DE3417631A1 - Ladegeraet fuer elektrospeicher-strassenfahrzeug - Google Patents

Ladegeraet fuer elektrospeicher-strassenfahrzeug

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DE3417631A1 DE19843417631 DE3417631A DE3417631A1 DE 3417631 A1 DE3417631 A1 DE 3417631A1 DE 19843417631 DE19843417631 DE 19843417631 DE 3417631 A DE3417631 A DE 3417631A DE 3417631 A1 DE3417631 A1 DE 3417631A1
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Description

BROWN,BOVERI.& CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Mannheim 7. Mai 1984
Mp.-Nr. 581/84 ZPT/P3-Pn/Bt 10
Ladegerät für Elektrospeicher-Straßenfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät für Elektrospeicher-Straßenfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Ladegerät für Elektrospeicher-Straßenfahrzeuge ist aus der DE-OS 33 05 224 bekannt. Dieses Bord-Batterieladegerät dient zum Laden der Hauptbatterie eines Elektrospeicher-Straßenfahrzeuges aus einem Wechselspannungsnetz während des Stillstandes des Fahrzeuges. Während des Ladevorganges werden keine Netzrückwirkungen (Blindleistungs- und Oberschwingungsbelastung) im speisenden Netz verursacht, da ein sinusförmiger Strom mit einem Leistungsfaktor von 1 aus dem Netz entnommen wird.
Das Fahrzeug-Bordnetz wird während der Fahrt aus der Hauptbatterie über den Wechselrichter und den Haupttransformator gespeist, wobei gleichzeitig eine Hilfsbatterie dieses Bordnetzes ladbar ist. Es ist mit dem
bekannten Bord-Batterieladegerät jedoch nicht möglich, gleichzeitig während des Aufladens der Hauptbatterie auch die Hilfsbatterie zu laden.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät für Elektrospeicher-Straßenfahrzeuge der eingangs genannten Art anzugeben, das eine gleichzeitige, potentialfreie Aufladung sowohl der Haupt- als auch der Hilfsbatterie des Fahrzeuges ermöglicht, wobei die Ladespannungen unabhängig voneinander einstellbar sein sollen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Ladespannung für die Hilfsbatterie stets unabhängig vom Ladezustand und der Ladespannung der Hauptbatterie optimal eingestellt werden kann, wobei der hierzu notwendige Aufwand an Bauteilen gering ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
3Q Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Ladegerätes, Fig. 2 eine Variante des Ladegerätes, Fig. 3, 4 den zeitlichen Verlauf der interessierenden Spannungen.
In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild des Ladegerätes dar
gestellt. Es ist eine Wechselspannungsquelle 1 (z.B. ein Netz) zu erkennen, die einen Eingangsgleichrichter 2 des Ladegerätes speist. Ausgangsseitig ist der Eingangsgleichrichter 2 mit einem regelbaren Gleichspannungsumsetzer 3 verbunden. Eine nicht dargestellte Steuer- und Regeleinrichtung steuert diesen Umrichter derart, daß der Eingangsistrom propotional zur Eingangsspannung ist. Dadurch wird die Wechselspannungsquelle 1 mit einem sinusförmigen, reinen Wirkstrom belastet. Die Ausgänge des Umsetzers 3 sind mit Ziffer 4 (Pluspol) bzw. 5 (Minuspol) bezeichnet, wobei der Minuspol 5 gleichzeitg der Bezugspunkt der Schaltung ist.
Zwischen den Polen 4 und 5 sind zwei gleich große Speicherkondensatoren 6 und 7 in Reihe geschaltet (kapazitiver Zwischenspeicher), wobei der gemeinsame Verbindungspunkt 8 der beiden Kondensatoren 6 und 7 mit dem "kalten Ende" einer Primärwicklung 9a eines Haupttransformators 9 verbunden ist. Die Gleichspannung an den Kondensatoren 6 und 7 beträgt jeweils Us (wobei Ue = 1/2 Ulj).
An die Pole 4 und 5 ist ein Wechselrichter 10 angeschlossen, d.h. die zwischen den Polen 4, 5 anstehende Gleichspannung U^ ist gleichzeitig Speisespannung des Wechselrichters 10. Der Wechselrichter 10 weist zwei in Reihe liegende elektronische Schalter 10a bzw. 10b mit jeweils parallel geschalteten Schutzdioden 10c bzw. 10d auf. Der gemeinsame Verbindungspunkt der elektronischen Schalter 10a, 10b und der Schutzdioden 10c, 10d bildet den Wechselrichterausgang 11 und ist sowohl mit dem "heißen Ende" der Primärwicklung 9a als auch mit der Primärwicklung 12a eines Hilfstransformators 12 verbunden.
Der Wechselrichter 10 bildet zusammen mit den beiden
(j
Kondensatoren 6 und 7 eine allgemein bekannte Halbbrückenschaltung, wobei die speisende Gleichspannung U4 an der einen Brückendiagonalen 4-5 anliegt, während die Primärwicklung 9a als Last an die andere Brückendiagona-Ie 8-11 angeschlossen ist. Die rechteckförmige Wechselrichterausgangsspannung zwischen dem Wechselrichterausgang 11 und dem Bezugspunkt 5 ist mit Un bezeichnet.
Der weitere Anschluß der Primärwicklung 12a ist über eine Verbindungsleitung 13 mit einem Trennkondensator 14 verbunden. Der Trennkondensator 14 ist wiederum an einen gemeinsamen Verbindungspunkt 15 der Kathode einer Diode 16 sowie der Anode einer Diode 17 angeschlossen. Die Anode der Diode 16 ist mit dem Minuspol 5 und die Kathode der Diode 17 ist mit einem Punkt 18 verbunden, an welchen ein Kondensator 19 und eine Speicherdrossel 20 angeschlossen sind.
Der Kondensator 19 liegt mit seinem weiteren Anschluß am Minuspol 5, während die Speicherdrossel 20 über ihren weiteren Anschluß mit der Anode einer Freilaufdiode 21 und mit einem elektronischen Schalter 22 verbunden ist. Die Kathode der Freilaufdiode 21 ist mit dem Pluspol 4 verbunden, während der weitere Anschluß des elektronisehen Schalters 22 auf Minuspotential (Minuspol 5) liegt.
Der gemeinsame Verbindungspunkt von Speicherdrossel 20, Freilaufdiode 21 und elektronischem Schalter 22 ist mit Ziffer 23 bezeichnet. Die letztgenannten Bauteile 20, 21, 22 bilden einen allgemein bekannten Hochsetzsteller.
Die rechteckförmige Gegenwechselspannung zwischen Verbindungsleitung 13 und Minuspol 5 ist mit U13, die Rechteck-Wechselspannung zwischen Verbindungspunkt 15
und Minuspol 5 ist mit U-] 5 und die Gegengleichspannung am Kondensator 19 ist mit Ui8 bezeichnet.
Der Haupttransformator 9 weist eine mit einem Hauptausgangsgleichrichter 24 verbundene Sekundärwicklung 9b auf. Zwischen den Ausgangsklemmen des Gleichrichters 24 ist ein Speicherkondensator 25 geschaltet. Der Hauptausgangsgleichrichter 24 dient zur Speisung einer Hauptbatterie 26 (Fahrbatterie) eines Elektrospeicher-Straßenfahrzeuges.
Der Hilfstransformator 12 weist eine mit einem Hilfsgleichrichter 27 verbundene Sekundärwicklung 12b auf. Zwischen den Ausgangsklemmen des Hilfsgleichrichters 27 ist ein Speicherkondensator 28 geschaltet. Der Hilfsgleichrichter 27 dient zur Speisung einer Hilfsbatterie 29 eines Elektrospeicher-Straßenfahrzeuges. Diese Hilfsbatterie 29 ist direkt mit dem Bordnetz des Fahrzeuges verbunden.
Zur direkten Verbindung des Punktes 15 mit dem Minuspol 5 ist ein Schalter 30 vorgesehen. Nach Schließen des Schalters 30 kann die Hauptbatterie 26 über den Gleichspannungsumsetzer 3 und den Wechselrichter 10 das Bordnetz des Fahrzeuges speisen bzw. die Hilfsbatterie 29 laden.
In Fig. 2 ist eine Variante des Ladegerätes gemäß Fig. 1 dargestellt. Hierbei entfallen die Bauteile 20, 21, 22 (= Hochsetzsteller) der Schaltung gemäß Fig. 1 und als Ersatz für den Hochsetzsteller ist der erste Hauptanschluß eines Transistors 31 mit dem Punkt 18 verbunden. Der weitere Hauptanschluß dieses Transistors 31 liegt über einen Widerstand 32 am Minuspol 5 der Schaltung.
Die Reihenschaltung von Transistor 31 und Widerstand 32 stellt im Gegensatz zum Hochsetzsteller mit den Bauteilen 21, 22, 23 ein verlustbehaftetes Laststellglied dar.
Die Struktur des Ladegerätes und seine Bauteile sind in erster Linie für die zur Ladung der Hauptbatterie 26 benötigte Hauptleistung ausgelegt. Die Hauptbatterie 26 dient dabei zur Speisung des Fahrmotors des Fahrzeuges. Der hauptsächliche Energiefluß während der Aufladung ergibt sich durch den Eingangsgleichrichter 2, den regelbaren Gleichspannungsumsetäter 3» den Wechselrichter 10, den Haupttransformator 9 und den Hauptausgangsgleichrichter 24 in die Hauptbatterie 26. Der Wechselrichter 10 ist stets voll ausgesteuert. Dadurch ergibt sich ein fester Zusammenhang zwischen der Lastspannung am Ausgang des Hauptausgangsgleichrichters 24 und der speisenden Gleichspannung U4 am Eingang des Wechselrichters 10. Die Gleichspannung U4 und damit die Amplitude der rechteckförmigen Wechselrichterausgangsspannung U-| -j am Wechselrichterausgang 11 sind somit proportional zur Ladespannung der Hauptbatterie 26.
Ein geringer Teil der Leistung des Ladegerätes fließt gleichzeitig während des Ladens der Hauptbatterie 26 über den Eingangsgleichrichter 2, den regelbaren Gleichspannungsumsetzer 3» den Wechselrichter 10, den Hilfstransformator 12 und den Hilfsgleichrichter 27 in die Hilfsbatterie 29. Der Hilfstransformator 12 bewirkt eine potentialgetrennte Speisung der Hilfsbatterie 29 und ermöglicht eine Anpassung der Wechselrichterausgangsspannung U-j -j an die Höhe der Batteriespannung der Batterie 29, die zumeist im Bereich 12 Volt bis 15 Volt bzw. 24 Volt bis 30 Volt liegt.
Die Wechselrichterausgangspannung U-j 1 ist bedingt durch den Ladezustand der Hauptbatterie 26 großen Schwankungen unterworfen. Da jedoch die Ladespannung der Hilfsbatterie 29 unabhängig von der Ladespannung der Fahrbatterie 26 sein soll, muß von der Wechselrichterausgangsspannung Uli ein nach Bedarf verminderbarer Anteil der Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 zugeführt
werden. Dieser Anteil soll zweckmäßigerweise möglichst groß sein, damit die nicht nutzbare, abzubauende Differenzspannung möglichst klein bleiben kann.
Von der Wechselrichterausgangsspannung On ist also ein je nach Ladezustand der Fahrbatterie 26 unterschiedlich großer Teil abzuziehen. Dies erfolgt durch Differenzbildung der Wechselrichterausgangsspannung Du mit der gleichphasigen Gegenwechselspannung U13, wobei die.
Gegenwechselspannung U-]3 so einzustellen ist, daß die an der Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 sich ergebende Differenzspannung U-j 1 - U-]3 die Bildung einer gewünschten optimalen Ladespannung für die Hilfsbatterie 29 ermöglicht.
In den Figuren 3 und 4 sind hierzu die zeitlichen Verläufe der interessierenden Wechselspannungen U-j -j, Ui3, U15 sowie die Gleichspannungen U4, Uß, U-j6 dargestellt. Die punktiert gezeichnete Wechselrichter-Ausgangsspannung U-] ■] weist im Zeitraum to ^ t ^ t-j als Amplitude den Wert U4 der Gleichspannung am Gleichspannungsumsetzer auf. Im darauffolgenden Zeitraum ti < t ^ t2 weist Un den Wert 0, im nachfolgenden Zeitraum t2 4 t ^! t3 wiederum den Wert U4 auf usw., d.h. es ergibt sich mit Hilfe der im Gegentakt arbeitenden elektronischen Schalter 10a, 10b des Wechselrichters 10 eine Rechteckspannung mit dem Mittelwert U8 = 1/2 U4. Die Wechselrichterausgangsspannung U11 ist dabei der Ladespannung der Hauptbatterie 26 proportional.
Von der Wechselrichterausgangsspannung Un ist die in Fig. 3 durchgezogen gezeichnete, mit Un gleichpahsige Gegenwechselspannung Ui3 abzuziehen. Die Differenz U13 - Ug bzw. U8 - U13 ist dabei jeweils mit ^ U bezeichnet. Die Differenzspannung Un - U13 liegt an der
Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 an und ist proportional zur Ladespannung der Hilfsbatterie 29.
Die Gegenwechselspannung \}-\-$ wird auf einfache Weise mit Hilfe der beiden Dioden 16 und 17 passiv erzeugt, indem die Dioden auf die einstellbare Gegengleichspannung Ui8 S arbeiten. Dabei fällt dem Trennkondensator 14 die Aufgabe zu, die Differenz der Gleichspannungsanteile der Spannungen U-] 3 und U15 aufzunehmen.
Der zeitliche Verlauf der Rechteckwechselspannung U15 ist in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet. In den Zeiträumen to < t < ti, t2 ^- t ^ t3 usw. (Diode 16 sperrt, Diode 17 leitet) weist U15 die Amplitude U18 = 2 AU auf, in den übrigen Zeiträumen ti ^ t ^- t2 usw. (Diode 16 leitet, Diode 17 sperrt) weist U-|5 den Wert 0 auf.
Die Gegenwechselspannung Ü13, ohne Gleichanteil Δ U, und damit auch U-]5 hängen in ihrer Höhe von der Gegengleichspannung U18 ab. Wird diese Gegengleichspannung verringert, so steigt der Wechselstrom in der Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 an. Die Dioden 16 und 17 richten diesen Strom gleich. Dabei gelangt jedoch nur eine Hälfte des Stromes über die Diode 17 zum Kondensator 19, die andere Hälfte des Stromes fließt über die Diode 16 zum Bezugspotential, d.h. zum Minuspol 5 ab.
Da nur der halbe Gleichrichtwert des Wechselstromes in der Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 zum Speicherkondensator 19 gelangt, muß auch nur ein entsprechend kleiner Strom abgeführt werden. Diese verminderte Strombelastung kommt der Auslegung des Hochsetzstellers 20, 21, 22 zugute, der die abzuführende Leistung über die Freilaufdiode 21 wieder dem Pluspol 4 und damit dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters
zuleitet. Der Hochsetzsteller arbeitet in bekannter Weise mit einer Speicherdrossel 20, einem elektronischen Schalter 22 und einer Freilaufdiode 21 zur Energierückgewinnung (siehe z.B. Heumann/Stumpe, Thyristoren, Teubner-Verlag Stuttgart, 1970, Seite 147, Bild 147.1). Während der Leitphasen des elektronischen Schalters 22 ergibt sich ein Stromfluß vom Punkt 18 über die SpeÜL-cherdrossel 20 und den Schalter 22 zum Minuspol 5. Während der Sperrphasen des elektronischen Schalters fließt der Strom vom Punkt 18 über die Speicherdrossel 20 und die Freilaufdiode 21 zum Pluspol 4. Die Durchgangsleistung des Hochsetzstellers beträgt nur einen Bruchteil der Ladeleistung für die Hilfsbatterie 29.
Dieser Vorteil ist so groß, daß die Steuerung der Gegengleichspannung ü-j8 statt mit einem Hochsetzsteller 20, 21, 22 auch mit einem besonders einfachen verlustbehafteten Laststeller möglich ist. Ein solcher in Fig. 2 dargestellter Laststeller besteht hauptsächlich aus dem Transistor 31 und dem Widerstand 32. Die abzuführende Leistung wird im Widerstand 32, im Transistor 31 oder in beiden Bauteilen in Wärme umgesetzt.
Die Einstellung des Verhältnisses zwischen Leitphase und Sperrphase des elektronischen Schalters 22 bzw. des Transistors 31 erfolgt bei beiden Varianten gemäß Figuren 1, 2 in Abhängigkeit der einzustellenden Gegengleichspannung Ui8 bzw. der einzustellenden Gegenwechselspannung U13.
Ein weiterer Vorteil des Ladegerätes ist die einfache Betriebsartumschaltung zwischen Ladebetrieb und Fahrbetrieb. Wenn die Hauptbatterie 26 des Elektrofahrzeuges während der Fahrt den Fahrmotor speist, kann sie gleichzeitig auch das 12V- oder 24V-Bordnetz des Fahrzeuges anstelle einer herkömmlichen "Lichtmaschine" versorgen.
Für diesen Zweck läßt sich das Ladegerät ohne Strukturänderung umschalten, indem über den Schalter 30 der Punkt 15 mit dem Minuspol 5 verbunden wird. Statt der Wechselspannungsquelle 1 speist in dieser Betriebsart die Hauptbatterie 26 über den Gleichspannungsumsetzer 3 den Wechselrichter 10. Die Speisung der Hilfsbatterie erfolgt wiederum über den Hilfsgleichrichter 27 und den Hilfstransformator 12, wobei die Primärwicklung 12a des Hilfstransformators 12 mit ihrem einen Anschluß am Wechselrichterausgang 11 und mit ihrem weiteren Anschluß über den Trennkondensator 14 am Minuspol 5 liegt.
- Leerseite -

Claims (5)

581/84 : .' : : : Ansprüche
1. Ladegerät mit einem an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Eingangsgleichrichter, einem daran angeschlossenen regelbaren Gleichspannungsumsetzer, einem nachgeschalteten kapazitiven Zwischenspeicher sowie einem Wechselrichter mit eingeprägter Ausgangswechselspannung, der ausgangsseitig über einen Haupttransformator und einen Hauptausgangsgleichrichter die Hauptbatterie eines Elektrospeicher-Straßenfahrzeuges lädt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (11) des Wechselrichters (10) mit einem ersten Anschluß einer Primärwicklung (12a) eines Hilfstransformators (12) verbunden ist, dessen Sekundärwicklung (12b) über einen Hilfsgleichrichter (27) eine Hilfsbatterie (29) des Elektrospeicher-Sträßenfahrzeuges lädt, wobei ein zweiter Anschluß der Primärwicklung (12a) mit einer einstellbaren mit der Weehselrichter-Ausgangsspannung (Uli) gleichphasigen Gegenwechselspannung (U13) beaufschlagbar ist.
2. Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Anschluß der Primärwicklung (12a) über einen Trennkondensator (14) an den gemeinsamen Verbindungspunkt (15) zweier Dioden (16,17) angeschlossen ist, wobei zwischen den weiteren Anschlüssen der Dioden (16,17) ein Kondensator (19) angeordnet ist, an dem eine einstellbare Gegengleichspannung (U18) liegt.
3. Ladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengleichspannung (U-|8) mit Hilfe eines aus einer Speicherdrossel (20), einer Freilaufdiode (21)
581/84 o Jfi-
und eines elektronischen Schalters (22) bestehenden Hochsetzstellers einstellbar ist.
4. Ladegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-5 net, daß die Gegengleichspannung (U-|8) mit Hilfe eines
aus einem Transistor (31) mit seriengeschaltetem Wider-5 stand (32) bestehenden Laststellgliedes einstellbar ist.
5. Ladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Hilfsbatterie (29) aus der Hauptbatterie (26) der weitere Anschluß der Primärwicklung (12a) über einen Schalter (30) mit dem Gleichspannungsurasetzer (3) verbindbar ist.
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