WO2016050392A1

WO2016050392A1 - Ladeschaltung für einen elektrischen energiespeicher, elektrisches antriebssystem und verfahren zum betreiben einer ladeschaltung

Info

Publication number: WO2016050392A1
Application number: PCT/EP2015/068018
Authority: WO
Inventors: Hans Geyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2017-04-01
Also published as: JP6333475B2; JP2017536793A; EP3201037A1; DE102014219909A1; US20170305278A1; US10286786B2

Abstract

Die vorliegende Erfindungschafft eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher und einer Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung. Für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Hierzu wird eine Ladeschaltung vorgeschlagen, die Hochsetz-und Tiefsetzstellerfunktionalitäten umfasst und diese mit Gleichrichter-bzw. Wechselrichterfunktionalitäten kombiniert. Auf diese Weise wird eine Schaltungsanordnung ermöglicht, die mit einer geringen Anzahl von Bauelementen einen flexiblen Schaltungsaufbau ermöglicht.

Description

Beschreibung Titel

Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher, elektrisches

Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher, ein Antriebssystem mit einer Ladeschaltung, sowie ein

Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung.

Stand der Technik

Vollständig oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel Hybrid- und Elektrofahrzeuge, gewinnen zunehmend an

Bedeutung. Gleichzeitig steigt auch der Wunsch nach höheren Reichweiten und Leistungen der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Ladetechnik für Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Typischerweise werden in heutigen Elektrofahrzeugen konduktive Ladekonzepte eingesetzt, die autarke und räumlich von der Antriebselektronik getrennte Einheiten darstellen. Darüber hinaus sind auch bereits kontaktlose, in der Regel induktive, Ladekonzepte bekannt. Diese Ladekonzepte werden typischerweise ebenfalls als Stand-Alone-Systeme realisiert.

Die Europäische Patentanmeldung EP 0 768 774 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Laden von Batterien von Elektrofahrzeugen. Das Elektrofahrzeug umfasst dabei eine Regelelektronik mit Rekuperationsmöglichkeit. Zum Aufladen der Batterie wird von einer Gleichstromquelle ein Gleichstrom bereitgestellt, der über diese Regelelektronik die Batterie auflädt.

Aufgrund wachsender Batteriekapazitäten und dem Streben nach immer kürzeren Ladezeiten ist es wünschenswert, dass die übertragene Energiemenge pro Zeiteinheit im Ladebetrieb sich der im Fahrbetrieb entnommenen

Energiemenge aus der Traktionsbatterie annähert, oder diese sogar übersteigt. Dabei müssen die bei dem Ladevorgang beteiligten Bauteile für entsprechend große Ströme ausgelegt werden. Das Aufladen der elektrischen Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug erfolgt dabei in der Regel mittels der durch ein

Wechselspannungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer kostengünstigen und effizienten

Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers aus einem Wechselspannungsnetz.

Offenbarung der Erfindung

Hierzu schafft die vorliegende Erfindung eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher mit einem Gleichspannungsanschluss, der ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement umfasst und der mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist; und einem

Wechselspannungsanschluss, der ein drittes Anschlusselement und ein viertes Anschlusselement umfasst. Die Ladeschaltung umfasst ferner ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Anschlusselement und einem ersten

Knotenpunkt angeordnet ist; ein zweites Schaltelement, das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Anschlusselement angeordnet ist; ein drittes Schaltelement, das zwischen dem dritten Anschlusselement und einem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist; ein viertes Schaltelement, das zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem vierten Anschlusselement angeordnet ist; und eine erste Induktivität, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Ferner umfasst die Ladeschaltung einen Ladeschalter, der dazu ausgelegt ist, in einem Lademodus den

Wechselspannungsanschluss von einer elektrischen Maschine elektrisch zu trennen und in einem Antriebsmodus den Wechselspannungsanschluss mit der elektrischen Maschine elektrisch zu koppeln.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung mit den Schritten des elektrischen Koppeins einer elektrischen Maschine mit der Ladeschaltung in einem Antriebsmodus; und des elektrischen Trennens der elektrischen Maschine von der Ladeschaltung in einem Lademodus.

Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Steuerung der hohen Ströme sowohl beim Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, als auch bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher für hohe Ströme jeweils sehr teure und zum Teil großvolumige Bauelemente erforderlich sind.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Idee zugrunde, eine

Schaltungsanordnung bereitzustellen, die sowohl für das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, als auch für das Steuern des Stroms bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher die gleichen

Bauelemente verwenden kann. Auf diese Weise kann eine synergetische Doppelnutzung von teuren Bauteilen erreicht werden, die sowohl im Ladebetrieb, als auch bei der Entnahme der elektrischen Energie genutzt werden können. Hierzu schafft die vorliegende Erfindung eine symmetrische, bidirektionale Hoch- /Tiefsetzsteller- Topologie, die durch einfaches Umschalten von einem

Lademodus in einen Antriebsmodus und zurück wechseln kann.

Die erfindungsgemäße Ladeschaltung kombiniert darüber hinaus einen bidirektionalen Wechselrichter/Gleichrichter mit einem Hoch-/Tiefsetzsteller (Gleichspannungswandler). Durch die Nutzung der Hoch-/Tiefsetzsteller-

Funktionalität wird eine hohe Flexibilität bei der Wahl von Eingangs- und

Ausgangsspannungen erreicht. Somit eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten bei der Wahl der Eingangsspannung im Lademodus, sowie bei der

Ausgangsspannung im Antriebsmodus.

Die erfindungsgemäße Ladeschaltung ermöglicht darüber hinaus eine sehr flexible Ansteuerung, so dass auch ohne zusätzlichen Hardwareaufwand weitere Funktionen, wie beispielsweise eine Power- Factor-Correction (PFC)-Funktion oder ähnliches implementiert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist der Ladeschalter ferner dazu ausgelegt, im Lademodus den Wechselspannungsanschluss mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle dabei eine

Wechselspannungsquelle. Auf diese Weise ist eine konduktive elektrische Kopplung zwischen der Spannungsquelle und der Ladeschaltung möglich, so dass die Ladeschaltung von dieser Spannungsquelle gespeist werden kann, um den elektrischen Energiespeicher aufzuladen. Darüber hinaus ist bei einer solchen elektrischen Kopplung auch eine Rückspeisung von der elektrischen Energiequelle über die Ladeschaltung zur Spannungsquelle möglich. Auf diese Weise kann insbesondere ein Energierückspeisungs- Konzept, zum Beispiel

Vehicle-to-Grid (V2G) realisiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Induktivität mit einer weiteren Induktivität koppelbar. Durch diese Kopplung der ersten Induktivität mit einer weiteren Induktivität kann eine induktive Energieübertragung von der weiteren Induktivität zur ersten Induktivität - oder auch in umgekehrter Richtung - erfolgen. Auf diese Weise kann ein induktives Ladekonzept realisiert werden, bei dem die erste Induktivität der Ladeschaltung als Sekundärspule eingesetzt wird und die weitere Induktivität als Primärspule einer Ladestation eingesetzt wird. Somit kann eine induktive Energieübertragung realisiert werden, ohne dass hierzu eine separate Sekundärspule (Empfangsspule) erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ladeschaltung ferner eine Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, das erste, zweite, dritte und vierte Schaltelement mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz anzusteuern. Die

Steuerschaltung kann dabei die einzelnen Schaltelemente entweder permanent öffnen oder schließen, oder aber auch die einzelnen Schaltelemente mit einer geeigneten Taktrate ansteuern, um eine Eingangsspannung am

Wechselspannungsanschluss in eine Ladespannung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers zu konvertieren. Gleichzeitig kann durch dieselbe

Ladeschaltung auch eine inverse Spannungswandlung erfolgen, bei der die elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher zurück zur

Spannungsquelle, beispielsweise in ein Energieversorgungsnetz, eingespeist werden kann. Darüber hinaus ist durch entsprechende Ansteuerung mittels der Steuervorrichtung auch das Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise eines elektrischen Antriebs, durch die von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellte Energie möglich. Weiterhin können durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente mittels der Steuervorrichtung zusätzliche Funktionalitäten realisiert werden. Auf diese Weise kann durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente mittels der Steuerschaltung die Funktionalität der Ladeschaltung flexibel angepasst werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die vorbestimmte Schaltfrequenz, mit der die Steuerschaltung die Schaltelemente ansteuert, größer als 20 kHz. Solche hochfrequenten Schaltfrequenzen ermöglichen einen Betrieb der Ladeschaltung bei Frequenzen jenseits des hörbaren Frequenzspektrums. Auf diese Weise können störende Schallemissionen vermieden werden. Darüber hinaus können durch hohe Schaltfrequenzen, insbesondere Schaltfrequenzen von mehr als 20 kHz auch kleinere Bauelemente, insbesondere kleinere Induktivitäten und gegebenenfalls kleinere Kapazitäten in der Ladeschaltung eingesetzt werden. Somit kann durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz auch eine Skalierung der weiteren Bauelemente, insbesondere der Induktivitäten und Kapazitäten, erreicht werden. Auf diese Weise kann das Volumen und das Gewicht der Ladeschaltung verkleinert werden. Darüber hinaus können durch kleinere Bauelemente auch die Kosten für den Aufbau der Ladeschaltung reduziert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente Siliziumcarbit (SiC)-Schaltelemente oder Super- Junction-MOSFET. Derartige Schaltelemente sind für hohe Schaltfrequenzen, insbesondere Schaltfrequenzen für mehr als 20 kHz, besonders geeignet und weisen auch bei diesen hohen Schaltfrequenzen relativ geringe Verluste auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine

Ladevorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Ladeschaltungen, einem elektrischen Energiespeicher, der mit den Gleichspannungsanschlüssen der Ladeschaltungen elektrisch gekoppelt ist; und einer mehrphasigen

Wechselspannungsquelle, wobei jede Phase der Wechselspannungsquelle mit einem Wechselspannungsanschluss der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist. Dabei sind insbesondere auch alle Gleichspannungsanschlüsse der Mehrzahl der Ladeschaltungen elektrisch miteinander gekoppelt und somit parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann das Ladekonzept der erfindungsgemäßen Ladeschaltung für eine Energieeinspeisung aus einem mehrphasigen Energieversorgungsnetz oder einer anderen mehrphasigen Energiequelle angepasst werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine

Ladevorrichtung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Ladeschaltungen; einem elektrischen Energiespeicher, der mit den Gleichspannungsanschlüssen der Ladeschaltungen elektrisch gekoppelt ist; und einer Mehrzahl von weiteren Induktivitäten, wobei jede weitere Induktivität mit einer Phase einer

mehrphasigen Wechselspannung elektrisch gekoppelt ist. Auch hierbei sind die Eingangsanschlüsse der einzelnen Ladeschaltungen elektrisch miteinander gekoppelt und somit parallelgeschaltet. Auf diese Weise kann auch für eine mehrphasige Energieeinspeisung, beispielsweise aus einem Drehstromnetz, eine induktive Energieübertragung realisiert werden, bei der keine separaten

Sekundärspulen (Empfangsspulen) erforderlich sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung, einem elektrischen Energiespeicher, der mit dem Gleichspannungsanschluss der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine, die einen

Phasenanschluss umfasst, der mit dem Ladeschalter der Ladeschaltung elektrisch gekoppelt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein

Kraftfahrzeug, insbesondere ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Dabei zeigen: eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung zum konduktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung zum induktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Ladevorrichtung zum konduktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Ladevorrichtung zum induktiven Laden gemäß einer Ausführungsform; und eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladeschaltung 1. An einem Gleichspannungsanschluss 11 mit den beiden Anschlusselementen Bl und B2 ist ein elektrischer Energiespeicher 2 angeordnet. Beispielsweise kann es sich bei diesem elektrischen Energiespeicher 2 um eine Batterie handeln,

insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.

Darüber hinaus sind auch weitere beliebige elektrische

Energiespeichervorrichtungen an dem Gleichspannungsanschluss 11 der

Ladeschaltung 1 möglich. Ferner umfasst die Ladeschaltung 1 einen

Wechselspannungsanschluss 12 mit den beiden Anschlusselementen AI und A2. Ein erstes Schaltelement Sl der Ladeschaltung 1 ist zwischen dem ersten Anschlusselement Bl und einem ersten Knotenpunkt Kl angeordnet. Ein zweites Schaltelement S2 ist zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten

Anschlusselement B2 des Gleichspannungsanschlusses 11 angeordnet. Ein drittes Schaltelement S3 ist zwischen einem ersten Anschlusselement AI des Wechselspannungsanschlusses 12 und einem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet. Ein viertes Schaltelement S4 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt K2 und einem weiteren Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 angeordnet. Zwischen dem ersten

Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2 ist eine erste Induktivität LI angeordnet. Weiterhin ist der zweite Anschlusselement B2 des

Gleichspannungsanschlusses 11 und der weitere Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 elektrisch miteinander verbunden.

Vorzugsweise ist diese elektrische Verbindung zwischen zweitem

Anschlusselement B2 des Gleichspannungsanschlusses 11 und weiterem Anschlusselement A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 mit einem Bezugspotential verbunden. Die beiden Anschlusselemente AI und A2 des Wechselspannungsanschlussesl2 sind mit einem Ladeschalter 20 verbunden.

Der Ladeschalter 20 ist darüber hinaus mit einer elektrischen Energiequelle 3 und einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise einem elektrischen Motor 4 verbunden. Dabei umfasst der Ladeschalter 20 zwei Schaltelemente, wobei jedes der beiden Schaltelemente eines der beiden Anschlusselemente AI und A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 entweder mit der Spannungsquelle 3 oder dem elektrischen Motor 4 elektrisch verbinden kann. Dabei sind die beiden Schaltelemente des Ladeschalters 20 miteinander gekoppelt, so dass stets entweder beide Anschlüsse AI und A2 des Wechselspannungsanschlusses 12 mit der elektrischen Spannungsquelle 3 oder dem elektrischen Motor 4 verbunden sind.

Bei den vier Schaltelementen Sl bis S4 der Ladeschaltung 1 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschaltelemente. Dabei kann jedem der

Halbleiterschaltelemente jeweils eine Diode parallelgeschaltet werden. Bei den Halbleiterschaltelementen der Schaltelemente Sl bis S4 kann es sich beispielsweise um Tyristoren, bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate (IGBT) oder MOSFET handeln. Für hohe Schaltfrequenzen sind dabei insbesondere Siliziumcarbit-Schalter (SiC) oder Super-Junction-MOSFET möglich, die bei Schaltfrequenzen von mehr als 20 kHz nur sehr geringe Schaltverluste aufweisen.

Die Schaltelemente Sl bis S4 werden dabei durch eine Steuervorrichtung 10 angesteuert. Die Steuervorrichtung 10 ist dabei dazu ausgelegt, Steuersignale und/oder Sollwerte zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 oder zum Betrieb der elektrischen Maschine 4 zu empfangen. Basierend auf diesen Steuersignalen und/oder Sollwerten gibt die Steuervorrichtung 10 Schaltsignale an die Schaltelemente Sl bis S4 aus, um die entsprechenden Schaltelemente Sl bis S4 zu öffnen bzw. zu schließen. Die Steuersignale bzw. Sollwerte können dabei über analoge oder digitale Signale an der Steuervorrichtung 10

bereitgestellt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Steuersignale oder Sollwerte auch über ein Bussystem übertragen und von der

Steuervorrichtung 10 empfangen werden. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 10 auch Messwerte über die Spannung am Gleichspannungsanschluss 11 und/oder am Wechselspannungsanschluss 12 empfangen.

Je nach Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 in der Ladeschaltung 10 können somit verschiedene Betriebsmodi realisiert werden. In einem Lademodus arbeitet dabei die Ladeschaltung 1 als kombinierter Gleichrichter und Hoch- /Tiefsetzsteller. Hierzu wird zunächst der Wechselspannungsanschluss 12 der Ladeschaltung 1 über den Ladeschalter 20 mit der Spannungsquelle 3 verbunden und dabei gleichzeitig eine elektrische Verbindung zwischen

Wechselspannungsanschluss 12 und elektrischer Maschine 4 getrennt. In diesem Lademodus wird von der Spannungsquelle 3 am

Wechselspannungsanschluss 12 der Ladeschaltung 1 eine elektrische

Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung, bereitgestellt. Die Höhe der bereitgestellten Wechselspannung kann dabei variieren und größer oder kleiner sein als die erforderliche Gleichspannung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2, die am Gleichspannungsanschluss 12 bereitgestellt werden soll.

Ist die Amplitude bzw. der Maximalwert der Spannung am

Wechselspannungsanschluss 12 kleiner als die zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 erforderliche Gleichspannung, so arbeitet die Ladeschaltung 1 in einem Betriebsmodus als kombinierter Gleichrichter und Hochsetzsteller. Dabei ist das dritte Schaltelement S3 dauerhaft geschlossen und das vierte

Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das erste Schaltelement Sl arbeitet als aktiver Gleichrichter, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Das zweite Schaltelement S2 wird mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz getaktet.

Bezeichnet U2 den Maximalwert der Wechselspannung am

Wechselspannungsanschluss 12 und Ul den Wert der Gleichspannung, die an dem elektrischen Energiespeicher 2 bereitgestellt werden soll, und bezeichnet T weiterhin die Periodendauer des Taktsignals, mit dem das zweite Schaltelement S2 angesteuert wird und te_in die Einschaltzeit innerhalb der Periodendauer, so ergibt sich folgender Zusammenhang:

Ist der Maximalwert bzw. die Amplitude der von der Spannungsquelle 3 bereitgestellten Spannung U2 am Wechselspannungsanschluss größer als die Spannung Ul, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, so arbeitet die Ladeschaltung 1 als kombinierter Gleichrichter und Tiefsetzsteller. Hierzu ist das erste Schaltelement Sl dauerhaft geschlossen und das zweite Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das vierte Schaltelement S4 arbeitet als aktiver Gleichrichter, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch, während das dritte Schaltelement S3 mit der vorgegebenen Schaltfrequenz (f=l/T) getaktet wird. Hierbei stellen sich die Spannungsverhältnisse gemäß der folgenden Formel ein:

Darüber hinaus ermöglicht die Ladeschaltung 1 auch einen umgekehrten Betrieb, bei der die Spannung aus dem elektrischen Energiespeicher 2 in eine Spannung konvertiert wird, die in ein elektrisches Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann, oder zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 4 dienen kann. Dabei kann in einem weiteren Betriebsmodus die Ladeschaltung 1 als

kombinierter Hochsetzsteller-Wechselrichter arbeiten. Die Gleichspannung der elektrischen Energiequelle 2 wird dabei angehoben und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 4 oder zum Einspeisen in ein elektrisches Energieversorgungsnetz geeignet ist. Hierzu wird das erste Schaltelement Sl durch die Steuervorrichtung 10 derart angesteuert, dass es dauerhaft geschlossen ist. Ferner wird das zweite

Schaltelement S2 dauerhaft geöffnet. Das dritte Schaltelement S3 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, so dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Das vierte Schaltelement S4 wird schließlich mit einer vorgegebenen

Schaltfrequenz (f=l/T) angesteuert. Dabei wird gemäß dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation ein Tastverhältnis gewählt, mit dem die Spannung am Wechselspannungsanschluss 12 eingestellt werden kann. Hierbei gilt folgende Beziehung:

In einem alternativen Betriebsmodus arbeitet die Ladeschaltung 1 als kombinierter Tiefsetzsteller und Wechselrichter. Die am

Gleichspannungsanschluss 11 anliegende Gleichspannung des elektrischen Energiespeichers 2 wird dabei verringert und gleichzeitig in eine Spannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die elektrische Maschine 4 anzusteuern, oder in ein Energieversorgungsnetz eingespeist zu werden. Im Tiefsetzstellerbetrieb ist dabei der Maximalwert, also die Amplitude der Spannung am

Wechselspannungsanschluss 12 kleiner als die Gleichspannung, die am

Gleichspannungsanschluss 11 anliegt. Das dritte Schaltelement S3 ist dabei dauerhaft geschlossen und das vierte Schaltelement S4 dauerhaft geöffnet. Das zweite Schaltelement S2 wird als aktiver Gleichrichter angesteuert, und lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Das erste Schaltelement Sl wird schließlich mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz (f=l/T) derart angesteuert, dass sich am Wechselspannungsanschluss 12 die gewünschte Ausgangsspannung einstellt.

Dabei ist das Verhältnis von Spannung U2 am Wechselspannungsanschluss 12 zur Eingangsspannung Ul am Gleichspannungsanschluss 11 wie folgt:

Es ist dabei aus diesen Formeln einfach zu erkennen, dass im

Tiefsetzstellermodus die Spannung U2 bis auf 0 Volt herabgesetzt werden kann, wenn te_in gegen Null geht. Die Schaltfrequenz, mit der die Schaltelemente Sl bis S4 durch die

Steuervorrichtung 10 dabei angesteuert werden, kann in einem sehr breiten Frequenzbereich gewählt werden. Dabei sind, wie bei konventionellen

Wechselrichtern, beispielsweise Schaltfrequenzen im Bereich von bis zu 10 kHz möglich. Relativ niedrige Schaltfrequenzen erfordern jedoch eine relativ große Induktivität LI zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2. Durch Erhöhung der Schaltfrequenz auf Frequenzen oberhalb von 20 kHz und mehr kann die erforderliche Induktivität LI entsprechend verkleinert werden. Dies führt zu einer Reduktion des erforderlichen Bauraums und Gewichts der Ladeschaltung 1. Darüber hinaus führt die Verwendung von Schaltfrequenzen oberhalb des für einen Menschen hörbaren

Frequenzspektrums auch zu geringeren akustischen Beeinträchtigungen. Für die Verwendung derart hoher Schaltfrequenzen von 20 kHz und mehr sind insbesondere moderne Siliziumcarbit (SiC)-Schalter vorteilhaft. Derartige SiC- Schalter weisen auch bei Schaltfrequenzen oberhalb von 20 kHz relativ geringe Schaltverluste auf. Alternativ können darüber hinaus auch Spannungskonverter mit Super-Junction-MOSFET eingesetzt werden, die ebenfalls bei hohen Schaltfrequenzen nur geringe Schaltverluste aufweisen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform für eine Ladeschaltung 1. Die Ladeschaltung 1 dieser Ausführungsform entspricht weitestgehend der Ladeschaltung aus Figur 1. Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform die erste Induktivität LI gleichzeitig als Sende-/Empfangsspule für ein induktives Ladesystem eingesetzt. Auf diese Weise ist eine

transformatorische Energieübertragung zwischen der ersten Induktivität LI und einer weiteren Induktivität L2 möglich. Da typischerweise induktive Systeme als resonante Schwingkreise realisiert werden, muss in der Ladeschaltung 1 ein Kondensator Cl für eine kapazitive Kompensation und

Resonanzfrequenzbestimmung zugeschaltet werden. Dieser Kondensator Cl ist parallel zu der ersten Induktivität LI zwischen dem ersten Knotenpunkt Kl und dem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet.

Die weitere Induktivität L2 wird dabei von einer geeigneten Ladeschaltung 30 angesteuert. Zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2 wird dabei die Ladeschaltung 30 von einer Spannungsquelle 3 gespeist. Die Ladeschaltung 30 konvertiert die von der Spannungsquelle 3 bereitgestellte Spannung in eine geeignete, vorzugsweise hochfrequente, Wechselspannung und regt mit dieser hochfrequenten Wechselspannung die weitere Induktivität L2 an. Die weitere Induktivität L2 erzeugt daraufhin ein elektromagnetisches Wechselfeld, das in die erste Induktivität LI einkoppelt und dabei in der ersten Induktivität LI eine Spannung induziert. Um ein Einkoppeln des elektromagnetischen Wechselfeldes in die erste

Induktivität LI zu ermöglichen, muss dabei für die induktive Energieübertragung zwischen der weiteren Induktivität L2 und der ersten Induktivität LI die erste Induktivität LI modifiziert werden. Während für einen Betrieb im Antriebsmodus, bei dem elektrische Energie zwischen dem Gleichspannungsanschluss 11 und dem Wechselspannungsanschluss 12 konvertiert wird, muss die erste Induktivität LI vorzugsweise ein geschlossenes Joch aufweisen. Soll jedoch das

elektromagnetische Wechselfeld der weiteren Induktivität 2 in die erste

Induktivität LI einkoppeln, so ist es erforderlich, dieses Joch zu öffnen, damit der magnetische Fluss der weiteren Induktivität L2 in die erste Induktivität einkoppeln kann. Somit wird der Koppelfaktor zwischen weiterer Induktivität L2 und erster Induktivität LI maximiert. Hierzu sind beliebige mechanische Konstruktionen möglich. Beispielsweise kann durch einen elektrischen Antrieb das Joch entsprechend dem einzustellenden Betriebsmodus angepasst werden. Alternativ ist auch ein automatisches Wegklappen oder Verschieben eines Teils des Jochs möglich, sobald die erste Induktivität LI über der weiteren Induktivität L2 angeordnet wird. Hierzu sind beliebige rein mechanische oder motorisch gesteuerte Lösungen möglich.

Auch in dieser Konfiguration muss in dem Lademodus durch den Ladeschalter 20 die elektrische Verbindung zwischen Wechselspannungsanschluss 12 und elektrischem Motor 4 getrennt werden. Darüber hinaus wird durch ein

zusätzliches Schaltelement 21 das erste Anschlusselement Bl des

Gleichspannungsanschlusses 11 mit dem ersten Anschlusselement AI des

Wechselspannungsanschlusses 12 elektrisch verbunden, so dass durch die vier Schaltelemente Sl bis S4 eine Gleichrichterschaltung entsteht. Eine zusätzliche Wirkungsgradsteigerung kann darüber hinaus durch aktive Ansteuerung der Schaltelemente Sl bis S4 parallel zu den Freilaufdioden erfolgen (aktive

Gleichrichtung).

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrphasigen

Ladevorrichtung. Dabei ist das erfindungsgemäße Konzept auf eine beliebige Anzahl von Phasen anwendbar und nicht auf die hier dargestellte Struktur mit drei Phasen beschränkt. Die Ladevorrichtung gemäß Figur 3 umfasst dabei für jede Phase eine separate Ladeschaltung 1. Die Gleichspannungsanschlüsse 11 der einzelnen Ladeschaltungen 1 sind dabei miteinander gekoppelt und parallelgeschaltet. Diese miteinander gekoppelten Gleichspannungsanschlüsse 11 der Ladeschaltungen 1 sind mit einem Energiespeicher 2 verbunden. Auf der Wechselspannungsseite ist jede Ladeschaltung 1 mit einer Phase eines mehrphasigen Systems gekoppelt. Der Ladeschalter 20 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine geeignete Anzahl von Schaltelementen, so dass sämtliche Phasen entweder mit der mehrphasigen Energiequelle 3 oder den Phasenanschlüssen des mehrphasigen elektrischen Antriebs 4 gekoppelt werden können. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass der elektrische Antrieb 4 mehr Phasen aufweist, als die elektrische Energiequelle 3. In diesem Fall sind gegebenenfalls nicht alle Ladeschaltungen 1 mit einer Phase der elektrischen Spannungsquelle 3 gekoppelt. Für eine zentrale und synchrone Ansteuerung aller Ladeschaltungen 1 können dabei alle Ladeschaltungen 1 und insbesondere sämtliche Schaltelemente Sl bis S4 aller Ladeschaltungen 1 von einer gemeinsamen Steuervorrichtung 10 angesteuert werden. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladevorrichtung für ein induktives Laden mit mehreren Phasen. Die Ladevorrichtung umfasst in dieser Ausführungsform für jede Phase eine separate Ladeschaltung 1. Insbesondere umfasst die Ladeschaltung in dieser Ausführungsform für jede Phase der Spannungsquelle 3 eine separate Ladeschaltung gemäß Figur 2. Auch in dieser Ausführungsform können alle Ladeschaltungen 1 von einer zentralen

Steuervorrichtung 10 angesteuert werden.

Bei einer mehrphasigen Ladeschaltung gemäß den Figuren 3 oder 4 kann die Steuervorrichtung 10 dabei insbesondere in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, mit der der elektrische Energiespeicher 2 aufgeladen werden soll, die

Anzahl der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 anpassen. Dabei kann beispielsweise abhängig von der zur Verfügung stehenden Ladezeit und/oder dem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 2 die Anzahl der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 variiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, durch Reduktion der verwendeten Phasen der Spannungsquelle 3 auch bei geringer elektrischer Ladeleistung die aktiven Ladeschaltungen in einem effizienten Arbeitsbereich zu betreiben.

In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dabei sowohl im einphasigen als auch im mehrphasigen Betrieb jeweils für jede Phase eine einzelne Ladeschaltung 1 beschrieben. Darüber hinaus ist es auch möglich, mehrere Ladeschaltungen 1 parallel zu schalten und hierdurch das

Leistungsspektrum zu erweitern. Sind in einer Phase mehrere Ladeschaltungen 1 parallelgeschaltet, so kann auch dabei in Abhängigkeit von der gewünschten Ladeleistung die Anzahl der angesteuerten Ladeschaltungen variiert werden.

Beispielsweise können bei einer hohen gewünschten Ladeleistung sämtliche zur Verfügung stehende Ladeschaltungen 1 parallel angesteuert werden. Soll dagegen der elektrische Energiespeicher 2 nur mit einer geringeren Leistung aufgeladen werden, oder soll von dem elektrischen Energiespeicher 2 nur eine geringere Leistung entnommen werden, so ist es bei mehreren

parallelgeschalteten Ladeschaltungen 1 auch möglich, nur einen Teil dieser Ladeschaltungen 1, oder gegebenenfalls auch nur eine einzelne Ladeschaltung 1 anzusteuern. Auf diese Weise können die angesteuerten Ladeschaltungen 1 stets in einem effizienten Arbeitsbereich betrieben werden und hierdurch die Verluste in den aktiven Ladeschaltungen minimiert werden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung. Soll die Ladeschaltung 1 in einem Antriebsmodus betrieben werden, so wird in Schritt Sl die Ladeschaltung 1 mit einer elektrischen Maschine 4 gekoppelt. Für ein

Aufladen des elektrischen Energiespeichers 2, oder das Einspeisen von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 2 in ein

Energieversorgungsnetz wird die Ladeschaltung 1 dagegen in einem Lademodus betrieben. Hierzu wird in Schritt S2 die elektrische Verbindung zwischen elektrischer Maschine 4 und der Ladeschaltung 1 getrennt.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher. Für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Hierzu wird eine Ladeschaltung vorgeschlagen, die Hochsetz- und Tiefsetzstellerfunktionalitäten umfasst und diese mit Gleichrichter- bzw. Wechselrichterfunktionalitäten kombiniert. Auf diese Weise wird eine Schaltungsanordnung ermöglicht, die mit einer geringen Anzahl von Bauelementen einen flexiblen Schaltungsaufbau ermöglicht.

Claims

Ansprüche

1. Ladeschaltung (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2), mit: einem Gleichspannungsanschluss (11), der ein erstes Anschlusselement (Bl) und ein zweites Anschlusselement (B2) umfasst und der mit einem elektrischen Energiespeicher (2) verbunden ist; einem Wechselspannungsanschluss (12), der ein drittes Anschlusselement (AI) und ein viertes Anschlusselement (A2) umfasst; einem ersten Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten

Anschlusselement (Bl) und einem ersten Knotenpunkt (Kl) angeordnet ist; einem zweiten Schaltelement (S2), das zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Anschlusselement (B2) angeordnet ist; einem dritten Schaltelement (S3), das zwischen dem dritten

Anschlusselement (AI) und einem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; einem vierten Schaltelement (S4), das zwischen dem zweiten Knotenpunkt (K2) und dem viertem Anschlusselement (A2) angeordnet ist; einer ersten Induktivität (LI), die zwischen dem ersten Knotenpunkt (Kl) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) angeordnet ist; und einem Ladeschalter (20), der dazu ausgelegt ist, in einem Lademodus den Wechselspannungsanschluss (12) von einer elektrischen Maschine (4) elektrisch zu trennen und in einem Antriebsmodus den Wechselspannungsanschluss (12) mit der elektrischen Maschine (4) elektrisch zu koppeln.

2. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei der Ladeschalter (20) ferner dazu ausgelegt ist, im Lademodus den Wechselspannungsanschluss (12) mit einer Wechselspannungsquelle (3) zu verbinden.

3. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Induktivität (LI) mit einer weiteren Induktivität (L2) koppelbar ist.

4. Ladeschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer

Steuerschaltung (10), die dazu ausgelegt ist, das erste, zweite, dritte und vierte Schaltelement (Sl, S2, S3, S4) mit einer vorbestimmten

Schaltfrequenz anzusteuern.

5. Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte

Schaltfrequenz größer als 20 kHz ist.

6. Ladevorrichtung, mit: einer Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit den

Gleichspannungsanschlüssen (11) der Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) elektrisch gekoppelt ist; einer mehrphasigen Wechselspannungsquelle (3), wobei jede Phase der Wechselspannungsquelle (3) mit einem Wechselspanungsanschluss (12) einer Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist.

7. Ladevorrichtung, mit: einer Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit den

Gleichspannungsanschlüssen (11) der Mehrzahl von Ladeschaltungen (1) elektrisch gekoppelt ist; einer Mehrzahl von weiteren Induktivitäten (L2), wobei jede weitere

Induktivität (L2) mit einer Phase einer mehrphasigen

Wechselspannungsquelle (3) elektrisch gekoppelt ist.

8. Elektrisches Antriebssystem, mit: einer Ladeschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; einem elektrischen Energiespeicher (2), der mit dem

Gleichspannungsanschluss (11) der Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist; und einer elektrischen Maschine (4), die einen Phasenanschluss umfasst, der mit dem Ladeschalter (20) der Ladeschaltung (1) elektrisch gekoppelt ist.

9. Kraftfahrzeug, insbesondere Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug, mit einem elektrischen Antriebssystem nach Anspruch 8.

10. Verfahren zum Betreiben einer Ladeschaltung (1) nach einem der

Ansprüche 1 bis 5, mit den Schritten: elektrisches Koppeln (Sl) einer elektrischen Maschine (4) mit der

Ladeschaltung (1) in einem Antriebsmodus; elektrisches Trennen (S2) der elektrischen Maschine (4) von der

Ladeschaltung (1) in einem Lademodus.