DE112014000434T5

DE112014000434T5 - Batterieladesystem für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE112014000434T5
Application number: DE112014000434.0T
Authority: DE
Inventors: Morten GUNNERUD; Märten Ekström; Ronald Hedström
Original assignee: E-POWER NORDIC AB; POWER NORDIC E AB
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-12-17
Also published as: CN104870242A; US20150306973A1; US9834113B2; CN104870242B; WO2014112925A1

Abstract

Ein Batterieladesystem eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Laden einer Niederspannungsbatterie aus einer Hochspannungsbatterie oder einer externen Energiequelle werden bereitgestellt, wobei das Batterieladesystem ein Bordladegerät (OBC) zum Laden der Niederspannungsbatterie entweder aus der Hochspannungsbatterie oder aus der externen Energiequelle aufweist, und das OBC entweder von der Niederspannungsbatterie oder der externen Energiequelle gespeist wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladesystem zur Verwendung bei einem Elektrofahrzeug, das mit mindestens einer Hochspannungsbatterie und einer Niederspannungsbatterie ausgerüstet ist. Insbesondere ist das Batterieladesystem konfiguriert zum Aufladen der Hochspannungsbatterie über eine externe Energiequelle, und zum Laden der Niederspannungsbatterie aus entweder der Hochspannungsbatterie oder aus der externen Energiequelle.
Hintergrund der Erfindung
Üblicherweise werden in einem Steckdosenhybrid-(Plug-In-Hybrid) oder Elektrofahrzeug verschiedene Komponenten von einer Standard-Niederspannung von 12 oder 24 Volt (12 V/24 V, im folgenden als Niederspannungsbatterie bezeichnet) gespeist. Diese Spannung wird von einem separaten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) erzeugt, der an eine Hochspannungs-Energiequelle (zum Beispiel eine Antriebsbatterie) angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungswandler die hohe Spannung in eine Niederspannung von 12 V oder 24 V umsetzt. In einigen Fällen gelangt ein separater 12 V- oder 24 V-Generator zum Einsatz, der von drehenden Komponenten des Verbrennungsmotors angetrieben wird.
Um ausreichend Leistung für sämtliche an Funktionen gelieferte Niederspannung bereitzustellen, damit die Funktionen in kritischen Situationen funktionieren, beträgt die typische Ausgangsleistung eines herkömmlichen Gleichstromwandlers bis zu 4 kW bei einem 12 V-System für Personenfahrzeuge, und bis zu 12–15 kW in einem 24 V-System für kommerzielle oder Geländefahrzeuge.
Wie im vorliegenden Zusammenhang erläutert wird, enthält das Fahrzeug typischerweise ein Bordladegerät (OBC; On-Bord-Charger), um in einem Fahrzeug dessen Hochspannungsbatterie aus einer externen Energiequelle aufzuladen. Das Bordladegerät kann dazu ausgebildet sein, die Hochspannungsbatterie möglichst rasch und/oder möglichst effizient aufzuladen, und die verfügbare, aus der externen Energiequelle (oder einem öffentlichen Stromnetz) stammende verfügbare Energie zu nutzen und dabei den Sicherheitsregeln Rechnung zu tragen, die das Anschließen der Anlage an ein öffentliches Stromnetz betreffen.
Wenn das Fahrzeug an das öffentliche Stromnetz für eine Dauer angeschlossen wird, die länger ist als die zum Aufladen der Hochspannungsbatterie erforderliche Zeit, wird die 12 V- oder 24 V-Batterie (Niederspannungsbatterie) entleert, da die das Bordladegerät und weitere bordseitige Steuer- und Sicherheitsfunktionen steuernde Steuerlogik aus der Niederspannungsbatterie gespeist wird. Um also den Ladezustand der 12 V- oder 24 V-Niederspannungsbatterie zu gewährleisten, muss der Gleichspannungswandler zumindest periodisch aktiv sein, um die 12 V- oder 24 V-Niederspannungsbatterie aus der Hochspannungsbatterie über den Gleichspannungswandler zu laden. Um außerdem die erforderlichen Funktionen des Ladesystems zu verwalten, müssen weitere Komponenten des Fahrzeugsteuersystems aktiviert sein. Das Aktivieren dieser Komponenten verbraucht ebenfalls Energie aus der fahrzeugseitigen Hochspannungsbatterie und kann folglich noch mehr Energie aus dem öffentlichen Stromnetz ziehen, um den passenden Ladezustand zu halten, was den gesamten Wirkungsgrad des Fahrzeugs verringert.
Um den Ladezustand der 12 V- oder 24 V-Niederspannungsbatterie zu halten, muss außerdem der Gleichspannungswandler regelmäßig oder bei einem gewünschten Minimum-Ladezustand gestartet werden, unabhängig davon, ob das fahrzeugeigene Bordladegerät an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist oder nicht.
Das heißt: um die Niederspannungsbatterie nicht zu entleeren, muss der Gleichspannungswandler (bei dem es sich um einen Hochleistungs-Gleichspannungswandler handelt) zumindest periodisch aktiv sein, so beispielsweise während des Ladens der Niederspannungsbatterie aus der Hochspannungsbatterie, und zwar mit einem minimalen Leistungspegel von typischerweise unterhalb 10% der optimalen oder maximalen Kapazität. Der Hochleistungs-Gleichspannungswandler ist typischerweise nicht dazu ausgelegt, bei einer derart geringen Leistungsabgabe eine optimale Effizienz zu bieten. Weiterhin muss der aus der Logikschaltung des Hochleistungs-Gleichspannungswandler gezogene „Leerlauf”-Strom ebenso wie weitere unterstützende Systemkomponenten aktiv sein, was möglicherweise ebenfalls zu einem höheren Gesamtenergieverbrauch beiträgt. Zumindest aus den oben erläuterten Gründen wird der Wirkungsgrad des Fahrzeugs im Verlauf seiner Nutzungsdauer möglicherweise geringer, wozu möglicherweise noch die Belastung des Gleichstromwandlers kommt, was dessen Nutz-Lebensdauer möglicherweise verringert.
Eine mögliche Lösung der obigen Probleme besteht darin, eine zusätzliche Bord-Energiequelle zur Verfügung zu haben, um die Steuer- und Überwachungslogik vor, während und nach dem Ladevorgang zu speisen, damit der Ladezustand der Niederspannungsbatterie gehalten wird. Da die zum Betrieb der zusätzlichen Bord-Energiequelle erforderliche Leistung einige hundert Watt betragen kann, müssen noch verschiedene Anforderungen berücksichtigt werden, so zum Beispiel die Blindleistungskompensation (BLK).
Die US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2011/0273136 von Yoshimoto, hier durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Elektrofahrzeug mit einem Ladegerät zum Aufladen einer für den Antrieb eines Fahrzeugs dienenden Hochspannungsbatterie aus einer externen Wechselstromenergiequelle, und einen kleinen Gleichspannungswandler zum Aufladen einer Hilfs-Niederspannungsbatterie zum Betreiben von Zubehörteilen aus der Hochspannungsbatterie. Ein Transformator dient zum Trennen eines Hochspannungskreises von einem Niederspannungskreis. Die US 2011/0273136 offenbart eine Struktur, in der drei Wicklungen (eine Wicklung für die Hochspannungs-Hauptbatterie, eine Wicklung für die Wechselspannungsquelle und eine Wicklung für die Niederspannungsbatterie) einen einzelnen Transformator teilen, wobei die elektrische Leistungsumwandlung über einen gemeinsamen Kern erfolgt. Allerdings besteht ein Nachteil dieser Vorgehensweise darin, dass es kompliziert ist, zwei Batterieladegeräte mit einem gemeinsamen Kern zu integrieren, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten. Weiterhin befindet sich eine nicht-galvanische Trennung zwischen der Wechselstrom-Hauptquelle und der Niederspannungsbatterie, was ein mögliches Sicherheitsproblem darstellt, und außerdem mögliche existierende Sicherheitsbestimmungen nicht erfüllt.
Die US-Patentanmeldungsveröffentlichung US 2010/0019723 von Ichikawa, hier durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Fahrzeugladesystem zum Laden von Hochspannungs-Hauptbatterien über eine kommerzielle Energiequelle, und eine Niederspannungs-Leistungsgeneratoreinheit, welche passiv eine Niederspannungsleistung erzeugt, wenn sie an die kommerzielle Energiequelle angeschlossen ist. Insbesondere beim Laden über die kommerzielle Energiequelle lädt die Niederspannungs-Leistungsgeneratoreinheit eine Nebenbatterie und ermöglicht es somit, dass eine Steuerung aus der Nebenbatterie betrieben wird. Um allerdings gemäß der US 2010/0019723 die Niederspannungs-Leistungsgeneratoreinheit zum Laden der Nebenbatterie zu bringen, muss die Niederspannungs-Leistungsgeneratoreinheit an die kommerzielle Energiequelle angeschlossen werden. Wenn außerdem die kommerzielle Energiequelle angeschlossen ist, werden sowohl die Nebenbatterie als auch die Hauptbatterien aufgeladen.
Es wäre wünschenswert, ein Batterieladesystem zu schaffen, bei dem die Hochspannungsbatterie aus einer externen Energiequelle aufgeladen wird und eine Niederspannungsbatterie entweder direkt aus der externen Energiequelle oder aus der Hochspannungsbatterie geladen wird, wobei das Ladesystem die Komplexität verringert, den Wirkungsgrad steigert und die Sicherheit im Vergleich zu existierenden Batterieladesystemen erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Ein Batterieladesystem für ein Fahrzeug, so zum Beispiel ein Elektrofahrzeug, und ein Verfahren zum Laden einer Niederspannungsbatterie aus einer Hochspannungsbatterie oder einer externen Energiequelle werden bereitgestellt. Damit wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Batterieladesystem für ein Fahrzeug geschaffen, welches umfasst: ein Bordladegerät, konfiguriert für den Anschluss an eine externe Energiequelle, wobei das Bordladegerät einen Lade-Gleichstromwandler enthält, eine Hochspannungsbatterie, die an den Ausgang des Lade-Gleichstromwandlers angeschlossen ist und konfiguriert ist, um von dem Bordladegerät aufgeladen zu werden, wenn dieses an die externe Energiequelle angeschlossen ist; einen Hochleistungs-Gleichstromwandler, der an die Hochspannungsbatterie angeschlossen ist; und eine Niederspannungsbatterie, die von der externen Energiequelle aufzuladen ist, gekennzeichnet durch einen Kleinleistungs-Gleichstromwandler, ausgebildet für den Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus, wobei der Kleinleistungs-Gleichstromwandler in dem ersten Betriebsmodus an einem Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers und in dem zweiten Betriebsmodus an einem Ausgang des Lade-Gleichstromwandlers angeschlossen ist; wobei die Niederspannungsbatterie konfiguriert ist, um von der externen Energiequelle über das Bordladegerät aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem ersten Betriebsmodus arbeitet, und konfiguriert ist, um von der Hochspannungsbatterie aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler im zweiten Betriebsmodus arbeitet.
Das Batterieladesystem enthält vorzugsweise mindestens einen Kleinleistungs- oder „zweiten” Gleichstromwandler zusätzlich zu dem ersten, Hochleistungs-Gleichspannungswandler, welcher an die Hochspannungsbatterie angeschlossen ist, wobei der zweite Gleichspannungswandler konfiguriert ist zum Bereitstellen von Leistung für externe Lasten/Verbraucher (zum Beispiel Hilfslasten) zusätzlich zu internen Lasten des Bordladegeräts, wobei in das Bordladegerät vorzugsweise ein schaltbarer Eingang eingebaut ist, so dass der Eingang des zweiten Gleichspannungswandlers abwechselnd zwischen die externe Energiequelle und die bordseitige Hochspannungsbatterie geschaltet werden kann, um optimalen Lastanforderungen Rechnung zu tragen. Damit ist es bevorzugt, dass der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler mit einem Schalter verbunden ist, der eine erste Stellung aufweist zum Verbinden des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers, und einer zweiten Stellung zum Verbinden des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Ausgang des Lade-Gleichspannungswandlers; wobei die Niederspannungsbatterie konfiguriert ist für das Aufladen durch die externe Energiequelle über das Bordladegerät, wenn der Schalter die erste Stellung einnimmt, und konfiguriert ist zum Aufladen durch die Hochspannungsbatterie, wenn der Schalter die zweite Stellung einnimmt.
Insbesondere ist der zweite Gleichspannungswandler entweder an eine Ausgangsseite der Blindleistungskompensationseinheit (BLK) angeschlossen (und damit indirekt an die von der externen Energiequelle gelieferte Wechselspannung), oder an eine Hochspannungsschiene der Hochspannungsbatterie angeschlossen. Damit ist es bevorzugt, dass das Bordladegerät eine Blindleistungskompensationsschaltung enthält, wobei ein Eingang der Blindleistungskompensationsschaltung an eine externe Energiequelle angeschlossen ist und der Ausgang der Blindleistungskompensationsschaltung an den Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers angeschlossen ist.
Vorzugsweise ist die Ausgangsspannung der BLK-Einheit eine Gleichspannung, und deshalb muss kein zusätzlicher Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (im folgenden AC/DC-Wandler) vorgesehen sein, um die dem zweiten Gleichstromwandler zuzuführende Gleichspannung zu liefern. Die Ausgestaltung des zweiten Gleichstromwandlers (des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers) kann folglich optimiert werden zum effizienteren Laden der Niederspannungsbatterie und Liefern von Niederspannung an anliegende Komponenten als durch Einsatz des Haupt- oder ersten Hochspannungs-Gleichspannungswandlers, außerhalb des Bordladegeräts bei verringerter Kapazität.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinheit bereitgestellt zum Steuern des Betriebs des Batterieladesystems, enthaltend ein Hochleistungssystem, welches die Hochspannungsbatterie nutzt, und eines Hochleistungssystems, welches die Hochspannungsbatterie nutzt, und eines Kleinleistungssystems, welches die Kleinleistungsbatterie nutzt. Insbesondere kann der zweite Gleichspannungswandler derart betrieben werden, dass, wenn das Fahrzeug an die externe Energiequelle angeschlossen ist und die Hochspannungsbatterie nicht benötigt wird, die Steuereinheit das Hochleistungssystem abschaltet, und der zweite Gleichspannungswandler auf die BLK-Einheit geschaltet wird. Damit lassen sich die Niederspannungsbatterie und/oder Hilfslasten über die externe Energiequelle speisen, ohne das Hochleistungssystem zu speisen oder die Hochspannungsbatterie anzuzapfen. Alternativ oder dann, wenn er nicht an die externe Energiequelle angeschlossen ist, lässt sich der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler an die Hochspannungsbatterie anschließen, die dazu dient, die Niederspannungsbatterie aufzuladen. Weiterhin lassen sich Hilfslasten mit Energie speisen, die von der Hochspannungsbatterie stammt, wenn externe Energie nicht verfügbar ist.
Die BLK enthält vorzugsweise mindestens eine Steuereinheit, die elektronische Steuerlogik (Hardware und Software) beinhaltet, welche die hohen und niedrigen Spannungen innerhalb des Fahrzeugs ermittelt und außerdem den Status des externen Energieeingangs erfasst. Die Steuerlogik kann ausgeführt werden als nicht flüchtiges, computerlesbares Speichermedium auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsträger, der ausführbare Programmbefehle enthält, die von einem Prozessor, einem Controller oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele für computerlesbare Medien enthalten ohne Beschränkung ROM, RAM, Kompakt-Disk-(CD)ROMs, Magnetbänder, Floppy-Disks, Massenspeicher, Smartcards und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann außerdem in netzwerk-gekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass die computerlesbaren Medien in verteilter Weise gespeichert und ausgeführt werden können, zum Beispiel durch einen Telematik-Server oder ein Controller-Area-Network (CAN).
Insbesondere empfängt die Steuerlogik des Bordladegeräts Leistung von der externen Energiequelle über einen separaten AC/DC-Wandler (Gleichrichter) und von der Niederspannungsbatterie, um in der Lage zu sein, externe Energie – falls verfügbar – sowie – anderenfalls – Energie aus der Niederspannungsbatterie zu nutzen. Der AC/DC-Wandler kann klein und in effizienter Weise dazu ausgebildet sein, beispielsweise nur die Steuereinheit zu bedienen. Die Versorgung aus der externen Energiequelle ist von besonderem Vorteil, wenn beide Batterien (das heißt die Hochspannungsbatterie und die Niederspannungsbatterie) in einem Ausmaß erschöpft sind, dass die Steuereinheit nicht von den nahezu leeren Batterien als Spannungsquelle gespeist werden kann. Im Ergebnis ist es immer noch möglich, das Fahrzeug zu starten, wenn eine externe Energiequelle zur Verfügung steht.
Beispielsweise ist das Batterieladesystem in zumindest den folgenden Stadien betreibbar: in einem ersten Stadium (wenn beide Batterien nahezu leer sind) kann die (von der externen Energiequelle gespeiste) Steuereinheit so gesteuert werden, dass sie Energie an die von der Niederspannung gespeiste Hochspannungsbatterie-Verwaltungssteuerlogik liefert, um den Ladeprozess der Hochspannungsbatterie in Gang zu setzen, im Gegensatz zu dem Fall, dass diese Niederspannungsbatterie erschöpft ist und mithin für die Steuerlogik keine Speiseenergie zur Verfügung steht. In einem zweiten Stadium kann die Steuereinheit anschließend für eine gewisse Zeitspanne umschalten zum Laden der Niederspannungsenergie aus der Hochspannungsschiene und dem Kleinleistungs-Gleichstromwandler. Durch den obigen Vorgang lässt sich außerdem sicherstellen, dass die Niederspannungsbatterie nicht entleert wird, wenn das Fahrzeug für eine längere Zeitspanne an eine Ladestation gekoppelt wird, oder wenn beispielsweise eine Anlasserschaltung des Fahrzeugs an die Niederspannungsenergie gekoppelt wird.
Die vorliegende, hier beschriebene Erfindung kann zur Sicherheit eines Batterieladesystems mit einem Bordladegerät beitragen, da die Hochspannungskomponenten des Bordladegeräts abgeschaltet werden können, wenn sie nicht benötigt werden, wobei die mit Niederspannung gespeiste Steuerlogik für Hochspannungskomponenten verfügbar gemacht werden kann, wenn sie an eine externe Energiequelle angeschlossen ist, auch wenn die Hochspannungsbatterie erschöpft ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, eine externe Spannungsversorgungs-Schnittstelle, eine Filter- und BLK-Schaltung zwischen dem Hochleistungs-Hochspannungs-Ladegerät und der Kleinleistungs-Niederspannungsversorgung gemeinsam zu nutzen, um die Niederspannungsbatterie zu laden und/oder die daran angeschlossenen Lasten direkt aus der externen Energiequelle ohne Aktivierung des Hochleistungs-Gleichspannungswandlers zu betreiben. Die Sicherheit lässt sich weiter verbessern, da die Hochspannungskomponenten abgetrennt werden können und die Hochspannungsschiene passiv bleibt, wenn Hochspannungen nicht benötigt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Bordladegeräts eines Fahrzeugs geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Bordladegeräts mit einem Lade-Gleichspannungswandler und einem Kleinleistungs-Gleichspannungswandler, ausgebildet für den Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus; Bereitstellen einer Hochspannungsbatterie, die an den Ausgang des Lade-Gleichspannungswandlers angeschlossen ist, eines Hochspannungs-Gleichspannungswandlers, der an die Hochspannungsbatterie angeschlossen ist, und einer Niederspannungsbatterie; Anschließen des Bordladegeräts an eine externe Energiequelle, um die Hochspannungsbatterie und die Niederspannungsbatterie aufzuladen, wobei die Niederspannungsbatterie aufgeladen wird, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem ersten Betriebsmodus arbeitet; und Trennen der Bordladegerätschaltung von der externen Energiequelle, wobei die Niederspannungsbatterie konfiguriert ist, um von der Hochspannungsbatterie aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet.
Darüber hinaus versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann durch mindestens eine Steuerung, zum Beispiel der hier beschriebenen Steuereinheit. Der Begriff „Steuerung” bezieht sich auf eine Hardwareeinrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist konfiguriert zum Speichern der Modulen, und der Prozessor ist insbesondere konfiguriert zum Ausführen der Module, um ein oder mehrere Verfahren auszuführen, die hier weiter unten erläutert werden.
Weitere Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden diskutiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Wesensart und angestrebten Ziele der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungsfiguren Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten bezeichnen, wobei
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Batterieladesystems einschließlich eines Bordladegeräts (OBC; On-Board-Charger) gemäß der Erfindung ist.
Definitionen
Die vorliegende Erfindung ist am besten zu verstehen anhand der nachfolgenden Definitionen:
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen beinhaltet die Singularform „ein”, „eine”, „der”, „die” und „das” mehrere Bezugnahmen, wenn der Kontext nicht deutlich anderes besagt. Beispielsweise sei angemerkt, dass mehrere Hochspannungsbatterien in einem Elektrofahrzeug gemäß der Erfindung vorgesehen sein können, wenngleich der Begriff „eine” oder „die” Hochspannungsbatterie in der gesamten vorliegenden Anmeldung verwendet wird.
Außerdem versteht sich, dass die Begriffe „umfasst und/oder „umfassend” im Rahmen der vorliegenden Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, allerdings nicht das Vorhandensein oder den Zusatz einer oder mehrerer weiterer Merkmale, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen aus diesen Elementen ausschließt. Im vorliegenden Zusammenhang umfasst der Begriff „und/oder” irgendwelche oder sämtliche Kombinationen aus einem oder mehreren zugehörig angegebenen Ausdrücken.
Es versteht sich außerdem, dass der Begriff „Fahrzeug” oder ein ähnlicher Ausdruck hier Motorfahrzeuge wie zum Beispiel Sports-Utility-Vehicles (SUV), Busse, Lastkraftwagen, Lieferwagen, Wasserfahrzeuge einschließlich Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen ebenso beinhaltet wie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Steckdosen-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge oder alternative Brennstoff-Fahrzeuge (zum Beispiel Fahrzeuge mit Brennstoffen, die aus anderen Quellen als Petroleum gewonnen sind). Im vorliegenden Zusammenhang ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit mehr als zwei Energiequellen, beispielsweise sowohl Benzin-betriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Batterieladesystems, allgemein mit 1 bezeichnet, welches ein Bordladegerät (OBC) 10 gemäß der Erfindung enthält. Wie aus 1 hervorgeht, sind verschiedene Komponenten des OBC 10 durch eine gestrichelte Linie eingekreist, um dadurch das OBC 10 von anderen Komponenten des Batterieladesystems 1 zu trennen. Das Batterieladesystem enthält vorzugsweise mindestens eine Hochspannungsbatterie 2, eine Niederspannungsbatterie 3 und einen externen Energieeingang 11, der mit einer externen Energiequelle (zum Beispiel einem nicht dargestellten öffentlichen Stromnetz) gekoppelt werden kann, um die Hochspannungsbatterie 2 und/oder die Niederspannungsbatterie 3 aufzuladen, wobei der externe Energieeingang 11 ein Teil des OBC sein kann.
Wie in 1 gezeigt, ist der Anschluss des externen Energieeingangs 11 konfiguriert für den Anschluss an eine externe Energiequelle, und ein Ausgangsanschluss des externen Energieeingangs 11, das heißt ein Wechselstromanschluss, wird an eine Blindleistungskompensationsschaltung (BLK-Schaltung) 12 angeschlossen. Die BLK-Schaltung 12 ist dazu eingerichtet, die Blindleistung der Ausgangsgröße einzustellen, um den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern, wie es dem Fachmann bekannt ist. Die BLK-Schaltung 12 enthält einen Gleichrichter zum Umwandeln der Wechselspannung aus dem externen Energieeingang in eine Gleichspannung. Der Ausgangsanschluss der BLK-Schaltung 12 liefert eine Gleichspannung (Hochspannung), die den Eingang eines Lade-Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandlers) 13 zugeführt wird zum Umwandeln der Hochspannung aus der BLK-Schaltung 12 in eine Hochspannung, die der Gleich-Hochspannung entspricht, die erforderlich ist, damit in die Hochspannungsbatterie 2 Strom fließt.
Wie weiterhin in 1 gezeigt ist, ist in das Batterieladesystem ein „zweiter” Gleichspannungswandler (ein Kleinleistungs-Gleichspannungswandler) 14 integriert. Der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 wird auch als der „zweite” Gleichspannungswandler bezeichnet, um ihn von dem „ersten” oder Hochleistungs-Gleichspannungswandler zu unterscheiden, der dazu dient, der Hochspannungsbatterie 2 Gleichleistung zuzuspeisen. Der zweite Gleichspannungswandler 14 kann zum Beispiel über einen Schalter 15 entweder in einer ersten Stellung (a) an die Ausgangsseite der BLK-Schaltung 12 oder in einer zweiten Stellung (b) an die Eingangsseite der Hochspannungsbatterie 2 über eine Hochspannungsschiene 4 angeschlossen werden. Insbesondere wird, wenn der Schalter 15 derart geschlossen ist, das der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 an die BLK-Schaltung 12 angeschlossen ist, der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 an den externen Energieeingang 12 gekoppelt, folglich an die externe Energiequelle. Der Schalter 15 kann von der Steuerlogik 16 gesteuert werden, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Es versteht sich für den Fachmann, dass es möglich ist, die Funktion des Schalters 15 durch ein oder mehrere Schalter oder durch schaltungstechnische Lösungen zu realisieren, um die Energiequelle für den Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 zwischen (1) der BLK-Schaltung 12 und (2) der Hochspannungsschiene und der Hochspannungsbatterie 2 zu wechseln. Wie oben erläutert, ist die Ausgangsspannung der BLK-Schaltung 12 vorzugsweise eine Gleichspannung, so dass kein zusätzlicher AC/DC-Wandler zwischen der externen Energiequelle und dem Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 erforderlich ist, um den zweiten Gleichspannungswandler 14 einer Gleichspannung zuzuführen.
Erfindungsgemäß lässt sich also die Anzahl der für das Batterieladesystem erforderlichen Komponenten verringern. Darüber hinaus lässt sich die Architektur des zweiten Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers 14 in effizientester Weise optimieren, um die interne Niederspannung der Steuerlogik 16 zuzuführen, um die Niederspannungsbatterie 3 aufzuladen, und um Leistung an optimale Hilfslasten 14 und weitere Niederspannungs-Logikschaltungen 8 zu liefern.
Wenn im Betrieb das Fahrzeug an die externe Energiequelle angeschlossen wird, so wird der externe Energieeingang 11 an die externe Energieversorgung (zum Beispiel ein öffentliches Wechselstromnetz mit 1–3 Phasen und einer Spannung von 380 V, 220 V oder 110 V) angeschlossen. Die Wechsel-Hochspannung gelangt von dem externen Energieeingang 11 an die BLK-Schaltung 12, wo die von der BLK-Schaltung 12 ausgegebene Gleichspannung in dem Hochspannungs-Lade-Gleichspannungswandler (DC/DC) 13 geregelt und der Hochspannungsbatterie 2 zugeleitet wird, um diese aufzuladen. Die notwendige Synchronisation zwischen dem Hochspannungs-Lade-Gleichspannungswandler 13 und der Hochspannungsbatterie 2 wird über einen Kommunikationsbus 5 gehandhabt, zum Beispiel, um die Ladezustände und Ein-/Aus-Bedingungen zu verwalten.
Wenn das Fahrzeug über den externen Energieeingang 11 an die externe Energiequelle angeschlossen bleibt, ein Aufladen der Hochspannungsbatterie 2 aber nicht erforderlich ist, lässt sich die Hochspannungsbatterie 2 intern abschalten, und der Schalter 15 in die Stellung (a) bringen. Hierdurch lässt sich die Niederspannungsbatterie 3 und/oder lassen sich die Hilfslast 14 (zum Beispiel Beleuchtung, Ventilation etc.) aus der externen Energiequelle speisen (das heißt aus dem externen Energieeingang 11 über die BLK-Schaltung 12 und den Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14), ohne dazu das Hochleistungssystem zu speisen/betreiben, ohne dass dabei aus der Hochspannungsbatterie Energie abgezogen wird. Dies ist ein wichtiges Merkmal für den Fall, dass das Batterieladesystem für eine längere Zeitspanne an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist, als es zum Aufladen der Hochspannungsbatterie 2 notwendig ist (zum Beispiel einige Tage).
Wenn andererseits der externe Energieeingang 11 getrennt oder auf andere Weise, zum Beispiel mittels eines Timers, deaktiviert ist, wird der Schalter 15 in die Stellung (b) gebracht und fährt damit fort, der Niederspannungsbatterie 3 aus der Hochspannungsbatterie 2 über eine Niederspannungsschiene 7 durch den Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 hindurch Leistung zuzuspeisen, ohne dass dazu der weniger effiziente Hochleistungs-Gleichspannungswandler 16 benötigt würde. Aus diesem Grund stehen fahrzeugeigene, durch kleine Leistung gespeiste Funktionen auf energieeffiziente Weise zur Verfügung aufgrund des optimierten Entwurfs des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers 14 und des Bordladegeräts.
Wie dargestellt, enthält das Bordladegerät die Steuerlogik 16, die an den Schalter 15 angeschlossen ist. Die Steuerlogik 16 ist darüber hinaus an den Eingang des Bordladegeräts angeschlossen und empfängt damit Leistung über den externen Energieeingang 12 aus der externen Energiequelle. Das heißt: die Steuereinheit 16 ist über einen AC/DC-Wandler 17 (Gleichrichter) an den externen Energieeingang 11 angeschlossen. Die Steuerenergie 16 wird auch von der Niederspannungsschiene gespeist, so dass der AC/DC-Wandler 17 klein bauen und effizient angepasst sein kann, um ausschließlich die Steuerlogik 16 zu bedienen. Damit lässt sich eine die Steuerlogik 16 speisende Steuereinheit aus der Niederspannungsbatterie 3 oder aus der externen Energiequelle über den AC/DC-Wandler 17 speisen, wann immer dieser verfügbar ist. Die Speisung aus der externen Energiequelle (das heißt über den externen Energieeingang 11) ist von besonderem Vorteil, wenn beide Batterien (die Hochspannungsbatterie 2 und die Niederspannungsbatterie 3) in einem dermaßenen Ausmaß entladen sind, dass die Steuerlogik des Bordladegeräts (oder die Steuereinheit) 16 von diesen nahezu leeren Batterien als Energiequelle nicht gespeist werden kann.
Beispielsweise ist das Batterieladesystem in mindestens den folgenden zwei Stadien betreibbar. In einem ersten Stadium (wenn beide Batterien nahezu leer sind) kann die Steuerlogik 16 (gespeist von der externen Energiequelle 11) Energie an die mit Niederspannung gespeiste Hochspannungsbatterie-Verwaltungssteuerlogik 8 liefern, um einen Ladeprozess der Hochspannungsbatterie 2 zu ermöglichen, im Gegensatz zu der Situation, in der die Niederspannungsbatterie 3 entleert ist und damit keine Betriebsleistung für die Steuerlogik 16 zur Verfügung steht. In einem zweiten Stadium kann die Steuerlogik 16 anschließend für eine Zeitspanne des Umschaltens vom Laden der Niederspannungsbatterie 3 aus der Hochspannungsschiene und den Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14. Durch den oben beschriebenen Betrieb kann auch gewährleistet werden, dass die Niederspannungsenergie 3 nicht entleert wird, wenn das Fahrzeug nicht angetrieben wird und an die externe Energiequelle (zum Beispiel eine Ladestation) über eine längere Zeitspanne angeschlossen ist und wenn zum Beispiel eine Anlasserschaltung des Fahrzeugs mit der Niederspannungsbatterie gekoppelt wird.
Gemäß einer weiteren Betriebsart kann, wenn das Fahrzeug angetrieben wird, bei einem Versagen des Hochleistungs-Gleichspannungswandlers 16 das System so gesteuert werden, dass es kritische Hilfslasten (zum Beispiel Lampen) in einem Notfall betreibt, um sicherzustellen, dass diesen Hilfslasten Energie zugespeist wird, indem zumindest periodisch der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 an die Hochspannungsschiene oder die Hochspannungsbatterie 2 angeschlossen wird.
Gemäß einer noch weiteren Betriebsart muss dann, wenn Hilfslasten wie beispielsweise Radius bei stillstehendem Fahrzeug betrieben werden, der Hochleistungs-Gleichspannungswandler 16 nicht aktiviert zu werden, da der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler 14 direkt an die Hochspannungsschiene und die Hochspannungsbatterie 2 angeschlossen werden kann und/oder direkt an das externe Netz angeschlossen werden kann während des Ladevorgangs, ohne dabei über die BLK-Schaltung 12 die Komponenten des Hochleistungssystems zu aktivieren.
Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand spezifischer Ausdrücke erläutert wurden, dient die Beschreibung lediglich dem Zweck der Veranschaulichung, und es versteht sich, dass Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne von dem Grundgedanken oder Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise ist ein Schalter als Mittel zum Umschalten zwischen dem Betrieb des externen Energieeingangs und der Hochspannungsschiene erläutert, man sieht allerdings, dass der Begriff „Schalter” breit zu interpretieren ist und jegliche Mittel beinhaltet, die den Betrieb zwischen den beiden Betriebsarten umschalten.

Claims

Batterieladesystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend: ein Bordladegerät (10), konfiguriert für den Anschluss an eine externe Energiequelle, wobei das Bordladegerät einen Lade-Gleichstromwandler (13) enthält, eine Hochspannungsbatterie (2), die an den Ausgang des Lade-Gleichstromwandlers (12) angeschlossen und konfiguriert ist, um von dem Bordladegerät aufgeladen zu werden, wenn dieses an die externe Energiequelle angeschlossen ist; einen Hochleistungs-Gleichstromwandler (9), der an die Hochspannungsbatterie angeschlossen ist; und eine Niederspannungsbatterie (3), die von der externen Energiequelle aufzuladen ist, gekennzeichnet durch einen Kleinleistungs-Gleichstromwandler (14), ausgebildet für den Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus, wobei der Kleinleistungs-Gleichstromwandler in dem ersten Betriebsmodus an einen Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers und in dem zweiten Betriebsmodus an einen Ausgang des Lade-Gleichstromwandlers angeschlossen ist; wobei die Niederspannungsbatterie (3) konfiguriert ist, um von der externen Energiequelle über das Bordladegerät aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem ersten Betriebsmodus arbeitet, und konfiguriert ist, um von der Hochspannungsbatterie aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler im zweiten Betriebsmodus arbeitet.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 1, bei dem das Bordladegerät (10) eine Blindleistungskompensationsschaltung (12) aufweist, wobei ein Eingang der Blindleistungskompensationsschaltung an einen externen Energieeingang (11) angeschlossen ist und ein Ausgang der Blindleistungskorrekturschaltung an den Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers angeschlossen ist.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler (14) an einen Schalter (8) angeschlossen ist, der eine erste Stellung (a) zur Verbindung des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers aufweist, und der eine zweite Stellung (b) zum Verbinden des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Ausgang des Lade-Gleichspannungswandlers aufweist; wobei die Niederspannungsbatterie (3) konfiguriert ist, um von der externen Energiequelle über das Bordladegerät aufgeladen zu werden, wenn sich der Schalter in der ersten Stellung befindet, und konfiguriert ist, um von der Hochspannungsbatterie aufgeladen zu werden, wenn der Schalter sich in der zweiten Stellung befindet.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 3, bei dem das Bordladegerät (10) weiterhin eine Steuereinheit (16) aufweist, um eine Steuerlogik zum Steuern des Schalters bereitzustellen.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 4, bei dem das Bordladegerät (10) weiterhin einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler (17) zum Bereitstellen einer Gleichspannung für die Steuereinheit enthält.
Batterieladesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Bordladegerät (10) weiterhin einen externen Energieeingang (11) aufweist, der mit seinem Eingang an eine externe Energiequelle anschließbar ist.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 6, bei dem die Bordladegerätschaltung weiterhin eine Blindleistungskorrekturschaltung (12) aufweist, die mit ihrem Eingang an den externen Energieeingang (11) angeschlossen ist, und mit ihrem Ausgang an einen Eingang eines Lade-Gleichspannungswandlers (13) angeschlossen ist.
Batterieladesystem (1) nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinheit (16) die Steuerlogik zum Speisen einer Batterieverwaltungs-Steuerlogikeinheit (8) bereitstellt.
Batterieladesystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Batterieladesystem in einem Steckdosenhybrid- oder Elektrofahrzeug installiert ist.
Batterieladesystem nach Anspruch 3, bei dem der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler direkt an den Ausgang der Blindleistungskompensationsschaltung angeschlossen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Bordladegeräts eines Fahrzeugs, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Bordladegeräts (1) mit einem Lade-Gleichspannungswandler (13) und einem Kleinleistungs-Gleichspannungswandler (14), ausgebildet für den Betrieb in einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus; Bereitstellen einer Hochspannungsbatterie (2), die an den Ausgang des Lade-Gleichspannungswandlers (13) angeschlossen ist, eines Hochspannungs-Gleichspannungswandlers (9), der an die Hochspannungsbatterie angeschlossen ist, und einer Niederspannungsbatterie (3); Anschließen des Bordladegeräts (10) an eine externe Energiequelle, um die Hochspannungsbatterie und die Niederspannungsbatterie aufzuladen, wobei die Niederspannungsbatterie aufgeladen wird, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem ersten Betriebsmodus arbeitet; und Trennen der Bordladegerätschaltung von der externen Energiequelle, wobei die Niederspannungsbatterie konfiguriert ist, um von der Hochspannungsbatterie aufgeladen zu werden, wenn der Kleinleistungs-Gleichspannungswandler in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet.
Verfahren zum Betreiben eines Bordladegeräts eines Fahrzeugs nach Anspruch 11, umfassend den Schritt des Verbindens des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers (14) mit einem Schalter (8), der eine erste Stellung (a) zum Verbinden des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Eingang des Lade-Gleichspannungswandlers in dem ersten Betriebsmodus aufweist, und eine zweite Stellung (b) aufweist zum Verbinden des Kleinleistungs-Gleichspannungswandlers mit einem Ausgang des Lade-Gleichspannungswandlers in dem zweiten Betriebsmodus.