DE102019005476A1 - Charging device and method for charging an electrical energy storage device of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung (1) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Fahrzeugs, umfassend:
- einen ersten Gleichspannungswandler (3) zum Umwandeln einer Wechselspannung (UAC) in eine erste Gleichspannung (UDC1),
- einen eingangsseitigen Wechselspannungsanschluss (4) zum Bereitstellen der Wechselspannung (UAC), und
- einen ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss (5), mit welchem der elektrische Energiespeicher (2) mit der ersten Gleichspannung (UDC1) versorgbar ist,
- einen zweiten Gleichspannungswandler (6), mit welchem die Wechselspannung (UAC) in eine zweite Gleichspannung (UDC2) umwandelbar ist,
- einen ersten Kondensator (C1) des ersten Gleichspannungswandlers (3), welcher von dem ersten Gleichspannungswandler (3) mit der ersten Gleichspannung (UDC1) aufladbar ist, und
- einem zweiten Kondensator (C2) des zweiten Gleichspannungswandler (6), welcher von dem zweiten Gleichspannungswandler (6) mit der zweiten Gleichspannung (UDC2) aufladbar ist, wobei
- mit dem ersten Kondensator (C1) und/oder dem zweiten Kondensator (C2) der elektrische Energiespeicher (2) des Fahrzeugs über den ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss (5) mit der ersten Gleichspannung (UDC1) und/oder der zweiten Gleichspannung (UDC2) versorgbar ist.
The invention relates to a charging device (1) for charging an electrical energy store (2) of a vehicle, comprising:
a first DC voltage converter (3) for converting an AC voltage (U AC ) into a first DC voltage (U DC1 ),
- An input AC voltage connection (4) for providing the AC voltage (U AC ), and
an output-side DC voltage connection (5), with which the electrical energy store (2) can be supplied with the first DC voltage (U DC1 ),
a second DC voltage converter (6), with which the AC voltage (U AC ) can be converted into a second DC voltage (U DC2 ),
- A first capacitor (C1) of the first DC converter (3), which can be charged by the first DC converter (3) with the first DC voltage (U DC1 ), and
- A second capacitor (C2) of the second DC converter (6), which can be charged by the second DC converter (6) with the second DC voltage (U DC2 ), wherein
- With the first capacitor (C1) and / or the second capacitor (C2), the electrical energy store (2) of the vehicle via the output-side DC voltage connection (5) with the first DC voltage (U DC1 ) and / or the second DC voltage (U DC2 ) is available.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, wobei eine elektrische Spannung bereitgestellt wird und die Wechselspannung in eine erste Gleichspannung umgewandelt wird, wobei der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs mit der ersten Gleichspannung versorgt wird.The invention relates to a charging device for charging an electrical energy store of a vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for charging an electrical energy store of a vehicle, wherein an electrical voltage is provided and the AC voltage is converted into a first DC voltage, the electrical energy store of the vehicle being supplied with the first DC voltage.
Wechselspannungs-Bordlader sind oftmals entweder galvanisch isolierend oder galvanisch gekoppelt. Bei isolierenden Bordladern sind in der Leistungsumwandlung viele Bauteile im Eingriff wie zum Beispiel ein Transformator. Daher sind deren Leistungsdichte, Gewicht und der Preis relativ hoch. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, durch den Transformator Ableitströme über die Y-Kapazitäten des Hochvoltbordnetzes zu unterbinden. Galvanisch gekoppelte Bordlader treten bisher nur in wenigen Fahrzeugen auf, da bei ihnen Abgleichströme über die Y-Kapazitäten entstehen, die den FI-Schalter in der Haustechnik zum Auslösen bringen oder es sind aufwendige Gegenmaßnahmen für eine Ableitstromüberwachung und/oder Ableitstromkompensation notwendig, um an deren Wechselspannungsladesäule laden zu können. Dabei sind diese Zusatzmaßnahmen mit relativ hohen Kosten verbunden. Bei einem Isolationsfehler nach der Gleichrichtung der AC-Eingangsspannung wird zusätzlich zum AC-Ladestrom an der Anschlussseite der Haustechnik ein überlagerter DC-Strom addiert, der den Fl-Schutzschalter vom Typ A in der Haustechnik in die Sättigung treibt und somit unwirksam macht. Dies kann nur durch eine verstärkte Isolation im Bereich des Bordladers zwischen der AC-Gleichrichtung und der Sekundärseite des Transformators entgegengewirkt werden. Nach dem Gleichrichten der AC-Netzspannung ist das negative Spannungspotential bezogen auf den Null-Leiter und
Diesen negativen Potentialverlauf würde ein Ladegerät auf das gesamte Hochvoltsystem des Fahrzeugs übertragen.A charger would transfer this negative potential curve to the entire high-voltage system of the vehicle.
Aus der Offenlegungsschrift
Die Offenlegungsschrift
Der Nachteil von konventionell isolierenden Bordladern ist der große benötigte Bauraum sowie die teuren und schweren Komponenten. Einstufig galvanisch gekoppelte Bordlader besitzen meist unsymmetrische Hochvoltpotentiale.The disadvantage of conventionally insulating on-board loaders is the large space required and the expensive and heavy components. Single-stage galvanically coupled on-board loaders usually have asymmetrical high-voltage potentials.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ladevorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem zeitlich stabile HV-Potentiale gegenüber
Diese Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a loading device and a method according to the independent patent claims. Useful further training results from the subclaims.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs. Die Ladevorrichtung weist einen ersten Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine erste Gleichspannung und einen eingangsseitigen Wechselspannungsanschluss zum Bereitstellen der Wechselspannung auf. Mit einem ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss ist der elektrische Energiespeicher mit der ersten Gleichspannung versorgbar. Mit einem zweiten Gleichspannungswandler der Ladevorrichtung ist die Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung umwandelbar, und ein erster Kondensator des ersten Gleichspannungswandlers ist mit der ersten Gleichspannung des ersten Gleichspannungswandlers aufladbar. Mit einem zweiten Kondensator des zweiten Gleichspannungswandlers ist die Ladevorrichtung versehen und mit dem zweiten Gleichspannungswandler ist der Kondensator mit der zweiten Gleichspannung aufladbar. Mit dem ersten Kondensator und/oder dem zweiten Kondensator ist der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs über den ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss mit der ersten und/oder der zweiten Gleichspannung versorgbar.One aspect of the invention relates to a charging device for charging an electrical energy store of a vehicle. The charging device has a first DC voltage converter for converting an AC voltage into a first DC voltage and an AC voltage connection on the input side for providing the AC voltage. The electrical energy store can be supplied with the first direct voltage with an output-side direct voltage connection. With a second DC voltage converter of the charging device, the AC voltage can be converted into a second DC voltage, and a first capacitor of the first DC converter can be charged with the first DC voltage of the first DC converter. The charging device is provided with a second capacitor of the second DC voltage converter and the capacitor can be charged with the second DC voltage with the second DC voltage converter. With the first capacitor and / or the second capacitor, the electrical energy store of the vehicle can be supplied with the first and / or the second direct voltage via the output-side direct voltage connection.
Durch Umwandlung der Wechselspannung mithilfe des ersten Gleichspannungswandlers und des zweiten Gleichspannungswandlers in die erste Gleichspannung und/oder die zweite Gleichspannung teilen sich ebenso die Ströme auf den beiden Gleichspannungswandlern auf. Somit können die Bauteile der Ladevorrichtung klein dimensioniert werden, wodurch die Schaltung klein, leicht und insbesondere kostengünstig konzipiert werden kann. Die Anzahl der stromdurchflossenen Bauteile verringert sich durch die erfindungsgemäße Ladevorrichtung, wodurch ein höherer Wirkungsgrad bei einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers erreicht werden kann. Insbesondere werden durch die vorgeschlagene Ladevorrichtung die Hochvoltpotentiale bezogen auf das Potential des Nullleiters auf einen zeitlich konstanten Wert stabilisiert, wodurch ein Ableitstrom über die Y-Kapazitäten des Hochvoltsystems vermieden werden können. Dadurch können beispielsweise auf Maßnahmen zur Ableitstromüberwachung und Ableitstromkompensation verzichtet werden. Durch Umwandlung der Wechselspannung in die erste Gleichspannung und/oder die zweite Gleichspannung und durch Bereitstellung dieser Gleichspannungen an die Kondensatoren kann eine Symmetrierung der Hochvoltpotentiale bezüglich des Potentials des Nullleiters erreicht werden, wodurch der Energieinhalt der Y-Kapazitäten des HV-Systems minimiert werden können.By converting the AC voltage using the first DC voltage converter and the second DC voltage converter into the first DC voltage and / or the second DC voltage, the currents on the two DC voltage converters are also divided. The components of the charging device can thus be dimensioned small, as a result of which the circuit can be designed to be small, light and, in particular, inexpensive. The number of components through which current flows is reduced by the charging device according to the invention, as a result of which a higher efficiency can be achieved during a charging process of the electrical energy store. In particular, the proposed charging device stabilizes the high-voltage potentials with respect to the potential of the neutral conductor to a constant value over time, as a result of which a leakage current via the Y capacitors of the high-voltage system can be avoided. For example, measures for leakage current monitoring and leakage current compensation can be dispensed with. By converting the AC voltage into the first DC voltage and / or the second DC voltage and by providing these DC voltages to the capacitors, the high-voltage potentials can be balanced with respect to the potential of the neutral conductor, as a result of which the energy content of the Y-capacities of the HV system can be minimized.
Durch Verwendung des ersten Gleichspannungswandlers und des zweiten Gleichspannungswandlers kann eine Übertragung von negativen Sinusschwingungen auf das Hochvoltsystem vermieden werden. Ebenso kann dadurch auf eine doppelte Isolationsanforderung an das angeschlossene Hochvoltsystem an die Ladevorrichtung verzichtet werden. Ebenso kann mit der Ladevorrichtung ein Isolationsfehler sowohl von der negativen Hochvoltspannung zu dem Potential des Nullleiters als auch von der positiven Hochvoltspannung zu dem Potential des Nullleiters im Hochvoltsystem durch Messung des Differenzstroms an der AC-Quelle oder durch Messung des Stromes auf dem Potential des Nullleiters erkannt werden.By using the first DC voltage converter and the second DC voltage converter, a transfer of negative sine waves to the high-voltage system can be avoided. It is also possible to dispense with a double insulation requirement for the connected high-voltage system for the charging device. Likewise, the charging device can detect an insulation fault both from the negative high-voltage voltage to the potential of the neutral conductor and from the positive high-voltage voltage to the potential of the neutral conductor in the high-voltage system by measuring the differential current at the AC source or by measuring the current at the potential of the neutral conductor will.
Insbesondere können durch die Ladevorrichtung und den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler zeitlich stabile HV-Potentiale gegenüber
Bei dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler kann es sich beispielsweise um einen Aufwärtswandler, einen invertierenden Aufwärtswandler, einen Spannungswandler, einen Energiewandler oder um einen Hochsetzsteller handeln. Bei der Ladevorrichtung handelt es sich insbesondere um einen Bordlader beziehungsweise um ein Bordladegerät, mit welchem sich die anliegende eingangsseitige Wechselspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung umwandeln lässt. Das Spannungsniveau der ausgangsseitigen Gleichspannung ist stets höher als das Spannungsniveau der eingangsseitigen Wechselspannung. Bei dem eingangsseitigen Wechselspannungsanschluss kann es sich beispielsweise um eine AC-Ladesäule oder um einen Hausanschluss handeln. Bei dem ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss handelt es sich beispielsweise um einen Batterieanschluss des elektrischen Energiespeichers oder um eine angeschlossene Last.The first and second DC-DC converters can be, for example, a step-up converter, an inverting step-up converter, a voltage converter, an energy converter or a step-up converter. The charging device is in particular an on-board charger or an on-board charger with which the applied AC voltage on the input side can be converted into a DC voltage on the output side. The voltage level of the DC voltage on the output side is always higher than the voltage level of the AC voltage on the input side. The AC voltage connection on the input side can be, for example, an AC charging station or a house connection. The DC voltage connection on the output side is, for example, a battery connection of the electrical energy store or a connected load.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, wobei eine Wechselspannung bereitgestellt wird und die Wechselspannung in eine erste Gleichspannung umgewandelt wird. Mit der Gleichspannung wird der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs versorgt. Die Wechselspannung wird in eine zweite Gleichspannung umgewandelt und mit der ersten Gleichspannung wird ein erster Kondensator eines ersten Gleichspannungswandlers aufgeladen und wobei mit der zweiten Gleichspannung ein zweiter Kondensator eines zweiten Gleichspannungswandlers aufgeladen wird. Mit dem ersten Kondensator und/oder dem zweiten Kondensator wird der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs mit der ersten oder der zweiten Gleichspannung versorgt. Insbesondere wird mit der vorher geschilderten Ladevorrichtung das Verfahren durchgeführt.A further aspect of the invention relates to a method for charging an electrical energy store of a vehicle, an AC voltage being provided and the AC voltage being converted into a first DC voltage. The vehicle's electrical energy store is supplied with the DC voltage. The alternating voltage is converted into a second direct voltage and a first capacitor of a first direct voltage converter is charged with the first direct voltage and a second capacitor of a second direct voltage converter is charged with the second direct voltage. With the first capacitor and / or the second capacitor, the electrical energy store of the vehicle is supplied with the first or the second DC voltage. In particular, the method is carried out with the loading device described above.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of Leaving invention.
Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung; -
2 die Ladevorrichtung nach1 beim Betrieb in der negativen Spannungshalbwelle der Wechselspannung; und -
3 die Ladevorrichtung nach1 beim Betrieb in der positiven Spannungshalbwelle der Wechselspannung.
-
1 a schematic representation of a loading device; -
2nd the loading device after1 when operating in the negative voltage half-wave of the AC voltage; and -
3rd the loading device after1 when operating in the positive voltage half-wave of the AC voltage.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are provided with the same reference symbols.
Die
Die Wechselspannung
Der erste Kondensator
Die
Beim dreiphasigen Laden erfolgt der Abgriff über eine Sternspannung, wodurch die Komponenten nur auf die Spannung des elektrischen Energiespeichers
Die
Der erste Gleichspannungswandler
Der zweite Gleichspannungswandler
Die hier geladenen beiden Kondensatoren
Hierbei fungiert der erste Gleichspannungswandler
Der zweite Gleichspannungswandler
Da insbesondere in der positiven und in der negativen Spannungshalbwelle des Spannungsverlaufs der Wechselspannung
Die Dioden
Die Halbleiterschalter
Beispielsweise kann mit der Ladevorrichtung
Bei einem Isolationsfehler von HV-Minus zu
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- LadevorrichtungLoading device
- 22nd
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 33rd
- erster Gleichspannungswandlerfirst DC converter
- 44th
- eingangsseitiger WechselspannungsanschlussAC voltage connection on the input side
- 55
- ausgangsseitiger Gleichspannungsanschlussoutput-side DC voltage connection
- 66
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC converter
- 77
- WechselspannungsquelleAC voltage source
- 88th
- MesseinheitUnit of measurement
- C1, C2C1, C2
- erster und zweiter Kondensatorfirst and second capacitor
- DS1, DS2DS1, DS2
- Stromflusspfade während DrosselstromaufbauCurrent flow paths during choke current build-up
- D1n, D1p, D2n, D2pD1n, D1p, D2n, D2p
- DiodenDiodes
- FP1, FP2FP1, FP2
- Stromflusspfade während Freilaufphase des DrosselstromsCurrent flow paths during free-running phase of the choke current
- LL
- Phasephase
- L1, L2L1, L2
- InduktivitätenInductors
- NN
- NullleiterNeutral conductor
- R R
- InnenwiderstandInternal resistance
- S1n, S1p, S2n, S2pS1n, S1p, S2n, S2p
- HalbleiterschalterSemiconductor switch
- UACUAC
- WechselspannungAC voltage
- UDC1, UDC2UDC1, UDC2
- erste und zweite Gleichspannungfirst and second DC voltage
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102017009355 A1 [0004]DE 102017009355 A1 [0004]
- DE 102017010390 A1 [0005]DE 102017010390 A1 [0005]
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Cited By (3)
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- 2019-08-05 DE DE102019005476.8A patent/DE102019005476A1/en not_active Withdrawn
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