FAHRZEUGBORDNETZ ZUM LADEN EINES ELEKTRISCH ANGETRIEBENEN FAHRZEUGS UND VERFAHREN Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb, d.h. Elektro- fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, umfassen einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Elektrofahrzeuge und Plug-In-Hybride sind mit einem Anschluss ausgestattet, mittels dem sich mit Gleichspannung und/oder Wechselspannung Energie von einem stationären, elektrischen Versorgungsnetz (lokal oder öffentlich) zum Aufladen des Energiespeichers an diesen übertragen lässt.

DE102015218416 und DEl 02016209905 (deren Inhalt hiermit Teil der Offenbarung dieser Anmeldung ist / incorporated by reference) gemäß Fig. 4 und Fig. 5 betreffen Fahrzeugbordnetze zum Laden eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 3 zeigt eine zumindest intern bekannte Variante des

DC-Ladens (DC=Gleichspannung, AC=Wechselspannung) eines

Elektrofahrzeugs oder Plug-in-Fahrzeugs.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugbordnetz bzw. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers zu optimieren. Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus dieser Beschreibung und den Fig., wobei auch beliebige Kombinationen von Merkmalen eines oder mehrerer der Ausführungsbeispiele miteinander eigenständige Weiterbildungen oder Erfindungen definieren können.

Ein Vorteil von Ausgestaltungen der Erfindung kann darin liegen, die Ladesystemkosten (z.B. Einsparung von Lade-Elektronik, Schalter/Schütze und Leitungssatz) im Fahrzeug und/oder in der Infrastruktur zu reduzieren. Ein Vorteil von Ausgestaltungen der Erfindung kann auch darin liegen, durch die Einsparung einer zweiten Stufe der Ladeelektronik (DC/DC-Wandler) den Aufwand (Kosten, Volumen, Gewicht) weiter zu reduzieren, indem die Spannungslage aller HV-Bordnetzkomponenten (800V: Energie- speicher/Akku, Inverter, Elektro-Motor EM) so gewählt wird, dass diese über dem Niveau der gleichgerichteten Netzwechselspannung liegt. Somit kann gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ein AC/DC-Wandler zusammen mit on-Board-Filter- und

off-Board-Netz-Induktivitäten neben der Gleichrichtung auch die Spannungsanpassung mit erledigen.

In der Zeichnung zeigt zur Veranschaulichung von einigen möglichen Ausgestaltungen der Erfindung, vereinfachend schematisch :

Fig. 1 ein Fahrzeugbordnetz für ein Kraftfahrzeug oder in einem Kraftfahrzeug, um mit zwei unterschiedlichen Spannungen und/oder nacheinander zunächst einphasig mit AC und dann mehrphasig mit AC oder mit DC einen Energiespeicher zu laden, Fig. 2 ein weiteres Fahrzeugbordnetz für ein Kraftfahrzeug oder in einem Kraftfahrzeug, um mit zwei unterschiedlichen Spannungen und/oder nacheinander zunächst einphasig mit AC und dann mehrphasig mit AC oder mit DC einen Energiespeicher zu laden, mit einem zusätzlichen Buck-Boost-Converter zum Erhöhen einer Spannung,

Fig. 3 ein zumindest intern bekanntes Laden eines Ener- giespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,

Fig. 4 gemäß DE102015218416 Laden eines Energiespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,

Fig. 5 gemäß DE102016209905 Laden eines Energiespeichers über ein Fahrzeugbordnetz mit wahlweise Gleichstrom oder Wechselstrom,

Fig. 6 einen Ladestecker für ein CAS (combined charging System) , Fig. 7 ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugbordnetz.

Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfachend als eine Ausgestaltung der Erfindung zum Laden eines Energiespeichers ES (wie z.B. einer Hochvolt-/HV-Batterie eines PlugInHybrid-/Elektro- Kraft ^¬ fahrzeugs Kfz) ein Fahrzeugbordnetz FBN, das von einer Ladestation Lad über einen Stecker Stk mit wahlweise Gleichstrom DC, einphasigem Wechselstrom AC oder dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) AC ladbar ist,

wobei z.B. über Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 ; SP1, SP2 einer

Schalteinrichtung SW-Box zum Laden mit erst einer ersten Spannung Ul und dann mit einer größeren Spannung U2 die Batteriespannung U_Akku des zu ladenden Energiespeichers ES vor dem Laden mit der höheren Spannung U2 auf einen hinreichenden Wert (z.B. ein Spannungswert oder z.B. x / 80% SOC/stateofcharge/Ladezustand des Lade-Maximums) angehoben wird, insbesondere wenn sie zu ^¬ mindest auf unter einen Schwellwert (z.B. 20% oder 25% SOC / stateofCharge / Ladezustand des Lade-Maximums) entladen ist. Das dargestellte Fahrzeugbordnetz FBN weist einen Stecker Stk (z.B. gemäß Fig. 1 und/oder 6) auf zum Laden des Energiespeichers ES aus einer Ladeeinrichtung Lad (an die der Stecker Stk ansteckbar ist) mit Gleichstrom DC oder (einphasigem) Wechselstrom AC oder (dreiphasigem) Drehstrom AC .

Im Beispiel eines Steckers Stk in Fig. 1, 6 sind z.B. zwei Lade-Eingänge DC+, DC- eines Gleichstrom-Übertragungsan ^¬ schlusses DC des Fahrzeugbordnetzes FBN zum Laden des Ener ^¬ giespeichers En mit Gleichstrom dargestellt,

sowie Lade-Eingänge AC1, AC2, AC3, N (, LV-Gnd) (=in Fig. 6 bezeichnet als LI, L2, L3, L4, N) eines Wechsel- strom-Übertragungsanschlusses AC des Fahrzeugbordnetzes FBN für einphasigen Wechselstrom AC oder dreiphasigen Drehstrom AC, z.B. jeweils für Spannungen z.B. nach einem chinesischen oder europäischen oder deutschen oder japanischen oder amerikanischen Stromnetz-Standard (z.B. EU/China: dreiphasig 400V oder EU/China einphasig 230V oder USA/Japan einphasig 220V),

sowie z.B. ein N-Leiter (oder Nullleiter oder Masse) N, und ggf. Steuerungsanschlüsse und/oder Kommunikationsanschlüsse (P / CP) .

Mit dem Stecker Stk sind, z.B. über ein EMV-Filter EMV-F, mehrere (hier in einer Schaltbox SW-Box und/oder einem Gehäuse oder Modul angeordnete) von einer Steuerung Ctrl gesteuerte Schalteinrichtungen SW1-SW4 (sowie SP1, Sp2) verbunden.

Hier drei Schalteinrichtungen SW1-SW3 sind zum Schalten wahlweise (durch Ctrl) einer oder zweier oder dreier Anschlüsse (z.B. AC1 oder AC2 oder AC3, oder AC1 und AC2 und AC3, oder DC+ und DC-) jeweils auf je einen der Lade-Eingänge U2, V2, W2 einer elektrische Maschine EM vorgesehen (wobei z.B. zwei weitere Schalteinrichtungen SP1, SP2 für eine Sterndreiecksschaltung und/oder zum Umschalten von einem Traktionsbetrieb auf einen Ladebetrieb verwendbar sein können) .

Eine Schalteinrichtung SW4 kann zum Schalten eines N-Leiters vorgesehen sein. In Fig. 1 ist die Schalteinrichtung SW4 näher am Stecker Stk als eine und Fig. 1 dargestellte dazu serielle Induktivität geschaltet.

In Fig. 1 ist die Schalteinrichtung SW4 ferner vom Stecker Stk als eine Schalteinrichtung SW1 für eine Phase AC1 geschaltet. In Fig. 1 sind außerdem die Schalteinrichtungen SW2 und SW3 näher am Stecker Stk als eine Induktivität (in Fig. 1 oberhalb jeweils einer Schalteinrichtung SW2, SW3) zwischen diesen und der elektrischen Maschine EM angeordnet. Die Schalteinrichtungen SW2 und SW3 können alternativ aber auch entfernter vom Stecker Stk als eine Induktivität (in Fig. 1 unterhalb jeweils einer dargestellten dazu seriellen Induktivität) oder zwischen der elektrischen Maschine EM und dem Inverter SW angeordnet sein.

Z.B. wird wie unten näher ausgeführt über eine der Wicklungen (U2 oder V2 oder W2) der elektrischen Maschine EM der Energiespeicher ES zunächst mit einphasigem Wechselstrom (aus einem Anschluss AC2 _n

5 für Wechselstrom oder Drehstrom) oder mit Gleichspannung DC (aus mindestens einem oder beiden der Anschlüsse DC+, DC- für Gleichstrom) mit einer ersten Spannung Ul geladen,

und danach (wenn der Energiespeicher ES hinreichend vorgeladen ist) wird er (ES) mit einer zweiten höheren Spannung U2 (entweder nun mit dreiphasigem Wechselstrom aus AC1 und AC2 und AC3 über U2 und V2 und W2, oder aus mindestens einem der Anschlüsse DC+, DC- für Gleichstrom, über Wicklungen U2, V2, W2 (des Stators und/oder Rotors und/oder mit Mittenabgriff) der elektrischen Maschine EM geladen.

Falls wie dargestellt ein N-Leiter-Anschluss N des Steckers Stk durch einen Schalteinrichtung SW6 schaltbar vorgesehen ist, kann während des Ladens mit der ersten Spannung Ul (mit Gleichspannung oder Wechselspannung) und/oder während des Ladens mit der zweiten Spannung U2 (mit Gleichspannung oder Wechselspannung) dieser N-Leiter-Anschluss N von der Ladestation Lad über den Stecker Stk und eine Schalteinrichtung SW6 an die elektrische Maschine EM und/oder den Inverter WR und/oder den Energiespeicher ES ge- schaltet sein.

Mit (Ausgängen der Wicklungen) auf einer Seite der elektrischen Maschine EM sind drei Phasenstromanschlüsse PS1, PS2, PS3 auf einer Seite S2 eines Wechselrichters WR der elektrischen Maschine EM verbunden.

Ausgangsanschlüsse EA1, EA2 auf der weiteren Seite Sl des Wechselrichters WR des Energiespeichers ES sind mit Lade-Ein ^¬ gängen des Energiespeichers ES verbunden und legen also an diesen zum Vorladen zunächst eine erste Spannung Ul und (wenn Bat- teriespannung U_Akku und/oder Ladezustand des Energiespeichers ES einen vorgegebenen Wert erreicht haben) danach zum weiteren Laden des Energiespeichers ES eine (im Vergleich zur ersten Spannung) höhere Spannung U2. Ein DC-Booster wie der in einer Ausgestaltung der Erfindung in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen „Buck_Boost_Converter" bezeichnete sind nach Ausgestaltungen der Erfindung wie in Fig. 1 nicht zwingend erforderlich (aber wären wie z.B. in Fig. 2 als Ausgestaltungen der Erfindung trotzdem möglich) . Die elektrische Maschine (z.B. Elektromotor) EM kann insbesondere als Netzdrossel bei einer einphasigen oder dreiphasigen Wechselstrom- (AC) -Ladung arbeiten, eine Gleichrichtung von einphasigem (AC2 über SW2) und auch (z.B. danach) dreiphasigem (AC1, AC2, AC3 überSWl, SW2, SW3) Wechselstrom AC kann über einen Inverter (z.B. einen Traktionsinverter) WR erfolgen. Für die Spannungslage des Fahrzeugbordnetzes FBN kann z.B. durchgehend ein hoher/höherer Wert von z.B. 800V gewählt werden (z.B. für die

HV-Bordnetz-Komponentenelektrische Maschine EM (Elektromotor) , den Inverter (WR) und den Energiespeicher ES (Akkumulator) ) . Es können (z.B. anstatt einer in Fig. 4, 5 beschriebenen DC-Booster Spannungsanpassung) beim Laden mit Wechselstrom (AC) und/oder beim Laden des Energiespeichers ES mit Gleichstrom DC z.B. nach Ausgestaltungen der Erfindung folgende zwei Maßnahmen implementiert werden:

Es kann ein Energiespeicher (z.B. HV-Akkumulator) ES im

Fahrzeugbordnetz FBN (z.B. eines Hybrid-Plugln /Plugln- Elektrofahrzeugs ) EV vorgesehen sein, dessen SOC-Spannungsband (SOC: State of Charge, oder etwa Status des Ladens) teilweise, insbesondere „größtenteils" (z.B. über die Hälfte) über dem Niveau der an ihn angelegten Spannung (gleichgerichteten Netzwechselspannung oder Gleichspannung) Ul und/oder U2 liegt.

Zweckmäßig sein kann, z.B. für eine Verwendung in China oder der EU oder Deutschland ein Energiespeicher (z.B. Akku) mit maximaler Batteriespannung und/oder Ladespannung 800V sein,

und mit einem zulässigen und/oder vorgesehenen und/oder SOC und/oder typischen Spannungsbereich von (z.B. vollständig oder auf 20% des Maximums) leer bis nach (z.B. vollständig oder auf 80% des Maximums) voll von: 500 bis 800V.

Zweckmäßig sein kann, z.B. für eine Verwendung in USA oder Japan ein Energiespeicher (z.B. Akku) mit maximaler Batteriespannung und/oder Ladespannung von 400V,

und mit einem zulässigen und/oder vorgesehenen und/oder SOC- und oder typischen Spannungsbereich von (z.B. vollständig oder auf 20% des Maximums) leer bis nach (z.B. vollständig oder auf 80% des Maximums) voll von: 230V bis 450V.

Wenn der Energiespeicher ES leer ist (also z.B. mit einem SOC und/oder Ladezustand unter einem Grenzwert von z.B. etwa 20%), erfolgt z.B. erst eine ein-phasige (durch Durchschalten von nur AC2 über die Schalteinrichtung SW2) langsame Wechsel- strom-AC-Vorladung (z.B. in China/EU: mit min. 230V*1, 42*1, 1 ~ 360V) bis die Batteriespannung U_Akku mindestens einer gleichgerichtete Netzwechselspannung U_Netz_AVR (von z.B.

400V*1, 42*1, 1 ~ 600V) erreicht, die als zweite Spannung U2 ab dann angelegt werden soll für dann z.B. dreiphasiges Laden (durch Durchschalten von ACl und AC2 und AC 3 über Schalteinrichtungen SW1 und SW2 und SW3) .

Eine Ladesequenz nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann z.B. folgende sein:

-Die Steuerung Ctrl wählt beim Beginn des Ladens des Energiespeichers ES durch entsprechendes Schalten der Schaltein ^¬ richtungen SW1, SW2, SW3, SW4; SP1, SP2 , ; (von denen SW1-SW4 hierbei AC-Netzverbindungsschalter sind) für eine langsame Energiespeicher (ES ) -Vorladung die Konfiguration aus, bei welcher sich die geringste gleichgerichtete Netzwechselspannung als Ul am Energiespeicher ES (Batterie) ergibt.

(Ginge man mit einem Inverter an das AC-Netz, bei welchem die Akku- bzw. DC-Link-Spannung niedriger ist als die gleichgerichtete Netzwechselspannung, könnte sich über die Rück- wärts-Dioden der Inverter-Halbleiterschalter ein sehr hoher unkontrollierbarer Ladestrom ergeben, welcher einem Kurzschlussstrom gleichen kann und automatisch eine Schmelzsicherung aktivieren oder Bauteile angreifen könnte)

-Wenn dann der Energiespeicher ES ausreichend vorgeladen wurde, was (z.B. auch mit bekannten Kennlinien) feststellbar sein könnte aufgrund des Ladespannungs- und/oder Ladestrom-Verlaufs und/oder der Spannung U_Akku und/oder des Ladestroms in den Energiespeicher ES hinein etc.),

z.B. weil der Energiespeicher ES das Spannungs-Niveau der kleinen oder insbesondere der großen gleichgerichteten Netzwechselspannung (also z.B. U2) erreicht hat, dann wird auf die schnelle Ladung (z.B. mit U2; und/oder: z.B. in EU/China: drei-phasig mit 400V, oder z.B. USA/Japan: ein-phasig mit 220V) umgeschaltet. Die Umschaltung findet z.B. durch die Schalteinrichtungen SW1-SW6 (also Netzverbindungs-Schalter) zwischen einem (z.B. an die Ladestation Lad angeschlossenen z.B. öffentlichen) Netz und den Phasenanschlüssen U2, V2, W2 der elektrischen Maschine EM (z.B. Elektromotor eines Kraftfahrzeugs) statt.

Nach Ausgestaltungen der Erfindung sind z.B. zwei Lade-Eingänge DC+, DC- des Gleichstrom-Übertragungsanschlusses DC nach extern und/oder zu einer Ladestation Lad für (zumindest auch)

Gleichspannung DC über Schalteinrichtungen SW2, SW3 jeweils auf je eine (innere) Motorphase (V2, W2 ) der elektrischen Maschine (EM) schaltbar. Wenn ein Masseanschluss LV-Gnd von der Ladestation Lad über den Stecker Stk und eine Schalteinrichtung SW6 an die elektrische Maschine EM und/oder den Inverter WR und/oder den Energiespeicher ES oder Masse schaltbar oder verbunden ist, könnte auch das Schalten (SW2 oder SW3) eines der Lade-Eingänge DC+, DC- des Gleichstrom-Übertragungsanschlusses DC zum Laden ausreichen, evtl. zusätzlich zum Schalten (SW6) des Masseanschlusses LV-Gnd (der Masseanschluss könnte also dabei ggf. auch als einer der zwei Lade-Eingänge des Gleich ^¬ strom-Übertragungsanschlusses DC verwendet werden) .

Z.B. nach Ausgestaltungen der Erfindung in Form eines Anschlusses einer Ladestation Lad an ein öffentliches Netz in den USA oder Japan kann der Energiespeicher ES erst relativ langsam mit z.B. mindestens 170V ( 110V*1 , 42*1 , 1 ~ 170V) auf mindestens das Niveau der „großen" (also z.B. D2, die verglichen mit Ul groß ist) gleichgerichteten Netzwechselspannung von ca. 340V vorgeladen (220V*1, 42*1,1 ~ 340V) werden (z.B. mit SW2 oder SW3) . Dann werden die Lade-Schalter SW1-SW3 zwischen der elektrischen Maschine (Elektromotor) und dem (an z.B. Anschlüsse AC1 und/oder AC2 und/oder AC3 angeschlossenen) Wechselspannungsnetz AC auf die leistungsfähigere Konfiguration (z.B. in den USA oder /Japan von Ul = 110V einphasig auf U2 = 220V einphasig) umgeschaltet.

Z.B. kann nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung in Form eines Anschlusses einer Ladestation Lad an ein öffentliches Netz in China oder der EU oder Deutschland von 230V ein-phasig (zum Laden mit zunächst nur der Spannung Ul) auf 400V drei-phasig (zum Laden mit dann der verglichen mit Ul höheren Spannung U2) umgestellt werden. Z.B. der Spannungsbereich von 800V-Akkus kann dabei z.B. zu einem deutlich größeren Teil über dem Niveau der gleichgerichteten Netzwechselspannung (Ul und/oder U2) liegen als es bei einem 400V Akku und dem US-/Japan-Netz der Fall wäre.

Gebrauchssicherheit kann gewährleistet sein trotz des Merkmals von Ausgestaltungen der Erfindung, dass eine Gleichspan- nungs- (DC) -Ladespannung auf ein eigentlich zum Wechselspan- nungs- (AC) -Betrieb vorgesehenes Betriebsmittel (wie z.B. die elektrische Maschine ES und/oder den Wechselrichter WR) gegeben wird. Die durch das Ladesystem und/oder CCS gewährleistete konstruktive Abdeckung des Wechselspannungs- (AC) -Ladeteils beim Gleichspannungs- (DC) -Laden bzw. des Gleichspan- nungs- (DC) -Ladeteils beim Wechselspannungs- (AC) -Laden kann z.B. eventuell mögliche elektrische Fehlerfälle insoweit vermeiden, dass evtl. gleichzeitig vorhandene Wechselspannungs- (AC) - und Gleichspannungs- (DC) -Infrastrukturanschlüsse so nicht

gleichzeitig Spannung in das Fahrzeugbordnetz eines Fahrzeugs Spannung schalten würden, sondern sinnvollerweise nur einer der beiden, jedoch wären auch zusätzliche Schutzeinrichtungen wie eigene Trennschalter für Wechselspannungs- (AC) - und Gleich- spannungs- (DC) -Infrastrukturanschlüsse im Fahrzeugbordnetz vorstellbar .

Über gemäß Ausgestaltungen der Erfindung zum Laden des Energiespeichers ES zeitlich nacheinander in zwei Stufen über Wicklungen der elektrischen Maschine EL zur Verfügung gestellte Spannungen können über einen dafür vorgesehenen DC-DC-Wandler (Bezugszeichen in Fig. 1 „DCDC_Wandler" ) auch einem weiteren Bordnetz eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden (z.B. einem weiteren Bordnetz mit 12V (ein Fahrzeugbordnetz und/oder ein Elektromotor EM an der HV-Batterie und diese können dagegen beim Fahren z.B. mit 48V betrieben werden) .