis 14 elektrisch verbunden sein, wobei die Schaltelemente 18, 19 in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Ladeeinrichtung 3 schaltbar ist. Insbesondere handelt es sich bei den Schaltelementen 18, 19 um einen jeweiligen Schalter für einen positiven und negativen Strompfad zwischen dem Gleichrichter 8 und Gleichspannungswandler 9. Insbesondere handelt es sich bei den Schaltelementen 18, 19 um einen Wechselschalter. Insbesondere kann die Ladeeinrichtung 3 als HV-LV-DC-DC-Wandler verwendet werden. Hierzu können beispielsweise die Zwischenkreisspannungen UZ1, UZ2 12 Volt oder 48 Volt aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung kann eine maximale Synergie der Komponenten des AC-Bordladers und der zusätzlichen LV-Leistungsbereitstellung zur Erfüllung von Abgasvorschriften oder zum Aufbau eines redundanten 12-Volt-Bordnetzes erzielt werden.The intermediate tap 15, which is connected in particular between the rectifier 8 and the DC voltage converter 9, can be electrically connected to the intermediate circuit 14 by means of switching elements 18, 19, with the switching elements 18, 19 being switchable depending on an operating state of the charging device 3. In particular, the switching elements 18, 19 are a respective switch for a positive and negative current path between the rectifier 8 and DC voltage converter 9. In particular, the switching elements 18, 19 are a changeover switch. In particular, the charging device 3 can be used as an HV-LV DC-DC converter. For this purpose, for example, the intermediate circuit voltages UZ1, UZ2 can have 12 volts or 48 volts. The charging device according to the invention allows maximum synergy between the components of the AC on-board charger and the additional provision of LV power to meet emissions regulations or to set up a redundant 12-volt vehicle electrical system.

Die Ladeeinrichtung 3 wird beispielsweise als isolierender Bordlader mit Subkomponenten verwendet. Dies kann während der Fahrt des Fahrzeugs 1 erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei dem Bordnetz 16 um ein 48-Volt-Bordnetz für die Abgasnachbehandlung oder um ein redundantes 12-Volt-Bordnetz für autonome Fahrfunktionen handeln. Diese können mit der Zwischenkreisspannung UZ2 versorgt werden.The charging device 3 is used, for example, as an isolating on-board charger with sub-components. This can be done while the vehicle 1 is driving. For example, the vehicle electrical system 16 can be a 48-volt vehicle electrical system for exhaust gas aftertreatment or a redundant 12-volt vehicle electrical system for autonomous driving functions. These can be supplied with the intermediate circuit voltage UZ2.

Bei einem 3-phasigen AC-Laden steht die Leistung der elektronischen Komponenten der Ladeeinrichtung 3 ausschließlich der Ladefunktion zur Verfügung. Beim Laden mit weniger als drei Phasen kann gegebenenfalls eine Leistung für die Zusatzfunktionen genutzt werden.With 3-phase AC charging, the power of the electronic components of the charging device 3 is exclusively available for the charging function. When charging with fewer than three phases, power can be used for the additional functions if necessary.

Insbesondere ist in der 1 der Fall dargestellt, bei welchem an der Eingangsseite 6 eine Sternpunktspannung abgegriffen wird. Insbesondere regelt der Gleichrichter an der AC-Eingangsseite 6 den Sollstrom und regelt auf der Ausgangsseite 11 auf eine Spannung im LV-Spannungsbereich, also die Zwischenkreisspannung UZ1. Bevorzugt ist hier ein 48-Volt-Spannungsbereich vorgesehen, um die auftretenden Ströme möglichst klein zu halten. Nach dem internen LV-Zwischenkreis, also dem Zwischenkreis 14, folgt ein bidirektionaler LV-HV-DC-DC-Wandler (typischerweise zum Wandeln von 48 Volt auf 400 Volt), der an seinen Ausgangsklemmen, also einem Ausgang 13, mit einem HV-System des Fahrzeuges 1 und/oder mit dem elektrischen Energiespeicher 4 elektrisch verbunden ist.In particular, in the 1 the case shown in which a neutral point voltage is tapped on the input side 6. In particular, the rectifier regulates the setpoint current on the AC input side 6 and regulates it to a voltage in the LV voltage range on the output side 11, ie the intermediate circuit voltage UZ1. A 48-volt voltage range is preferably provided here in order to keep the currents that occur as small as possible. After the internal LV intermediate circuit, i.e. the intermediate circuit 14, there follows a bidirectional LV-HV-DC-DC converter (typically for converting from 48 volts to 400 volts), which is connected to its output terminals, i.e. an output 13, with an HV System of the vehicle 1 and / or with the electrical energy storage device 4 is electrically connected.

Über galvanisch trennende Schaltelemente (Schaltelemente 18, 19) ist es möglich, auf den internen LV-Zwischenkreis (Zwischenkreis 14) zwischen PFC und isolierendem DC-DC-Wandler zuzugreifen. Hier werden die Verbraucher für die Abgas-Nachbehandlung oder das LV-Bordnetz (Bordnetz 16) für die autonomen Fahrfunktionen angeschlossen.It is possible to access the internal LV intermediate circuit (intermediate circuit 14) between the PFC and the isolating DC-DC converter via galvanically isolating switching elements (switching elements 18, 19). This is where the consumers for the exhaust aftertreatment or the LV on-board network (on-board network 16) for the autonomous driving functions are connected.

Insbesondere ist in der dargestellten 1 ein einphasiger Aufbau dargestellt. Bei einem ersten Betriebszustand, also beim AC-Laden, werden die beiden Schalter (Schaltelement 18, 19) geschlossen, sodass der Ausgang beziehungsweise die Ausgangsseite 11 der Buck-PFC mit der Eingangsseite 12 des Gleichspannungswandlers 9 verbunden ist. Die Schaltelemente 18, 19 trennen dabei die Verbraucher 17 beziehungsweise das Bordnetz 16 vom AC-Netz. Die Buck-PFC beziehungsweise der Gleichrichter 8 regelt dabei auf eine definierte LV-Ausgangsspannung von beispielsweise 48 Volt, also die erste Zwischenkreisspannung UZ1. Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) setzt dies auf eine HV-Spannung, insbesondere die Gleichspannung UDC, hoch. Diese kann zum Laden des elektrischen Energiespeichers 4 beziehungsweise einer HV-Fahrzeug-Batterie verwendet werden. In dem zweiten Betriebszustand, also beispielsweise beim Fahren beziehungsweise Fortbewegen des Fahrzeuges 1, oder Nachladen einer LV-Batterie, werden die Schaltelemente 18, 19 geöffnet, sodass der Ausgang der Buck-PFC (Ausgangsseite 11) vom internen LV-Zwischenkreis (Zwischenkreis 14) galvanisch getrennt ist. Damit wird sichergestellt, dass die Kontakte der AC-Ladedose (Wechselspannungsanspruch 5) nicht unter Spannung stehen. Da es sich jedoch um LV-Spannung handelt, wäre diese Maßnahme nicht zwingend notwendig. Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) ist über das Schaltelement 18, 19 auf seiner LV-Seite (Eingangsseite 12) mit dem LV-Bordnetz (Bordnetz 16) verbunden und speist nun aus der HV-Batterie (elektrischer Energiespeicher 4).In particular, in the illustrated 1 a single-phase structure is shown. In a first operating state, ie during AC charging, the two switches (switching element 18, 19) are closed, so that the output or the output side 11 of the buck PFC is connected to the input side 12 of the DC-DC converter 9. The switching elements 18, 19 separate the consumers 17 or the vehicle electrical system 16 from the AC network. In this case, the buck PFC or the rectifier 8 regulates to a defined LV output voltage of, for example, 48 volts, that is to say the first intermediate circuit voltage UZ1. The isolating DC-DC converter (DC converter 9) sets this up to an HV voltage, in particular the DC voltage UDC. This can be used to charge the electrical energy store 4 or a HV vehicle battery. In the second operating state, for example when driving or moving the vehicle 1, or recharging an LV battery, the switching elements 18, 19 are opened, so that the output of the buck PFC (output page 11) is electrically isolated from the internal LV intermediate circuit (intermediate circuit 14). This ensures that the contacts of the AC charging socket (AC voltage claim 5) are not live. However, since it is LV voltage, this measure would not be absolutely necessary. The isolating DC-DC converter (DC converter 9) is connected to the LV vehicle electrical system (vehicle electrical system 16) via the switching element 18, 19 on its LV side (input side 12) and now feeds from the HV battery (electrical energy store 4) .

Des Weiteren ist es ebenfalls denkbar, dass pro Phase eines Wechselspannungsnetzes (L1, L2, L3) je eine Ladeeinrichtung 3 vorgesehen ist. Somit ist das Gezeigte in der 1 pro Phase anwendbar. Somit kann bei einem 3-phasigen Aufbau, welcher aus drei einzelnen AC-Ladephasen (Rails) besteht, jede Wechselspannung einer jeweiligen Phase in eine Gleichspannung gewandelt werden und wiederum pro Phase ein Zwischenabgriff bereitgestellt werden, um verschiedene LV-Bordnetze beispielsweise versorgen zu können. Beispielsweise können somit drei verschiedene LV-Bordnetze versorgt werden. Beispielsweise könnten diese Bordnetze durch Parallelschaltung kombiniert werden oder als eigenständige unabhängige Bordnetze versorgt werden.Furthermore, it is also conceivable that one charging device 3 is provided for each phase of an AC voltage network (L1, L2, L3). Thus, what is shown is in the 1 applicable per phase. With a 3-phase structure, which consists of three individual AC charging phases (rails), each AC voltage of a respective phase can be converted into a DC voltage and an intermediate tap can be provided for each phase in order to be able to supply different LV on-board networks, for example. For example, three different LV vehicle electrical systems can thus be supplied. For example, these vehicle electrical systems could be combined by connecting them in parallel or supplied as separate, independent vehicle electrical systems.

Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Ladeeinrichtung 3 aus 1. Hier ist der Unterschied beziehungsweise die Modifikation, dass anstelle von zwei Umschaltelementen (Schaltelemente 18, 19) eine feste Verbindung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9 vorhanden ist. Das LV-Bordnetz (Bordnetz 16) kann über eigene Schaltelemente 20, 21 zugeschaltet oder galvanisch getrennt werden. Somit besteht hier die Verbindung zwischen der Eingangsseite 6 und der Ausgangsseite 7 immer und die Schaltelemente 20, 21 sind hier von außerhalb, sodass hier im Vergleich zu der 1 der Zwischenabgriff 15 mehr getrennt von dem Zwischenkreis 14 ausgestaltet ist. Bei einem AC-Laden werden die Schaltelemente 20, 21 geöffnet, sodass der Ausgang 11 mit der Eingangsseite 12 elektrisch verbunden ist. Die Schaltelemente 20, 21 trennen dabei den Verbraucher 17 beziehungsweise das Bordnetz 16 vom AC-Netz. Der Gleichrichter 8 regelt dabei auf eine definierte LV-Ausgangsspannung (erste Zwischenkreisspannung UZ1). Der isolierende DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler 9) setzt dies auf eine HV-Spannung (Gleichspannung UDC) hoch, um den elektrischen Energiespeicher 4 laden zu können.the 2 shows a further embodiment of the charging device 3 1 . Here the difference or the modification is that instead of two switching elements (switching elements 18, 19) there is a fixed connection between the rectifier 8 and the DC voltage converter 9. The LV vehicle electrical system (vehicle electrical system 16) can be switched on via its own switching elements 20, 21 or be electrically isolated. Thus, there is always a connection between the input side 6 and the output side 7 and the switching elements 20, 21 are here from the outside, so here in comparison to the 1 the intermediate tap 15 is configured more separately from the intermediate circuit 14 . With AC charging, the switching elements 20, 21 are opened, so that the output 11 is electrically connected to the input side 12. The switching elements 20, 21 separate the consumer 17 or the vehicle electrical system 16 from the AC network. The rectifier 8 regulates to a defined LV output voltage (first intermediate circuit voltage UZ1). The isolating DC-DC converter (DC converter 9) increases this to an HV voltage (DC voltage UDC) in order to be able to charge the electrical energy store 4 .

Bei einem Fahrbetrieb des Fahrzeuges 1 werden die Schaltelemente 20, 21 geschlossen. Die Ausgangsseite 11 ist trotzdem mit dem internen LV-Zwischenkreis verbunden. Durch die sperrenden Halbleiter der PFC (Gleichrichter 8) ist sichergestellt, dass die Spannung auf unter 60 Volt begrenzt ist und von der HV-Spannung beziehungsweise Gleichspannung UDC des elektrischen Energiespeichers 4 galvanisch getrennt sind. Der isolierende DC-DC-Wandler ist über die Schaltelemente 20, 21 auf seiner LV-Seite (Eingangsseite 12) mit dem Bordnetz 16 beziehungsweise Verbraucher 17 gekoppelt und speist nun aus dem elektrischen Energiespeicher 4. Wie bereits vorstehend zu 1 erläutert, kann die Ausführung gemäß der 2 ebenfalls für einen 3-phasigen Aufbau verwendet werden. Hierbei besteht eine permanente Verbindung zwischen einem jeweiligen Gleichrichter und Gleichspannungswandler. Somit weist wiederum jede Phase eine eigene Ladeeinrichtung 3 auf. Somit können mehrere LV-Bordnetze versorgt werden, wobei diese durch Parallelschaltung kombiniert werden oder als eigenständige unabhängige Bordnetze versorgt werden.When the vehicle 1 is being driven, the switching elements 20, 21 are closed. The output side 11 is still connected to the internal LV intermediate circuit. The blocking semiconductors of the PFC (rectifier 8) ensure that the voltage is limited to less than 60 volts and is electrically isolated from the HV voltage or direct voltage UDC of the electrical energy store 4. The isolating DC-DC converter is coupled via the switching elements 20, 21 on its LV side (input side 12) to the vehicle electrical system 16 or consumer 17 and now feeds from the electrical energy store 4. As already mentioned above 1 explained, the execution according to the 2 can also be used for a 3-phase structure. There is a permanent connection between a respective rectifier and DC voltage converter. Thus, in turn, each phase has its own charging device 3 . In this way, several LV vehicle electrical systems can be supplied, which can be combined by connecting them in parallel or supplied as separate, independent vehicle electrical systems.

In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Ladeeinrichtung 3 dargestellt. Hier gilt ebenfalls gleichermaßen das bereits Gesagte zu den vorherigen Fig. Hierbei wird nun an dem Wechselspannungsanspruch 5 eine verkettete Spannung, also an drei Phasen L1, L2, L3 abgegriffen. Somit ist hier ein 3-phasiger Aufbau dargestellt, um eine verkettete Spannung (Innenleiterspannung) der drei AC-Phasen (L1, L2, L3) abzugreifen. Hierbei sind die Schaltelemente 18, 19 ähnlich wie in der 1 angeordnet. Beim AC-Laden werden die Schaltelemente 18, 19 so geschalten, dass die Ausgangsseite 11 mit der Eingangsseite 12 elektrisch verbunden ist. Der Zwischenkreisabgriff 15 ist dabei vom AC-Netz getrennt. Beim zweiten Betriebszustand, also beim Fahren, werden die Schaltelemente 18, 19 so geschalten, dass die Ausgangsseite 11 von der Eingangsseite 12 galvanisch getrennt sind. Damit wird sichergestellt, dass die Kontakte der AC-Ladedose beziehungsweise Wechselspannungsanspruch 5 nicht unter Spannung stehen. Somit wird in diesem Fall ein Leistungsfluss von dem elektrischen Energiespeicher 4 hin zum Zwischenkreisabgriff 15 und somit beispielsweise zum Bordnetz 16 erreicht.In the 3 another exemplary embodiment of the charging device 3 is shown. What has already been said about the previous figures also applies here. Thus, a 3-phase structure is shown here in order to tap a line-to-line voltage (internal conductor voltage) of the three AC phases (L1, L2, L3). Here, the switching elements 18, 19 are similar to that in FIG 1 arranged. During AC charging, the switching elements 18, 19 are switched in such a way that the output side 11 is electrically connected to the input side 12. The intermediate circuit tap 15 is separated from the AC network. In the second operating state, ie when driving, the switching elements 18, 19 are switched in such a way that the output side 11 is electrically isolated from the input side 12. This ensures that the contacts of the AC charging socket or AC voltage claim 5 are not live. In this case, a power flow is achieved from the electrical energy store 4 to the intermediate circuit tap 15 and thus, for example, to the vehicle electrical system 16 .

In der 4 ist nun wieder ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie bereits in der 2 dargestellt. Hierbei werden nicht mehr die Schaltelemente 18, 19, welche den Gleichspannungswandler 9 von dem Gleichrichter 8 trennen können, verwendet, sondern die Schaltelemente 20, 21, welche bezüglich des Zwischenkreises 14 nach außen bezogen sind. Somit besteht hier auch bei einem 3-phasigen Aufbau eine permanente Verbindung zwischen dem Gleichrichter 8 und dem Gleichspannungswandler 9.In the 4 is now again a similar embodiment as already in the 2 shown. In this case, the switching elements 18, 19, which can separate the DC-DC converter 9 from the rectifier 8, are no longer used, but rather the switching elements 20, 21, which are connected to the outside with respect to the intermediate circuit 14. Thus, even with a 3-phase structure, there is a permanent connection between the rectifier 8 and the DC voltage converter 9.

Hierbei wird in der 4 wiederum die verkettete Spannung bezüglich der drei Phasen L1, L2 und L3 abgegriffen. Mithilfe der Schaltelemente 20, 21 können insbesondere das Bordnetz 16 und der Verbraucher 17 je nach Anwendungsfall zugeschaltet werden oder galvanisch getrennt werden von dem Zwischenkreis 14. Beim AC-Laden beziehungsweise dem ersten Betriebszustand werden die Schaltelemente 20, 21 so geschalten, dass das Bordnetz 16 und der Verbraucher 17 von dem Zwischenkreis 14 galvanisch getrennt sind. Beim Fahren beziehungsweise bei einem Fortbewegen des Fahrzeugs 1 werden die Schaltelemente 20, 21 so geschalten, dass ein Stromfluss von dem elektrischen Energiespeicher 4 über den Gleichspannungswandler 9 hin zum Bordnetz 16 und/oder Verbraucher 17 realisiert ist.Here, in the 4 again tapped the phase-to-phase voltage with respect to the three phases L1, L2 and L3. With the help of the switching elements 20, 21, the vehicle electrical system 16 and the consumer 17 can in particular be switched on depending on the application or be electrically isolated from the Intermediate circuit 14. During AC charging or the first operating state, the switching elements 20, 21 are switched in such a way that the vehicle electrical system 16 and the consumer 17 are electrically isolated from the intermediate circuit 14. When driving or moving the vehicle 1, the switching elements 20, 21 are switched so that a current flow from the electrical energy store 4 via the DC-DC converter 9 to the vehicle electrical system 16 and/or consumers 17 is realized.

BezugszeichenlisteReference List

11
elektrisch betriebenes Fahrzeugelectrically powered vehicle
22
elektrisches Bordnetzelectrical system
33
Ladeeinrichtungloading device
44
elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
55
WechselspannungsanschlussAC connection
66
Eingangsseite der LadeeinrichtungInput side of the loading device
77
Ausgangsseite der LadeeinrichtungOutput side of the loading device
88th
Gleichrichterrectifier
99
GleichspannungswandlerDC converter
1010
Eingangsseite des Gleichrichtersinput side of the rectifier
1111
Ausgangsseite des Gleichrichtersoutput side of the rectifier
1212
Eingangsseite des GleichspannungswandlersInput side of the DC-DC converter
1313
Ausgangsseite des Gleichspannungswandlersoutput side of the DC-DC converter
1414
Zwischenkreisintermediate circuit
1515
Zwischenkreisabgriffintermediate circuit tap
1616
elektrisches Bordnetzelectrical system
1717
elektrischer Verbraucherelectrical consumer
18, 1918, 19
Schaltelementeswitching elements
20,2120.21
Schaltelementeswitching elements
UBattUBatt
Batteriespannungbattery voltage
UACUAC
WechselspannungAC voltage
UDCU.D.C
GleichspannungDC voltage
UZ1, UZ2UZ1, UZ2
Zwischenkreisspannungenintermediate circuit voltages
L1, L3, L3L1, L3, L3
Phasenphases
NN
Neutralleiterneutral wire

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (6)

Ladeeinrichtung (3) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) aus einer Wechselspannung (UAC), mit - einer Eingangsseite (6) zum Bereitstellen der Wechselspannung (UAC), - einer Ausgangsseite (7) zum Bereitstellen einer aus der Wechselspannung (UAC) umgewandelte Gleichspannung (UDC) für den elektrischen Energiespeicher (4), - einem Gleichrichter (8) zum Gleichrichten der Wechselspannung (UAC) in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1), - einem Gleichspannungswandler (9) zum Wandeln der ersten Zwischenkreisspannung (UZ1) in die Gleichspannung (UDC) oder zum Wandeln einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2), gekennzeichnet, durch - einen Zwischenkreisabgriff (15), welcher zwischen dem Gleichrichter 8) und dem Gleichspannungswandler (9) angeordnet ist, zum Bereitstellen der zweiten Zwischenkreisspannung (UZ2) für ein elektrisches Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einen elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1).Charging device (3) for an electrically operated vehicle (1) for charging an electrical energy store (4) of the electrically operated vehicle (1) from an alternating voltage (UAC). - an input side (6) for providing the AC voltage (UAC), - An output side (7) for providing a DC voltage (UDC) converted from the AC voltage (UAC) for the electrical energy store (4), - a rectifier (8) for rectifying the AC voltage (UAC) into a first intermediate circuit voltage (UZ1), - a DC voltage converter (9) for converting the first intermediate circuit voltage (UZ1) into the DC voltage (UDC) or for converting a battery voltage (UBatt) of the electrical energy store (4) into a second intermediate circuit voltage (UZ2), characterized by - an intermediate circuit tap (15), which is arranged between the rectifier 8) and the DC voltage converter (9), for providing the second intermediate circuit voltage (UZ2) for an electrical system (16) of the electrically operated vehicle (1) and/or an electrical consumer (17) of the electric vehicle (1). Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Eingangsseite (6) der Ladeeinrichtung (3) mit einer Eingangsseite (10) des Gleichrichters (8) elektrisch verbunden ist, - eine Ausgangseite (11) des Gleichrichters (8) mit einer Eingangsseite (12) des Gleichspannungswandlers (9) elektrisch verbunden ist, und - die Ausgangsseite (7) der Ladeeinrichtung (3) mit einer Ausgangsseite (13) des Gleichspannungswandlers (9) elektrisch verbunden ist.Charger (3) after claim 1 , characterized in that - the input side (6) of the charging device (3) is electrically connected to an input side (10) of the rectifier (8), - an output side (11) of the rectifier (8) to an input side (12) of the DC voltage converter (9) is electrically connected, and - the output side (7) of the charging device (3) is electrically connected to an output side (13) of the DC voltage converter (9). Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsseite (11) des Gleichrichters (8) und der Eingangsseite (12) des Gleichspannungswandlers (9) ein Zwischenkreis (14) angeordnet ist, mit welchem die Zwischenkreisspannungen (UZ1, UZ2) bereitstellbar sind.Charger (3) after claim 2 , characterized in that an intermediate circuit (14) is arranged between the output side (11) of the rectifier (8) and the input side (12) of the DC voltage converter (9), with which the intermediate circuit voltages (UZ1, UZ2) can be provided. Ladeeinrichtung (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreisabgriff (15) mittels Schaltelemente (18, 19, 20, 21) mit dem Zwischenkreis (14) verbunden ist, wobei die Schaltelemente (18, 19, 20, 21) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) schaltbar ist.Charger (3) after claim 3 , characterized in that the intermediate circuit tap (15) is connected to the intermediate circuit (14) by means of switching elements (18, 19, 20, 21), the switching elements (18, 19, 20, 21) depending on an operating state of the charging device ( 3) is switchable. Ladeeinrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Gleichspannungswandler (9) als galvanisch isolierter DC-DC-Wandler ausgebildet ist, und - der Gleichrichter (8) ein Leistungsfaktorkorrekturfilter und einen Abwärtswandler aufweist.Charging device (3) according to one of the preceding claims, characterized in that - the DC voltage converter (9) is designed as a galvanically isolated DC-DC converter, and - the rectifier (8) has a power factor correction filter and a step-down converter. Verfahren zum Betreiben einer Ladeeinrichtung (3) eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), wobei - mit einem Gleichrichter (8) der Ladeeinrichtung (3) eine Wechselspannung (UAC), welche an einer Eingangsseite (6) der Ladeeinrichtung (3) bereitgestellt wird, in eine erste Zwischenkreisspannung (UZ1) generiert wird, - in einem ersten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) die erste Zwischenkreisspannung (UZ1) mit einem Gleichspannungswandler (9) der Ladeeinrichtung (3) in eine Gleichspannung (UDC) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (4) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) umgewandelt wird, und - in einem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) eine Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (4) mit dem Gleichspannungswandler (9) in eine zweite Zwischenkreisspannung (UZ2) umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem zweiten Betriebszustand der Ladeeinrichtung (3) die zweite Zwischenkreisspannung (UZ2) einem elektrischen Bordnetz (16) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) und/oder einem elektrischen Verbraucher (17) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs (1) bereitgestellt wird.Method for operating a charging device (3) of an electrically operated vehicle (1), wherein - with a rectifier (8) of the charging device (3), an AC voltage (UAC) is provided on an input side (6) of the charging device (3), is generated into a first intermediate circuit voltage (UZ1), - when the charging device (3) is in a first operating state, the first intermediate circuit voltage (UZ1) is converted into a direct current voltage (UDC) with a DC voltage converter (9) in the charging device (3) for charging an electrical energy store (4 ) of the electrically operated vehicle (1) is converted, and - in a second operating state of the charging device (3), a battery voltage (UBatt) of the electrical energy store (4) is converted with the DC voltage converter (9) into a second intermediate circuit voltage (UZ2), thereby characterized in that - in the second operating state of the charging device (3) the second intermediate circuit voltage (UZ2) an electrical system (16) of the electrically operated vehicle (1) and/or an electrical consumer (17) of the electrically operated vehicle (1).
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