WO2020120613A1 - Fahrzeugseitige ladevorrichtung - Google Patents

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WO2020120613A1
WO2020120613A1 PCT/EP2019/084728 EP2019084728W WO2020120613A1 WO 2020120613 A1 WO2020120613 A1 WO 2020120613A1 EP 2019084728 W EP2019084728 W EP 2019084728W WO 2020120613 A1 WO2020120613 A1 WO 2020120613A1
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WO
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voltage
converter
rectifier
converters
vehicle
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PCT/EP2019/084728
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Franz Pfeilschifter
Martin GÖTZENBERGER
Harald Schmauss
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Vitesco Technologies GmbH
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Priority to CN201980082489.2A priority patent/CN113165540A/zh
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Vehicles with an electric drive have an accumulator to feed the drive.
  • a charging socket is provided in order to transfer energy from the outside into the battery, for example as part of a charging process.
  • variable parameters When connecting a vehicle to an AC voltage network, several electrical parameters can vary that have an impact on operating parameters such as the voltage or power of the charging circuit. These variable parameters are, for example, the number of phases that depend on the configuration of the
  • AC voltage connection depends, as well as the voltage or configuration of the AC voltage network.
  • the variable parameters can be different in different regions.
  • a vehicle-side charging circuit is proposed in which several (galvanically isolating) DC / DC converters can be connected to one another in parallel or in series by means of an adjustable switch device, in order to match the charging circuit to the configuration (for example: single-phase or multi-phase)
  • a rectifier of the charging circuit is connected downstream of an AC voltage interface of the charging circuit and rectifies the voltage present at the AC voltage interface.
  • the rectified voltage (or its peak value) depends on the number of phases of the AC voltage interface. With a 230 V network and a three - phase connection configuration, this can be the case
  • the semiconductor device of the DC-DC converter can provide a limit nominal voltage that does not restrict the technologies that can be used, in this case the switch device can connect the multiple DC-DC converters to one another in series switch. This divides the operating voltage for everyone
  • DC converters work in each case.
  • the DC-DC converters can be connected in parallel to each other in order to multiply the current carrying capacity.
  • a third DC / DC converter is provided, which is connected in parallel to the rectifier and which is also connected to the same DC voltage connection to which the first and second DC / DC converters are also connected .
  • the DC-DC converters therefore have outputs that are connected in parallel to one another and that are connected to the DC voltage connection.
  • all rectifiers are used for voltage conversion; depending on the input voltage, the first and the second
  • Rectifier side facing side are connected. If the required power is lower, only the first and the second rectifier can be used. This means that only the third rectifier (or its
  • DC link capacitor are designed for high voltages, but not the first and the second rectifier. This results in an adaptation possibility to different voltage levels at the output of the rectifier and to different target powers, while the number or capacity of the
  • the vehicle-side charging circuit is therefore with a
  • the AC voltage interface is in particular a
  • the rectifier has the function of rectifying, but in some embodiments, in addition to this function, it can also perform other functions such as power factor correction or
  • the rectifier is an active one
  • the rectifier has an AC voltage side. With this the rectifier is connected to the AC voltage interface.
  • the rectifier can be configured for single-phase or multi-phase (three-phase) AC voltage.
  • the rectifier preferably comprises at least one half-bridge (which can be controllable or can be a diode half-bridge) for each phase contact of the AC voltage interface.
  • the AC voltage interface can have a neutral conductor contact. This is preferably connected to a (in particular own) half bridge of the rectifier. This
  • Half-bridge can differ from a half-bridge with a phase of
  • AC interface is connected, differentiate and can
  • the rectifier preferably also comprises a DC voltage side.
  • the half bridges of the rectifier are connected to this or to the rectifier.
  • the DC voltage side comprises in particular two DC voltage potentials or rails.
  • the half bridges are connected to these (in particular the two ends of the half bridges are connected to these potentials or rails).
  • At least one first and one second are connected to the rectifier
  • Each DC-DC converter comprises an intermediate circuit capacitor. Furthermore, everyone includes
  • DC converter a switch unit (set up for clocked switching).
  • the type of connection (parallel or serial) in which the
  • DC voltage converters connected to the rectifier can be set by means of a switch device.
  • the switch device connects the
  • the switch device connects the in a first switching state
  • the switch device connects the intermediate circuit capacitors and the in a second switching state
  • the switch device connects the first and second DC / DC converters in a first switching state in parallel with each other. This applies in particular to the side of the first and second DC voltage converters facing the rectifier.
  • the switch device connects the first and second in a second switching state
  • the DC-DC converter (in particular the side of the DC-DC converter which has the intermediate circuit capacitor) can be connected to one another in parallel or in series using the switching device.
  • the switching device can be used to connect the sides of the DC / DC converter facing the rectifier in an adjustable manner in parallel or in series. These sides can correspond to the input sides of the DC-DC converters, especially during a charging process.
  • feedback i.e. with bidirectional DC converters
  • the sides correspond to the outputs of the DC-DC converters.
  • the switching device allows the inputs (in particular related to a charging process) of the DC-DC converters to be connected to one another in series or in parallel. Since the DC-DC converters are connected to the rectifier, the type of connection of the
  • DC converters can be set with the rectifier. With a serial connection, two DC voltage converters result in half the operating voltage (based on the rectified voltage), so that the switch elements and the DC link capacitors only have to be designed according to this half (or divided by the number of converters) operating voltage.
  • the DC-DC converters have a side facing the rectifier. These sides of the DC-DC converters can be connected or switched (or set) in parallel or in series using the switching device. On these pages are the
  • the rectifier is connected to an electrical system via the DC voltage connection (and via the DC voltage converter).
  • the vehicle electrical system is a circuit to which the charging device can be connected, the charging device not necessarily having to be regarded as part of the vehicle electrical system.
  • the DC voltage connection of the charging device is in particular a high-voltage connection and is therefore designed for operating voltages for> 60 V, in particular for at least 400 V, 600 V or 800 V.
  • An on-board electrical system with the charging circuit described here also comprises an accumulator which is connected to the on-board electrical system connection. In addition to the accumulator, other components can be connected to the vehicle electrical system connection.
  • the vehicle electrical system connection can be connected to the charging device via isolating switches.
  • the third DC-DC converter (the charging device) also connects the rectifier to the DC voltage connection.
  • DC converter is parallel to the first and second
  • DC voltage converters which, depending on the configuration, are connected to the rectifier in a manner connected in parallel or in series with one another, the third DC voltage converter is also connected to the rectifier.
  • the first, second and third DC voltage converters can be activated individually.
  • DC voltage converters can only be activated if this is necessary in view of the required total power. This can also apply to the first and second DC / DC converters.
  • DC-DC converters are designed for a lower nominal voltage than the third DC-DC converter. This allows the first and the second
  • the DC converters are manufactured cheaper. By connecting the sides of the DC-DC converters facing the rectifier in series, the first and the second DC-DC converters can be adapted to the DC voltage of the rectifier, which turns out differently with different number of phases (i.e. number of active phases of the rectifier) and with different input voltages.
  • the first, second and third DC voltage converters can each have connections which are connected to the DC voltage connection and to one another in parallel. This allows the power and currents on the
  • DC voltage connection can be bundled.
  • the first or the second DC voltage converter or both can be galvanically isolating converters.
  • that of the first and second DC voltage converters can be galvanically isolating converters.
  • the third DC voltage converter can have a transformer (and thus form a galvanically isolating DC voltage converter.
  • the transformer can have a winding ratio of not equal to one.
  • Direct voltage converter can thereby be set up to generate a voltage on the side facing away from the rectifier over a voltage interval in which the voltage lies, which lies on the side of the third direct voltage converter facing the rectifier.
  • the third direct voltage converter can thereby be set up to generate a voltage on the side facing away from the rectifier over a voltage interval in which the voltage lies, which lies on the side of the third direct voltage converter facing the rectifier.
  • the DC converter (by means of the transformer) to be designed to generate a voltage on one side (output) over a voltage interval in which the voltage on the other side (input; i.e. the side facing the rectifier) falls.
  • the third DC-DC converter can be configured to establish a voltage ratio (of the voltages on both sides of the
  • Rectifier itself has an up-converting function, such as
  • the third DC-DC converter can thus (in terms of its circuit design) as a step-up converter
  • the transformer of the third DC voltage converter preferably has a winding (primary winding) facing the rectifier, which has a smaller number of windings than a winding (secondary winding) of the transformer facing the DC voltage connection.
  • the two windings mentioned are magnetically coupled by means of a common core.
  • the galvanically isolating DC voltage converters have a chopper circuit (on the side facing the rectifier) and a rectifier and smoothing circuit (on the side facing the DC voltage connection).
  • the first DC-DC converter can be designed as a step-up converter.
  • the second DC / DC converter can be designed as a step-down converter.
  • the third DC / DC converter is preferably designed either as a buck converter or as a buck converter.
  • the third DC voltage converter can be designed as a buck converter or as a boost converter, while the first and / or the second DC voltage converter is designed as a buck converter.
  • Another approach is to to design the first DC converter, the second DC converter and / or the third DC converter as a step-up converter.
  • the third DC voltage converter preferably has the DC link capacitors of the first and second DC voltage converters as the DC link capacitance. By connecting the third DC voltage converter to the first and second DC voltage converters, the third DC voltage converter therefore uses the interconnected DC link capacitors of the first and second DC voltage converters as the DC link capacitance.
  • DC-DC converters form a series connection.
  • This series connection is connected in parallel to the switch units.
  • the switch units are in particular two switch units that are connected to one another via the connection point. The result is a series connection of the switch units, which is connected in parallel to the series connection of the capacitors.
  • the switch units of the first, second and third DC voltage converter each comprise two switches which are connected in series. These switches are preferably semiconductor switches, for example transistors. Since it applies to the first and second DC / DC converters that the total voltage of the rectifier is divided by dividing them into several DC / DC converters, transistors with a maximum voltage of less than 650 V, 700 V or 600 V can be used, for example so-called "superjunction FETs" . This applies in particular to a 230 volt network if this is connected to the charging circuit in three phases, so that it is not necessary to equip the DC / DC converters with transistors that have to be designed with higher maximum voltages. This means, for example, that there is no need for SiC MOSFETs, which represent a significant cost factor.
  • the switch unit of the third DC voltage converter comprises two switches, which are preferably designed as semiconductor switches, for example transistors. These are preferably designed for a higher maximum voltage than the switches of the first and second DC voltage converters. The maximum voltage of the switches of the switch unit of the third
  • DC-DC converter is therefore preferably more than 650, 700 or 600 volts.
  • the switches of the switch unit of the third DC converter can be designed as SiC transistors or as IGBTs with a corresponding maximum voltage.
  • the nominal powers of the first and second DC / DC converters are essentially the same. In particular, the nominal powers of the first and second DC / DC converters do not differ from one another by more than +/- 10%.
  • the nominal powers of the first and second DC-DC converters can be, for example, between 4 and 6 kW, approximately essentially 5.5 kW.
  • the nominal power of the third DC-DC converter can be between 10 and 12 kW, approximately essentially 1 1 kW.
  • DC-DC converter is preferably higher than the rated power of the first DC-DC converter and is preferably higher than the rated power of the second DC-DC converter.
  • the nominal powers of the first and second DC voltage converters can essentially correspond to half the nominal power of the third DC voltage converter or differ from one another by no more than +/- 10%. This is advantageous for single and three-phase charging using a (symmetrical) 230 V three-phase network.
  • the rectifier can be equipped with a step-up function. Furthermore, the rectifier can be designed as an active power factor correction filter, for example as a (preferably multiphase) Vienna rectifier.
  • the rectifier preferably has one or more switchable half bridges.
  • the half bridges are in particular fully switchable, that is to say each consist of a series connection of two switches such as transistors.
  • the half bridges or their connection points or intermediate taps are connected in particular directly or via series inductors to the AC voltage interface. A connection results via a respective series inductance
  • Power factor correction circuit that has both rectifying function and a voltage converting function, especially one
  • the rectifier between the AC interface and the DC / DC converters is therefore preferably an active rectifier and, if equipped with series inductors as described, can also perform a corrective function with regard to the power factor and / or have a harmonic damping effect.
  • the AC voltage interface can be single-phase or is preferably multi-phase, for example three-phase. So is also the rectifier between the AC interface and the
  • DC-DC converters are preferably configured with one or more phases, in particular with three phases.
  • the number of phases of the AC voltage interface preferably corresponds to the number of phases of the rectifier, the
  • the number of phases of the rectifier preferably corresponds to the number of (switchable) half bridges of the rectifier. It can be provided that an additional half bridge in the form of a diode half bridge is also provided.
  • the rectifier comprises a number of (switchable) half bridges and one
  • additional half-bridge which is designed in particular as a diode bridge.
  • the rectifier can be configured with a configurable number of phases.
  • the rectifier can be set up to rectify either in a three-phase or in a single-phase state.
  • For the single-phase state it can be provided that phases are connected to one another which are in the
  • Switchable connections between the phases of the AC voltage interface can be provided. These preferably connect all phases (switchable) to one another if the interface itself is only used in one phase or is operated in one phase. Otherwise the connections are not available or open.
  • connections are not provided or open for three-phase assignment of the AC voltage interface.
  • the connections therefore allow configuration and, in particular, the distribution of the current to be carried over all half-bridges of the rectifier, even if the single-phase assignment is only
  • the AC voltage interface is thus equipped with several phase contacts.
  • the phase contacts are connected to one another in a single-phase state by means of connections.
  • the phase contacts are individual with the individual
  • connections can be provided by semiconductor switches or electromechanical switches. This makes it possible to select a configuration in a simple and cost-effective manner in order to adapt the charging circuit to single-phase or multi-phase switching.
  • the charging circuit can also have a controller. This can be controlled with the DC-DC converters (especially with their switch units) connected.
  • the controller is set up, in a low power state or a low voltage state, only the first or the second
  • the controller is also set up to activate the first, the second DC voltage converter and the third DC voltage converter in a high-performance state or a high-voltage voltage state.
  • the low power state is present when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is below a threshold value.
  • the low voltage state is when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is below a threshold value.
  • the low voltage state is when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is below a threshold value.
  • the low voltage state is when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is below a threshold value.
  • the low voltage state is when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is below a threshold value.
  • the low voltage state is when a target power or a target current (for
  • Target voltage (such as a target charging voltage) is below a threshold.
  • the high performance state is when a target power or a target current (for example a target charging power or a target charging current) is above a threshold value.
  • the high-voltage state is present when a target voltage (such as a target charging voltage) is above a threshold value.
  • the threshold values represent the limit, if exceeded, an (additional)
  • the controller is set up to receive a corresponding current, power and / or voltage specification and, based on this, to set one of the states mentioned.
  • the controller can have an input that is set up to receive a signal that the
  • the controller can have a comparator, by means of which the values which are reproduced by the signal are compared with the relevant threshold value.
  • the threshold value can be stored in a memory of the control.
  • a controller can also be provided, which is connected in a driving manner to the switch unit.
  • This control can be provided in addition to the control described above, or the controls can be designed in front of the same control device.
  • the control connected to the switch unit can set whether the DC-DC converters are connected in series or in parallel. This control can in particular set whether the sides of the DC converters facing the rectifier are connected in parallel or in series. This enables this controller to set whether the current carrying capacity is
  • Operating voltage by connecting the DC-DC converter in series according to the Number of DC-DC converters is divided.
  • the controller controls the switch unit in a single-phase state to connect the DC-DC converters in parallel.
  • the controller connected to the switch unit controls it to connect the DC-DC converters in series. This applies in particular to the serial or parallel connection of the respective
  • phase contacts of the AC voltage interface which are switchable (for example by semiconductor switches or by electromechanical switches within the connections), then these connections are made between the phases or phase contacts when the single-phase state
  • a detection device can be provided, which detects the occupancy state at the AC interface, and in particular detects whether one or more phases of the interface are occupied. If several phases are occupied, the multi-phase state is set, and if only one phase is occupied, the
  • the detection device can be part of the control connected to the switch unit or can be connected upstream of this in order to provide the corresponding information.
  • the rectifier can have a diode half-bridge, which with a
  • the rectifier comprises half-bridges with switch units, each half-bridge being assigned to a phase of the AC voltage interface or being connected to it (for example via inductors).
  • the rectifier is preferably designed as an active rectifier.
  • the rectifier comprises one or more half bridges, each of which comprises a series connection of two switching elements.
  • the rectifier is preferably designed as an active power factor correction filter.
  • this comprises a plurality of half-bridge circuits which are connected to the AC interface via series inductors. The connections are individual, so that the series inductors also have an individual connection between the respective half-bridge and phase contact
  • the phase contacts are connected to one another via corresponding connections.
  • the rectifier can in particular be designed as a Vienna rectifier. 1 serves to explain the charging circuit described here in more detail.
  • FIG. 1 shows an exemplary vehicle-side charging device LV with an AC voltage connection WA. This is designed in three phases and set up for connection to a (not shown) three-phase supply network.
  • a rectifier GR is connected to the AC voltage connection WA and is therefore also configured in three phases. The rectifier GR connects the AC voltage connection (rectifying) with a first one
  • DC-DC converter and a second DC-DC converter.
  • a third DC-DC converter is also connected to the rectifier.
  • the rectifier GR connects the
  • the DC-DC converters DC1-DC3 are connected to a DC voltage side of the rectifier GR.
  • the first DC / DC converter DC1 comprises a switch unit SE1 (for simplification in block representation) and an intermediate circuit capacitor C1.
  • the second DC-DC converter comprises a switch unit SE2 and an intermediate circuit capacitor C2.
  • the DC-DC converters DC1-DC3 are connected to a DC voltage connection GA of the charging device (for example for connection to a vehicle electrical system branch or a component thereof, for example to a high-voltage accumulator)
  • Rectifiers GR are facing away. The relevant pages of the
  • DC-DC converters DC1 - DC3 (which can also be referred to as output sides) are connected in parallel.
  • a switch device S1, S2, S3 is used for the serial or parallel configuration of the DC-DC converters DC1 and DC2.
  • the sides of the DC-DC converters DC1 and DC2 which face or are connected to the rectifier GR are provided in a configurable manner.
  • the switches S1 to S3 are connected in series, the resulting one
  • the intermediate circuit capacitors C1 and C2 of the DC-DC converters DC1 and DC2 are connected to one another in series via the switch S3. Which Resulting series connection of the intermediate circuit capacitors C1 and C2 and the intermediate switch S3 is also connected to the rectifier GR (ie connected in parallel to this).
  • the switches S1 and S2 on the one hand and the switch S3 on the other hand are switched alternately and are therefore closed alternately.
  • both capacitors C1 and C2 each receive the full voltage that is output by the rectifier GR.
  • capacitors C1 and C2 are connected in series, in which case this series connection is connected to rectifier GR. This divides the one applied to the rectifier GR
  • the latter case is used when the voltage at the rectifier is high (for example in the case of three-phase rectification of a three-phase AC voltage at the connection WA), in order to avoid that the capacitors C1 and C2 for particularly high maximum voltages (i.e. for maximum voltages greater than that
  • the switches S1 to S3 are used for the serial or parallel configuration of the first and second DC-DC converters DC1, DC2, in particular depending on the voltage that is output by the rectifier GR. This in turn depends on the one or three phase rectification by the rectifier GR. As mentioned at the beginning, the configuration of the DC voltage from the DC1 and the DC2 can be adapted to the desired voltages or others
  • the DC-DC converter DC3 is connected in parallel to the rectifier GR.
  • the third DC-DC converter receives the full voltage, regardless of the configuration, through switches S1 to S3
  • Rectifier GR is delivered.
  • the DC-DC converter DC3 can be activated if this is necessary due to a predetermined target voltage to be provided or due to a predetermined target current to be provided. Otherwise, this can be deactivated, for example, in order to enable greater efficiency or to avoid aging.
  • the third DC-DC converter DC3 is connected in parallel to the rectifier GR and can therefore use the DC link capacitors C1 and C2 as the DC link capacitance. In this case, the third
  • DC-DC converters do not have their own DC link capacitor, but rather “only” includes a switch unit in question (like that of the
  • a controller C is connected to the DC-DC converters DC1 to DC3.
  • the control unit C is set up as a function of a target power or a target current, or also as a function of a target voltage
  • Low power status 2 (charging with a power of less than 7.4 kW (charging with a target power of up to 7.4 kW, in particular of more than 5.5 kW and less than 7.4 kW):
  • the controller is set up to set the states mentioned on the basis of a target specification.
  • the target specification can be a target power, a target voltage or a target current that is to be supplied by the charging device.
  • the values mentioned refer to a three-phase 230 volt AC network.
  • Low power states can also be referred to as low power states and relate to an operation in which the rectifier generates a voltage of approximately 400 volts.
  • the high performance state can also be one Represent high-voltage voltage state, in which three-phase rectification and thus the rectifier GR generates a voltage of 700 to 800 volts.
  • Rectifier can work in one and three phases, depending on the target voltage of the battery or the state of charge of the battery, which can be connected to GA, the rectifier can be operated in one or three phases. In single-phase operation, there is a lower rectified voltage at the rectifier GR, in order to take into account a lower nominal voltage at the connection GA. If charging is to be carried out with a high output, the rectifier GR can be operated in three phases, whereby a higher voltage is also generated (which should correspond to a target voltage).

Landscapes

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Abstract

Eine fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) ist mit einem Wechselspannungsanschluss (WA),einem daran angeschlossenen Gleichrichter (GR), mindestens einem ersten und einem zweiten Gleichspannungswandler (DC1, DC2), die jeweils mindestens einen Zwischenkreiskondensator (C1, C2) und mindestens eine Schaltereinheit (SE1, SE2) aufweisen, und einem Gleichspannungsanschluss (GA) ausgestattet. Der Gleichrichter (GR) ist über die Gleichspannungswandler (DC1, DC2) mit dem Gleichspannungsanschluss (GA) verbunden. Die Ladevorrichtung umfasst eine Schaltervorrichtung (S1, S2, S3). Diese verbindet den ersten Gleichspannungswandler (DC1) mit dem zweiten Gleichspannungswandler (DC2)in schaltbarer Weise. Die Schaltervorrichtung (SV) verbindet in einem ersten Schaltzustand die Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2) und die Schaltereinheiten (SE1, SE2) der ersten und zweiten Gleichspannungswandler (W1, W2) parallel miteinander und verbindet in einem zweiten Schaltzustand (2) die Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2) und die Schaltereinheiten (SE1, SE2) seriell miteinander verbindet. Die Ladevorrichtung (LV) weist ferner mindestens einen dritten Gleichspannungswandler (DC3) auf, der ebenfalls den Gleichrichter (GR) mit dem Gleichspannungsanschluss (GA) verbindet.

Description

Beschreibung
Fahrzeugseitige Ladevorrichtung
Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Akkumulator auf, um den Antrieb zu speisen. Bei zahlreichen Fahrzeugen ist eine Ladebuchse vorgesehen, um Energie von außen in den Akkumulator zur übertragen, etwa im Rahmen eines Ladevorgangs.
Beim Anschluss eines Fahrzeugs an ein Wechselspannungsnetz können mehrere elektrische Parameter variieren, die Einfluss auf Betriebsgrößen wie Spannung oder Leistung der Ladeschaltung haben. Diese variablen Parameter sind beispielsweise die Phasenanzahl, die von der Ausgestaltung des
Wechselspannungsanschlusses abhängt, sowie die Spannung bzw. Konfiguration des Wechselspannungsnetzes. Die variablen Parameter können in verschiedenen Regionen unterschiedlich sein.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der möglichst kostengünstig unterschiedlich ausgeprägte Wechselspannungsanschlüsse zum Laden eines Fahrzeugs verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 . Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung vorgeschlagen, bei der mehrere (galvanisch trennende) Gleichspannungswandler mittels einer einstellbaren Schaltervorrichtung parallel oder seriell miteinander verbunden werden können, um so die Ladeschaltung an die Ausprägung (etwa: ein- oder mehrphasig) des
Anschlusses an ein Wechselspannungsnetz anpassen zu können. Ein Gleichrichter der Ladeschaltung ist einer Wechselspannungsschnittstelle der Ladeschaltung nachgeschaltet und richtet die an der Wechselspannungsschnittstelle anliegende Spannung gleich. Die gleichgerichtete Spannung (bzw. deren Spitzenwert) richtet sich nach der Phasenanzahl der Wechselspannungsschnittstelle. Bei einem 230 V - Netz und einer dreiphasigen Anschlusskonfiguration kann sich so eine
gleichgerichtete Spannung ergeben, die über einer Grenz-Nennspannung liegt, die sich mit einer bestimmten Halbleitertechnologie erreichen lässt. Um für die
Halbleiter der Gleichspannungswandler eine Grenz-Nennspannung vorzusehen, die nicht die verwendbaren Technologien beschränkt, kann in diesem Fall die Schaltervorrichtung die mehreren Gleichspannungswandler in Serie zueinander schalten. Dadurch teilt sich die Betriebsspannung für jeden
Gleichspannungswandler durch deren Anzahl. Bei zwei Gleichspannungswandlern halbieren sich die Betriebsspannungen, mit denen die Halbleiter der
Gleichspannungswandler jeweils arbeiten. Bei einem einphasigen Betrieb können die Gleichspannungswandler parallel mit einander verbunden werden, um so eine Vervielfachung der Stromtragfähigkeit zu erreichen.
Zur Anpassung an eine Sollleistung, die von den Gleichspannungswandlern getragen werden soll, wird ein dritter Gleichspannungswandler vorgesehen, der parallel an den Gleichrichter angeschlossen ist und der auch mit dem mit dem gleichen Gleichspannungsanschluss verbunden ist, an den auch der erste und der zweite Gleichspannungswandler angeschlossen ist. Die Gleichspannungswandler haben daher Ausgänge, die parallel miteinander verbunden sind und die zusammen mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden sind. Bei hoher Last, d.h. bei hoher geforderter Leistung werden alle Gleichrichter zur Spannungswandlung verwendet; je nach Eingangsspannung können der erste und der zweite
Gleichspannungswandler parallel oder seriell miteinander (an der dem
Gleichrichterseite zugewandten Seite) verbunden werden. Bei geringerer geforderter Leistung können nur der erste und der zweite Gleichrichter verwendet werden. Dadurch muss nur der dritte Gleichrichter (bzw. dessen
Zwischenkreiskondensator) für hohe Spannungen ausgelegt werden, nicht aber der erste und der zweite Gleichrichter. Somit ergibt sich eine Anpassungsmöglichkeit an unterschiedliche Spannungsniveaus am Ausgang des Gleichrichters sowie an unterschiedliche Soll-Leistungen, während die Anzahl bzw. Kapazität der
Zwischenkreiskondensatoren, die für hohe Spannungen (> 600 V) ausgelegt sein muss, gering bleibt.
Die fahrzeugseitige Ladeschaltung ist daher mit einer
Wechselspannungsschnittstelle und einem daran angeschlossenen Gleichrichter ausgestattet. Die Wechselspannungsschnittstelle ist insbesondere ein
Steckverbindungselement mit mehreren Kontakten. Der Gleichrichter weist die Funktion des Gleichrichtens auf, kann jedoch in einigen Ausführungsformen neben dieser Funktion auch weitere Funktionen wie Leistungsfaktorkorrektur oder
Oberwellenfiltern aufweisen; insbesondere ist der Gleichrichter ein aktiver
Gleichrichter. Der Gleichrichter weist eine Wechselspannungsseite auf. Mit dieser ist der Gleichrichter an der Wechselspannungsschnittstelle angeschlossen. Der Gleichrichter kann einstellbar für einphasige oder mehrphasige (dreiphasige) Wechselspannung ausgelegt sein. Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise für jeden Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle mindestens eine Halbbrücke (die steuerbar sein kann oder eine Diodenhalbbrücke sein kann). Die Wechselspannungsschnittstelle kann einen Neutralleiterkontakt aufweisen. Dieser ist vorzugsweise mit einer (insbesondere eigenen) Halbbrücke des Gleichrichters verbunden. Diese
Halbbrücke kann sich von einer Halbbrücke, die mit einer Phase der
Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist, unterscheiden und kann
insbesondere eine Diodenhalbbrücke sein.
Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise auch eine Gleichspannungsseite. An diese bzw. an den Gleichrichter sind die Halbbrücken des Gleichrichters angeschlossen. Die Gleichspannungsseite umfasst insbesondere zwei Gleichspannungspotentiale oder -schienen. An diese sind die Halbbrücken angeschlossen (wobei hierbei insbesondere die beiden Enden der Halbbrücken an dieser Potentiale oder Schienen angeschlossen sind).
An den Gleichrichter sind mindestens ein erster und ein zweiter
Gleichspannungswandler angeschlossen. Jeder Gleichspannungswandler umfasst jeweils einen Zwischenkreiskondensator. Ferner umfasst jeder
Gleichspannungswandler eine Schaltereinheit (eingerichtet zum getakteten Schalten). Die Verbindungsart (parallel oder seriell), in der die
Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, ist einstellbar mittels einer Schaltervorrichtung. Die Schaltervorrichtung verbindet die
Gleichspannungswandler in schaltbarer bzw. konfigurierbarer Weise.
Unterschiedliche Schaltstellungen der Schaltervorrichtung sind mit
unterschiedlichen Verbindungen der Gleichspannungswandler untereinander verknüpft. Unterschiedliche Schaltstellungen bzw. Schaltzustände der
Schaltervorrichtung sind ferner mit unterschiedlichen Verbindungen der
Gleichspannungswandler einerseits mit dem Gleichrichter andererseits verknüpft. Mit„unterschiedlichen Verbindungen“ werden diesbezüglich Parallelschaltung (entsprechend einem ersten Schaltzustand der Schaltervorrichtung) einerseits und Seriellschaltung (entsprechend einem zweiten Schaltzustand der
Schaltervorrichtung) bezeichnet.
Die Schaltervorrichtung verbindet in einem ersten Schaltzustand die
Zwischenkreiskondensatoren und die Schaltereinheiten der ersten und zweiten Gleichspannungswandler parallel miteinander. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem zweiten Schaltzustand die Zwischenkreiskondensatoren und die
Schaltereinheiten seriell miteinander verbindet. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem ersten Schaltzustand die ersten und zweiten Gleichspannungswandler parallel miteinander. Dies betrifft insbesondere die dem Gleichrichter zugewandte Seite der ersten und zweiten Gleichspannungswandler. Die Schaltervorrichtung verbindet in einem zweiten Schaltzustand die ersten und zweiten
Gleichspannungswandler seriell miteinander verbindet. Dies betrifft insbesondere die dem Gleichrichter zugewandte Seite der ersten und zweiten
Gleichspannungswandler.
Mittels der Schaltvorrichtung können die Gleichspannungswandler (insbesondere die Seite der Gleichspannungswandler, die den Zwischenkreiskondensator aufweist) wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden.
Insbesondere können mittels der Schaltvorrichtung die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Diese Seiten können den Eingangsseiten der Gleichspannungswandler entsprechen, insbesondere bei einem Ladevorgang. Bei einer Rückspeisung (d.h. bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern)
entsprechen die Seiten den Ausgängen der Gleichspannungswandler.
Die Schaltvorrichtung erlaubt es, die Eingänge (insbesondere bezogen auf einen Ladevorgang) der Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander zu verbinden. Da die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, kann mittels der Schaltvorrichtung somit die Verbindungsart der
Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter eingestellt werden. Bei einer seriellen Verbindung ergibt sich bei zwei Gleichspannungswandler die halbe Betriebsspannung (bezogen auf die gleichgerichtete Spannung), so dass die Schalterelemente als auch die Zwischenkreiskondensatoren nur gemäß dieser halben (bzw. durch die Anzahl der Wandler geteilten) Betriebsspannung ausgelegt sein müssen. Die Gleichspannungswandler weisen eine dem Gleichrichter zugewandte Seite auf. Diese Seiten der Gleichspannungswandler werden mittels der Schaltvorrichtung wahlweise bzw. schaltbar (oder einstellbar) parallel oder seriell miteinander verbunden. An diesen Seiten befinden sich die
Zwischenkreiskondensatoren, die somit einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dies gilt auch für die Schaltereinheiten der
Gleichspannungswandler.
Der Gleichrichter ist über den Gleichspannungsanschluss (und über die Gleichspannungswandler) mit einem Bordnetz verbunden. Das Bordnetz ist eine Schaltung, an die die Ladevorrichtung angeschlossen werden kann, wobei die Ladevorrichtung nicht notwendigerweise als Teil des Bordnetzes betrachtet werden muss. Der Gleichspannungsanschluss der Ladevorrichtung ist insbesondere ein Hochvoltanschluss und ist somit für Betriebsspannungen für > 60 V ausgelegt, insbesondere für mindestens 400 V, 600 V oder 800 V. Ein Bordnetz mit der hier beschriebenen Ladeschaltung umfasst ferner einen Akkumulator, der an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Neben dem Akkumulator können weitere Komponenten an den Bordnetzanschluss angeschlossen sein. Der Bordnetzanschluss kann über Trennschalter mit der Ladevorrichtung verbunden sein.
Der dritte Gleichspannungswandler (der Ladevorrichtung) verbindet ebenfalls den Gleichrichter mit dem Gleichspannungsanschluss. Der dritte
Gleichspannungswandler ist parallel zu dem ersten und dem zweiten
Gleichspannungswandler angeschlossen. Die dem Gleichspannungsanschluss zugewandte Seite des dritten Gleichspannungswandlers parallel zu den Seiten der ersten und zweiten Gleichspannungswandler angeschlossen, die dem
Gleichspannungsanschluss zugewandt sind. Wie der erste und der zweite
Gleichspannungswandler, die je nach Konfiguration in untereinander parallel oder seriell verbundener Weise an den Gleichrichter angeschlossen sind, ist auch der dritte Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden. Der erste, zweite und dritte Gleichspannungswandler sind individuell aktivierbar. Der dritte
Gleichspannungswandler kann so nur dann aktiviert werden, wenn dies in Hinblick auf eine geforderte Gesamtleistung erforderlich ist. Dies kann auch für den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler gelten. Der erste und der zweite
Gleichspannungswandler sind für eine niedrigere Nennspannung ausgelegt als der dritte Gleichspannungswandler. Dadurch können der erste und der zweite
Gleichspannungswandler günstiger hergestellt werden. Der erste und der zweite Gleichspannungswandler können durch Seriellschaltung der dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler an die Gleichspannung des Gleichrichters angepasst werden, die bei unterschiedlicher Phasenzahl (d.h. Anzahl aktiver Phasen des Gleichrichters) und bei unterschiedlichen Eingangsspannungen unterschiedlich ausfällt.
Der erste, zweite und dritte Gleichspannungswandler können jeweils Anschlüsse aufweisen, die mit dem Gleichspannungsanschluss sowie parallel miteinander verbunden sind. Dadurch können die Leistungen und Ströme an dem
Gleichspannungsanschluss gebündelt werden.
Der erste oder der zweite Gleichspannungswandler oder beide können galvanisch trennende Wandler sein. Insbesondere ist derjenige der ersten und zweiten
Gleichspannungswandler galvanisch trennend, der mit der positiven
Spannungsschiene des Gleichrichters verbunden ist. Dies dient insbesondere zur potentialfreien Spannungsaddition des ersten und zweiten Gleichspannungswandler bei serieller Konfiguration / Verbindung. Ferner kann der dritte Gleichspannungswandler einen Transformator aufweisen (und somit einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler ausbilden. Der Transformator kann ein Wicklungsverhältnis von ungleich eins aufweisen. Der dritte
Gleichspannungswandler kann dadurch eingerichtet sein, an der dem Gleichrichter abgewandten Seite eine Spannung über ein Spannungsintervall zu erzeugen, in welchem die Spannung liegt, die an der dem Gleichrichter zugewandten Seite des dritten Gleichspannungswandlers liegt. Mit anderen Worten kann der dritte
Gleichspannungswandler (mittels des Transformators) ausgestaltet sein, an einer Seite (Ausgang) eine Spannung über ein Spannungsintervall zu erzeugen, in das die Spannung an der anderen Seite (Eingang; d.h. die dem Gleichrichter zugewandte Seite) fällt. Der dritte Gleichspannungswandler kann ausgestaltet sein, um ein Spannungsverhältnis (der Spannungen zu beiden Seiten des
Gleichspannungswandlers) von eins zu erzeugen. Es ergeben sich für den dritten Gleichspannungswandler überlappende Spannungsbänder. Dies ist insbesondere bei einem dreiphasigen 230 V - Wechselstromnetz von Vorteil, wenn der
Gleichrichter selbst eine aufwärtswandelnde Funktion hat, etwa als
Leistungsfaktorkorrekturfilter. Der dritte Gleichspannungswandler kann so (in Hinblick auf seinen schaltungstechnischen Aufbau) als Aufwärtswandler
ausgebildet sein, wobei der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von < 1 haben kann, um so zu ermöglichen, dass trotz Aufbau als Aufwärtswandler zu beiden Seiten des dritten Gleichspannungswandlers die gleiche Spannung vorgesehen werden kann. Der Transformator des dritten Gleichspannungswandlers weist vorzugsweise eine dem Gleichrichter zugewandte Wicklung (Primärwicklung) auf, die eine geringere Wicklungszahl hat als eine dem Gleichspannungsanschluss zugewandte Wicklung (Sekundärwicklung) des Transformators. Die beiden genannten Wicklungen sind magnetisch mittels eines gemeinsamen Kerns gekoppelt. Die galvanisch trennenden Gleichspannungswandler haben eine Zerhackerschaltung (auf der dem Gleichrichter zugewandten Seite) und eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung (auf der dem Gleichspannungsanschluss zugewandten Seite).
Der erste Gleichspannungswandler kann als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet sein. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der zweite Gleichspannungswandler als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet sein. Der dritte Gleichspannungswandler ist vorzugsweise entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet. Der dritte Gleichspannungswandler kann als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet sein, während der erste und/oder der zweite Gleichspannungswandler als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet ist. Eine weitere Vorgehensweise ist es, den erste Gleichspannungswandler, den zweiten Gleichspannungswandler und/oder den dritten Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler auszugestalten.
Der dritte Gleichspannungswandler weist vorzugsweise als Zwischenkreiskapazität die Zwischenkreiskondensatoren der ersten und zweiten Gleichspannungswandler auf. Durch die Verbindung des dritte Gleichspannungswandlers mit dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler nutzt daher der dritte Gleichspannungswandler die miteinander verschalteten Zwischenkreiskondensatoren der ersten und zweiten Gleichspannungswandlers als Zwischenkreiskapazität.
Die Zwischenkreiskondensatoren des ersten und zweiten
Gleichspannungswandlers bilden eine Serienschaltung. Diese Serienschaltung ist parallel an die Schaltereinheiten angeschlossen. Die Schaltereinheiten sind insbesondere zwei Schaltereinheiten, die über den Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Es ergibt sich eine Serienschaltung der Schaltereinheiten, die parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren angeschlossen ist.
Die Schaltereinheiten des ersten, zweiten und dritten Gleichspannungswandlers umfassen jeweils zwei Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Diese Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren. Da für den ersten und zweiten Gleichspannungswandler gilt, dass durch die Aufteilung auf mehrere Gleichspannungswandler die Gesamtspannung des Gleichrichters aufgeteilt wird, können Transistoren mit einer Maximalspannung von weniger als 650 V, 700 V oder 600 V verwendet werden, beispielsweise sogenannte„Superjunction FETs“ verwendet werden. Dies gilt insbesondere für ein 230 Volt-Netz, wenn dies dreiphasig an die Ladeschaltung angeschlossen ist, sodass es nicht erforderlich ist, die Gleichspannungswandler mit Transistoren auszustatten, die mit höheren Maximalspannungen ausgelegt werden müssen. Dadurch kann beispielsweise auf SiC-MOSFETs verzichtet werden, die einen signifikanten Kostenfaktor darstellen. Als Schaltereinheiten eignen sich insbesondere Transistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs. Die Schaltereinheit des dritten Gleichspannungswandlers umfasst zwei Schalter, die vorzugsweise als Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren ausgebildet sind. Diese sind vorzugsweise für eine höhere Maximalspannung als die Schalter der ersten und zweiten Gleichspannungswandler ausgebildet. Die Maximalspannung der Schalter der Schaltereinheit des dritten
Gleichspannungswandlers beträgt somit vorzugsweise mehr als 650, 700 oder 600 Volt. Die Schalter der Schaltereinheit des dritten Gleichspannungswandlers können als SiC-Transistoren oder als IGBTs mit entsprechender Maximalspannung ausgebildet sein.
Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler sind im Wesentlichen gleich groß. Insbesondere weichen die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler um nicht mehr als +/- 10% voneinander ab. Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler kann beispielsweise zwischen 4 und 6 kW betragen, etwa im Wesentlichen 5,5 kW. Die Nennleistung des dritten Gleichspannungswandlers kann zwischen 10 und 12 kW betragen, etwa im Wesentlichen 1 1 kW. Die Nennleistung des dritten
Gleichspannungswandlers ist vorzugsweise höher als die Nennleistung des ersten Gleichspannungswandlers und ist vorzugsweise höher als die Nennleistung des zweiten Gleichspannungswandlers.
Die Nennleistungen der ersten und zweiten Gleichspannungswandler kann jeweils im Wesentlichen der Hälfte der Nennleistung des dritte Gleichspannungswandlers entsprechen oder um nicht mehr als +/- 10 % voneinander abweichen. Dies ist vorteilhaft bei ein- und dreiphasiger Ladung mittels eines (symmetrischen) 230 V - Drehstromnetzes.
Der Gleichrichter kann mit einer hochsetzstellenden Funktion ausgestattet sein. Ferner kann der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet sein etwa als (vorzugsweise mehrphasige) Vienna-Gleichrichter.
Der Gleichrichter weist vorzugsweise eine oder mehrere schaltbare Halbbrücke auf. Die Halbbrücken sind insbesondere vollschaltbar, das heißt bestehen jeweils aus einer Reihenschaltung von zwei Schaltern wie Transistoren. Die Halbbrücken bzw. deren Verbindungspunkte bzw. Zwischenabgriffe sind insbesondere direkt oder über Serieninduktivitäten mit der Wechselspannungsschnittstelle verbunden. Bei einer Verbindung über jeweilige Serieninduktivitäten ergibt sich eine
Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die sowohl gleichrichtende Funktion hat als auch eine spannungswandelnde Funktion, insbesondere eine
Aufwärtswandlungsfunktion. Der Gleichrichter zwischen Wechselstromschnittstelle und den Gleichspannungswandlern ist daher vorzugsweise ein aktiver Gleichrichter und kann, wenn er mit Serieninduktivitäten wie beschrieben ausgestattet ist, auch eine korrigierende Funktion hinsichtlich des Leistungsfaktors ausüben und/oder oberwellendämpfend wirken.
Die Wechselspannungsschnittstelle kann einphasig ausgestaltet sein oder ist vorzugsweise mehrphasig ausgestaltet, beispielsweise dreiphasig. Somit ist auch der Gleichrichter zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den
Gleichspannungswandlern vorzugsweise ein- mehr- oder insbesondere dreiphasig ausgestaltet. Die Anzahl der Phasen der Wechselspannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters, der der
Wechselspannungsschnittstelle nachgeschaltet ist. Die Anzahl der Phasen des Gleichrichters entspricht vorzugsweise der Anzahl der (schaltbaren) Halbbrücken des Gleichrichters. Es kann vorgesehen sein, dass darüber hinaus eine zusätzliche Halbbrücke in Form einer Diodenhalbbrücke vorgesehen ist. In diesem Fall umfasst der Gleichrichter eine Anzahl von (schaltbaren) Halbbrücken, sowie eine
zusätzliche Halbbrücke, die insbesondere als Diodenbrücke ausgestaltet ist.
Der Gleichrichter kann mit einer konfigurierbaren Phasenanzahl ausgestaltet sein. Der Gleichrichter kann hierbei eingerichtet sein, wahlweise in einem dreiphasigen oder in einem einphasigen Zustand gleichzurichten. Für den einphasigen Zustand kann vorgesehen sein, dass Phasen miteinander verbunden sind, die im
dreiphasigen Zustand getrennt sind und unterschiedlichen Spannungsphasen (der Wechselstromschnittstelle) zugeordnet sind. Es können schaltbare Verbindungen zwischen den Phasen der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen sein. Diese verbinden vorzugsweise alle Phasen (schaltbar) miteinander, wenn die Schnittstelle selbst nur einphasig belegt ist bzw. einphasig betrieben wird. Ansonsten sind die Verbindungen nicht vorhanden oder offen. Bei einer mehrphasigen bzw.
dreiphasigen Belegung der Wechselspannungsschnittstelle sind die Verbindungen nicht vorgesehen bzw. offen. Die Verbindungen erlauben daher eine Konfiguration und insbesondere die Verteilung des zu tragenden Stroms über alle Halbbrücken des Gleichrichters, auch bei einer nur einphasigen Belegung der
Wechselstromschnittstelle. Die Wechselspannungsschnittstelle ist somit mit mehreren Phasenkontakten ausgestattet. Die Phasenkontakte sind in einem Einphasenzustand mittels Verbindungen miteinander verbunden. In einem
Mehrphasenzustand sind die Phasenkontakte individuell mit den einzelnen
Halbbrücken verbunden, das heißt mit den einzelnen Halbbrücken des
Gleichrichters. In dem Mehrphasenzustand sind die Phasen der
Wechselspannungsschnittstelle untereinander nicht verbunden.
Die Verbindungen können von Halbleiterschaltern oder elektromechanischen Schaltern vorgesehen sein. Dadurch ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine Konfiguration auszuwählen, um so die Ladeschaltung an ein- oder mehrphasiges Schalten anzupassen.
Die Ladeschaltung kann ferner eine Steuerung aufweisen. Diese ist mit den Gleichspannungswandlern (insbesondere mit deren Schaltereinheiten) ansteuernd verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Geringleistungszustand oder einem Geringspannungszustand nur den ersten oder den zweiten
Gleichspannungswandler, nur den ersten und den zweiten
Gleichspannungswandler oder nur den dritten Gleichspannungswandler zu aktivieren. Die jeweils anderen Gleichspannungswandler werden von der
Steuerung angesteuert, inaktiv zu sein. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem Hochleistungszustand oder einem Hochvolt-Spannungszustand den ersten, den zweiten Gleichspannungswandler und den dritten Gleichspannungswandler zu aktivieren. Der Geringleistungszustand liegt vor, wenn eine Sollleistung oder ein Sollstrom (etwa eine Soll-Ladeleistung oder ein Soll-Ladestrom) unter einem Schwellenwert liegt. Der Geringspannungszustand liegt vor, wenn eine
Sollspannung (etwa eine Soll-Ladespannung) unter einem Schwellenwert liegt. Der Hochleistungszustand liegt vor, wenn eine Sollleistung oder ein Sollstrom (etwa eine Soll-Ladeleistung oder ein Soll-Ladestrom) über einem Schwellenwert liegt. Der Hochvolt-Spannungszustand liegt vor, wenn eine Sollspannung (etwa eine Soll-Ladespannung) über einem Schwellenwert liegt. Die Schwellenwerte geben hierbei die Grenze wieder, bei deren Überschreitung ein (zusätzlicher)
Gleichspannungswandler aktiviert werden muss (um die Sollvorgabe zu erfüllen), und bei deren Unterschreitung ein Gleichspannungswandler deaktiviert werden kann (da nicht alle Gleichspannungswandler zum Erreichen der Sollvorgabe erforderlich sind). Die Steuerung ist eingerichtet, eine entsprechende Strom- Leistungs- und/oder Spannungsvorgabe zu empfangen und ausgehend von dieser einen der genannten Zustände einzustellen. Hierzu kann die Steuerung einen Eingang aufweisen, der eingerichtet ist, ein Signal zu empfangen, das die
Sollleistung, den Sollstrom und/oder die Sollspannung aufweist. Die Steuerung kann einen Vergleicher aufweisen, mittels dem die Werte, die von dem Signal wiedergegeben werden, mit dem betreffenden Schwellenwert verglichen werden. Der Schwellenwert kann hierbei in einem Speicher der Steuerung hinterlegt sein.
Es kann ferner eine Steuerung vorgesehen sein, die mit der Schaltereinheit ansteuernd verbunden ist. Diese Steuerung kann neben der vorangehend beschriebenen Steuerung vorgesehen sein oder die Steuerungen können vor der selben Steuervorrichtung ausgebildet sein. Die mit der Schaltereinheit ansteuernd verbundene Steuerung kann einstellen, ob die Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander verbunden werden. Diese Steuerung kann dadurch insbesondere einstellen, ob die Seiten der Gleichspannungswandler, die dem Gleichrichter zugewandt sind, parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dadurch kann diese Steuerung einstellen, ob die Stromtragfähigkeit mittels
Parallelschaltung der Gleichrichter vervielfacht wird, oder ob die jeweilige
Betriebsspannung durch seriell-schalten der Gleichspannungswandler gemäß der Anzahl der Gleichspannungswandler aufgeteilt wird. Die Steuerung steuert die Schaltereinheit in einem Einphasenzustand an, die Gleichspannungswandler parallel miteinander zu verbinden.
In einem Mehrphasenzustand steuert die mit der Schaltereinheit verbundene Steuerung diese an, die Gleichspannungswandler seriell zu verbinden. Dies betrifft insbesondere die serielle oder parallele Verbindung der jeweiligen
Zwischenkreiskondensatoren bzw. der Schaltereinheiten der betreffenden
Gleichspannungswandler. Sind ferner Verbindungen zwischen den
Phasenkontakten der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen, die schaltbar sind (etwa durch Halbleiterschalter oder durch elektromechanische Schalter innerhalb der Verbindungen), dann werden diese Verbindungen zwischen den Phasen bzw. Phasenkontakten hergestellt, wenn der Einphasenzustand
vorgesehen ist, und aufgetrennt, wenn der Mehrphasenzustand vorgesehen ist. Es kann eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die den Belegungszustand an der Wechselstromschnittstelle erfasst, und die insbesondere erfasst, ob eine oder mehrere Phasen der Schnittstelle belegt sind. Sind mehrere Phasen belegt, wird der Mehrphasenzustand eingestellt, und ist nur eine Phase belegt, wird der
Einphasenzustand eingestellt. Die Erfassungseinrichtung kann Teil der mit der Schaltereinheit verbundenen Steuerung sein oder kann dieser vorgeschaltet sein, um die entsprechenden Informationen zu liefern.
Der Gleichrichter kann eine Dioden-Halbbrücke aufweisen, die mit einem
Neutralleiterkontakt der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist. Neben der Dioden-Halbbrücke umfasst der Gleichrichter Halbbrücken mit Schaltereinheiten, wobei jede dieser Halbbrücke eine Phase der Wechselspannungsschnittstelle zugeordnet ist bzw. mit dieser (beispielsweise über Induktivitäten) verbunden ist.
Wie erwähnt ist der Gleichrichter vorzugsweise als aktiver Gleichrichter ausgebildet. Hierbei umfasst der Gleichrichter ein oder mehrere Halbbrücken, die jeweils eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen umfassen. Vorzugsweise ist der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet. Hierbei umfasst dieser mehrere Halbbrückenschaltungen, die über Serieninduktivitäten mit der Wechselstromschnittstelle verbunden sind. Die Verbindungen sind hierbei individuell, sodass auch die Serieninduktivitäten eine individuelle Verbindung zwischen jeweiliger Halbbrücke und Phasenkontakt der
Wechselspannungsschnittstelle darstellen. Wie erwähnt kann zum einphasigen Laden bzw. im Einphasenzustand vorgesehen sein, dass die Phasenkontakte über entsprechende Verbindungen miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter kann insbesondre als Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein. Die Fig. 1 dient zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Ladeschaltung.
Die Fig. 1 zeigt eine beispielhafte fahrzeugseitige Ladevorrichtung LV mit einem Wechselspannungsanschluss WA. Dieser ist dreiphasig ausgestaltet und zum Anschluss an ein (nicht dargestelltes) dreiphasiges Versorgungsnetz eingerichtet. Ein Gleichrichter GR ist an den Wechselspannungsanschluss WA angeschlossen und ist somit ebenfalls dreiphasig ausgestaltet. Der Gleichrichter GR verbindet den Wechselspannungsanschluss (gleichrichtend) mit einem ersten
Gleichspannungswandler DC1 und einem zweiten Gleichspannungswandler DC2. Ein dritter Gleichspannungswandler DC3 ist ebenso an den Gleichrichter angeschlossen. Mit anderen Worten verbindet der Gleichrichter GR den
Wechselspannungsanschluss (gleichrichtend) mit dem dritten
Gleichspannungswandler DC3. Die Gleichspannungswandler DC1 - DC3 sind an eine Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR angeschlossen.
Der erste Gleichspannungswandler DC1 umfasst eine Schaltereinheit SE1 (zur Vereinfachung in Blockdarstellung) und einen Zwischenkreiskondensator C1 . Der zweite Gleichspannungswandler DC2 umfasst eine Schaltereinheit SE2 und einen Zwischenkreiskondensator C2.
An einen Gleichspannungsanschluss GA der Ladevorrichtung (etwa zum Anschluss an einen Fahrzeugbordnetzzweig oder eine Komponente hiervon, etwa an einen Hochvoltakkumulator) sind die Gleichspannungswandler DC1 - DC3
angeschlossen. Hierbei sind diejenigen Seiten der Gleichspannungswandler DC1 - DC3 mit dem Gleichspannungsanschluss GA verbunden, welche von dem
Gleichrichter GR abgewandt sind. Die betreffenden Seiten der
Gleichspannungswandler DC1 - DC3 (die auch als Ausgangsseiten bezeichnet werden können) sind hierbei parallel miteinander verbunden.
Eine Schaltervorrichtung S1 , S2, S3 dient zur seriellen oder parallelen Konfiguration der Gleichspannungswandler DC1 und DC2. Insbesondere werden hierdurch die Seiten der Gleichspannungswandler DC1 und DC2 konfigurierbar vorgesehen, die dem Gleichrichter GR zugewandt sind bzw. mit diesem verbunden sind. Die Schalter S1 bis S3 sind in Reihe geschaltet, wobei die sich ergebende
Reihenschaltung parallel mit dem Gleichrichter GR (bzw. mit dessen
Gleichspannungsseite) verbunden ist.
Die Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 der Gleichspannungswandler DC1 und DC2 sind über den Schalter S3 in Serie miteinander verbunden. Die sich ergebende Serienschaltung der Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 sowie des zwischengeschalteten Schalters S3 ist ebenso mit dem Gleichrichter GR verbunden (d.h. parallel an diesen angeschlossen). Die Schalter S1 und S2 einerseits und der Schalter S3 andererseits werden wechselweise geschaltet und sind somit wechselweise geschlossen.
Sind die Schalter S1 und S2 geschlossen (und Schalter S3 offen), dann sind die Kondensatoren C1 und C2 parallel miteinander verbunden und somit beide jeweils parallel mit dem Gleichrichter GR verbunden. Dadurch erhalten in diesem Fall beide Kondensatoren C1 und C2 jeweils die volle Spannung, die von dem Gleichrichter GR abgegeben wird. Im anderen Fall, das heißt wenn der Schalter S3 geschlossen ist und die Schalter S1 und S2 offen sind, dann sind die Kondensatoren C1 und C2 in Reihe geschaltet, wobei dann diese Reihenschaltung mit dem Gleichrichter GR verbunden ist. Dadurch teilt sich die an den Gleichrichter GR anliegende
Gleichspannung auf die beiden Kondensatoren C1 und C2 auf. Der letztgenannte Fall wird verwendet, wenn die Spannung am Gleichrichter hoch ist (etwa bei dreiphasigem gleichrichten einer dreiphasigen Wechselspannung am Anschluss WA), um so zu vermeiden, dass die Kondensatoren C1 und C2 für besonders hohe Maximalspannungen (d.h. für Maximalspannungen größer als die
Maximalspannung, die sich im einphasigen Fall ergibt) ausgelegt werden müssen.
Die Schalter S1 bis S3 dienen zur Seriell- oder Parallelkonfiguration des ersten und zweiten Gleichspannungswandlers DC1 , DC2, insbesondere abhängig von der Spannung, die vom Gleichrichter GR abgegeben wird. Diese wiederum hängt ab von der ein- oder dreiphasigen Gleichrichtung durch den Gleichrichter GR. Dadurch kann wie eingangs erwähnt die Konfiguration der Gleichspannung von der DC1 und der DC2 angepasst werden an zu leistende Soll-Spannungen oder andere
Sollvorgaben.
Im Hinblick auf Ihre Verbindung konfigurierbaren Gleichspannungswandler DC1 und DC2 ist der Gleichspannungswandler DC3 parallel an den Gleichrichter GR angeschlossen. Dadurch erhält der dritte Gleichspannungswandler unabhängig von der Konfiguration durch die Schalter S1 bis S3 die volle Spannung, die vom
Gleichrichter GR abgegeben wird. Der Gleichspannungswandler DC3 kann aktiviert werden, wenn dies aufgrund einer vorgegebenen, zu leistenden Soll-Spannung oder aufgrund eines vorgegebenen, zu leistenden Soll-Stroms erforderlich ist. Ansonsten kann dieser beispielsweise deaktiviert sein, um so eine höhere Effizienz zu ermöglichen oder auch um eine Alterung zu vermeiden. Der dritte Gleichspannungswandler DC3 ist parallel an den Gleichrichter GR angeschlossen und kann somit auf die Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2 als Zwischenkreiskapazität zurückgreifen. In diesem Fall kann der dritte
Gleichspannungswandler keinen eigenen Zwischenkreiskondensator aufweisen, sondern umfasst„nur“ eine betreffende Schaltereinheit (wie sie auch die
Gleichspannungswandler DC1 und DC2 aufweisen in Form der Einheiten SE1 und SE2).
Eine Steuerung C ist ansteuernd mit den Gleichspannungswandlern DC1 bis DC3 verbunden. Die Steuerung C ist eingerichtet, abhängig von einer Soll-Leistung oder einem Soll-Strom, oder auch abhängig von einer Soll-Spannung die
Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 zu aktivieren, oder nur ausgewählte der Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 zu aktivieren, während mindestens ein Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandler DC1 bis DC3 nicht aktiviert verbleibt.
In Fig. 1 soll auch ferner zum Verständnis der folgenden möglichen Betriebsmodi dienen:
Geringleistungszustand 1 (Laden mit einer Sollleistung bis 5,5 kW):
Laden mit einer Leistung bis 5,5 kW: Aktivierung von DC1 oder DC2 (DC3 deaktiviert)
Geringleistungszustand 2 (Laden mit einer Leistung von weniger als 7,4 kW (Laden mit einer Sollleistung bis 7,4 kW, insbesondere von mehr als 5,5 kW und weniger als 7,4 kW):
Aktivieren von DC1 und DC2 (bei deaktiviertem DC3) oder Aktivieren von DC3 (bei deaktiviertem DC1 , DC2)
Hochleistungszustand:
Dreiphasiges Laden mit aktiviertem DC3 (und aktiviertem DC1 und DC2).
Die Steuerung ist eingerichtet, die genannten Zustände anhand einer Sollvorgabe einzustellen. Die Sollvorgabe kann eine Sollleistung, eine Sollspannung oder ein Sollstrom sein, der von der Ladevorrichtung zu liefern ist. Die genannten Werte beziehen sich auf ein dreiphasiges 230-Volt-Wechselstromnetz. Die
Geringleistungszustände können auch als Geringleistungszustände bezeichnet werden und betreffen einen Betrieb, bei dem der Gleichrichter eine Spannung von ca. 400 Volt erzeugt. Der Hochleistungszustand kann auch einen Hochvolt-Spannungszustand darstellen, bei dem dreiphasig gleichgerichtet wird und somit der Gleichrichter GR eine Spannung von 700 bis 800 Volt erzeugt.
Weiterhin sind folgende Betriebsmodi möglich (wobei die Steuerung zum Einstellen der Zustände eingerichtet ist:
Geringleistungszustand 1 - Sollleistung bis 5,5 kW:
Aktivieren von DC1 oder DC2
Geringleistungszustand 2 - Sollleistung von 5,5 kW bis 11 kW:
Aktivieren von DC1 und DC2 oder Aktivieren von DC3
Hochleistungszustand - Sollleistung mindestens 11 kW:
Aktivieren von DC1 , DC2 und DC3. Auch diese Modi beziehen sich auf ein 230 Volt-Drehstromnetz. Da wie erwähnt der
Gleichrichter ein- und dreiphasig arbeiten kann, kann je nach Soll-Spannung der Batterie bzw. Ladezustand der Batterie, die an GA angeschlossen sein kann, der Gleichrichter ein- oder dreiphasig betrieben werden. Bei einphasigem Betrieb ergibt sich eine geringere gleichgerichtete Spannung am Gleichrichter GR, um so einer geringeren Soll-Spannung am Anschluss GA Rechnung zu tragen. Soll mit einer hohen Leistung geladen werden, so kann der Gleichrichter GR dreiphasig betrieben werden, wobei dadurch auch eine höhere Spannung erzeugt wird (welche mit einer Soll-Spannung korrespondieren sollte).

Claims

Ansprüche
1. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) mit
- einem Wechselspannungsanschluss (WA),
- einem daran angeschlossenen Gleichrichter (GR),
- mindestens einem ersten und einem zweiten Gleichspannungswandler (DC1 , DC2), die jeweils mindestens einen Zwischenkreiskondensator (C1 , C2) und mindestens eine Schaltereinheit (SE1 , SE2) aufweisen, und
- einem Gleichspannungsanschluss (GA), wobei
der Gleichrichter (GR) über die Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) mit dem Gleichspannungsanschluss (GA) verbunden ist, wobei die
Ladevorrichtung (LV) eine Schaltervorrichtung (S1 , S2, S3) umfasst, die den ersten mit dem zweiten Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) schaltbar verbindet, wobei die Schaltervorrichtung (SV) in einem ersten Schaltzustand die Zwischenkreiskondensatoren (C1 , C2) und die Schaltereinheiten (SE1 , SE2) der ersten und zweiten Gleichspannungswandler (W1 , W2) parallel miteinander verbindet und in einem zweiten Schaltzustand (2) die
Zwischenkreiskondensatoren (C1 , C2) und die Schaltereinheiten (SE1 , SE2) seriell miteinander verbindet, wobei
die Ladevorrichtung (LV) ferner mindestens einen dritten
Gleichspannungswandler (DC3) aufweist, der ebenfalls den Gleichrichter (GR) mit dem Gleichspannungsanschluss (GA) verbindet.
2. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach Anspruch 1 , wobei der erste, zweite und dritte Gleichspannungswandler (DC1 - DC3) jeweils Anschlüsse aufweisen, die mit dem Gleichspannungsanschluss (GA) sowie parallel miteinander verbunden sind.
3. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Gleichspannungswandler (DC1 ), der zweite Gleichspannungswandler (DC2) oder der erste Gleichspannungswandler (DC1 ) und der zweite Gleichspannungswandler (DC2) galvanisch trennende
Gleichspannungswandler sind.
4. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei der erste Gleichspannungswandler (DC1 ) und der zweite
Gleichspannungswandler (DC2) jeweils als Hoch-Tiefsetzsteller ausgestaltet sind und der dritte Gleichspannungswandler entweder als Tiefsetzsteller oder als Hochsetzsteller ausgebildet ist.
5. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Nennleistungen der ersten und zweiten
Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) im Wesentlichen gleich groß sind.
6. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei die Nennleistungen der ersten und zweiten
Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) jeweils im Wesentlichen der Hälfte der Nennleistung des dritte Gleichspannungswandlers (DC3) entspricht.
7. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei der Gleichrichter (GR) mit einer hochsetzstel lenden Funktion ausgestattet ist.
8. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, wobei der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet ist.
9. Fahrzeugseitige Ladevorrichtung (LV) nach einem der vorangehenden
Ansprüchen, wobei der Gleichrichter (GR) eingerichtet ist, wahlweise in einem dreiphasigen oder in einem einphasigen Zustand gleichzurichten.
10. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Steuerung (ST) aufweist, die eingerichtet ist, in einem
Geringleistungszustand oder einem Geringspannungszustand nur den ersten oder den zweiten Gleichspannungswandler (DC1 , DC2), nur den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) oder nur den dritten Gleichspannungswandler (DC3) zu aktivieren, und in einem
Hochleistungszustand oder einem Hochvolt-Spannungszustand den ersten, den zweiten Gleichspannungswandler (DC1 , DC2) und den dritten
Gleichspannungswandler (DC3) zu aktivieren.
11. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der dritte Gleichspannungswandler (DC3) eine Schaltereinheit und als Zwischenkreiskapazität die Zwischenkreiskondensatoren (C1 , C2) des ersten und des zweiten Gleichspannungswandlers aufweist, an die die Schaltereinheit des dritte Gleichspannungswandler (DC3) parallel angeschlossen ist.
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