Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ladesysteme für elektrische Energiespeicher, insbesondere mobile elektrische Energiespeicher, insbesondere für Elektrofahrzeuge.

Bekannte Ladegeräte, insbesondere für Elektrofahrzeuge, sind typischerweise zwischen eine Ladestation und einen elektrischen Energiespeicher geschaltet. Sie dienen dazu, eine an der Ladestation vorliegende Spannung bei Bedarf an ein Spannungsniveau des Energiespeichers anzupassen. Dies richtet sich nach der Spannung an der Ladestation: entweder kann diese an einem Eingang des Ladegeräts anliegende Spannung an den Energiespeicher durchgeschaltet werden (Bypass- Modus), ohne dass eine Spannungswandlung erforderlich ist, oder sie muss durch einen Wandler entsprechend dem Spannungsniveau des Energiespeichers gewandelt werden. Solche Ladegeräte können Vorschriften unterliegen, gemäss welchen der Energiespeicher mittels mechanischer Trennschalter vollpolig von der Ladestation abtrennbar sein muss.

In bekannten Ladegeräten liegt eine Spannungswandlereinheit vor, welche zwischen die Ladestation und den Energiespeicher - typischerweise eine wieder aufladbare Batterie respektive Akku - geschaltet ist. Im Bypass-Betrieb können Schnell-Lade- Vorgänge durchgeführt werden, bei denen relativ hohe Ströme auftreten, so dass Leiterquerschnitte in der Spannungswandlereinheit entsprechend hoch ausgelegt sein müssen. Ferner müssen zur vollpoligen Abschaltung mehrere Trennschalter in der Spannungswandlereinheit vorhanden sein. Ferner kann bei einem modularen Aufbau wahlweise mit oder ohne Spannungswandlereinheit eine unnötige Verdopplung von Elementen vorliegen.

Beispiele eines bekannten Ladegeräts sind in der DE 10 2017 220 287 Al und in der DE 10 2018 207 185 Al offenbart.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Ladesystem, eine Spannungswandlereinheit, und eine Speichereinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile behebt.

Mindestens eine diese Aufgaben lösen ein Ladesystem, eine Spannungswandlereinheit, und eine Speichereinheit mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.

Damit ist es möglich, sowohl den Speicher als auch einen im Spannungswandlereinheit angeordneten Spannungswandler mittels der drei Trennschalter allpolig von den V ersorgungsanschlüssen abzutrennen.

Weiter ist es möglich, die Spannungswandlereinheit mit nur einem einzigen oder gar keinem Trennschalter auszurüsten, da weitere Trennschalter in der Speichereinheit vorliegen und - weil die Spannungswandlereinheit nicht direkt an der Ladestation angeschlossen ist, sondern über die Speichereinheit - die Abtrennung der Spannungswandlereinheit von der Ladestation über die Trennschalter in der Speichereinheit geschehen kann.

Weiter ist es möglich, die Speichereinheit über die beiden Versorgungsanschlüsse direkt an die Ladestation anzuschliessen, ohne dass die dazu verwendeten Leiter durch die Spannungswandlereinheit geführt werden. Dadurch wiederum müssen keine hohen Ströme, wie sie bei einer Schnellladung im Bypass-Modus auftreten, durch die Spannungswandlereinheit geführt werden, und können Leiter in der Spannungswandlereinheit 3 entsprechend kleiner ausgelegt werden.

Weiter ist es möglich, die Speichereinheit ganz ohne die Spannungswandlereinheit auszufiihren und zu betreiben. Dabei können die beiden Versorgungsanschlüsse der Speichereinheit unverändert übernommen und betrieben werden, ebenso Versorgungsleitungen zum Anschluss an eine Ladestation. Es kann also, aufbauend auf der gleichen Speichereinheit, eine Konfiguration mit oder ohne die Spannungswandlereinheit realisiert werden. Dies ist bei der Herstellung von Vorteil, indem die Speichereinheit unverändert für beide Konfigurationen eingesetzt werden kann. Ferner kann eine Speichereinheit respektive ein diese enthaltendes Fahrzeug, auch nach Inbetriebnahme mit einer Spannungswandlereinheit nachgerüstet werden. Die Spannungswandlereinheit kann als Modul vorliegen oder nicht. Ein solches Modul weist nur einem einzigen oder gar keinem Trennschalter auf. Eine Gesamtzahl von Trennschaltern wird dabei minimiert.

In Ausführungsformen ist das Ladesystem gemäss Anspruch 2 ausgebildet.

In Ausführungsformen ist das Ladesystem gemäss Anspruch 3 ausgebildet. Damit ist es möglich, das Ladesystem in Form separater Module, d.h. Spannungswandlereinheit und Speichereinheit, herzustellen und für den Einsatz zusammenzuführen. Insbesondere ist das derart modularisierte Ladesystem wahlweise mit oder ohne Spannungswandlereinheit betreibbar.

In Ausführungsformen ist das Ladesystem gemäss Anspruch 4 ausgebildet. Damit ist es möglich, die Verbindung zwischen Spannungswandlereinheit und Speichereinheit auf einfache Weise herzustellen und zu lösen. In Ausführungsformen ist das Ladesystem gemäss Anspruch 5 ausgebildet. Damit ist es möglich, das Ladesystem mit einem in der Elektrofahrzeugtechnik üblichen Sicherungssystem zu betreiben, beispielsweise Interlock oder HV-Interlock oder mit Pilotkontakten.

In Ausführungsformen ist das Ladesystem gemäss Anspruch 6 und/oder Anspruch 7 ausgebildet. Damit ist das Ladesystem für die Anwendung in einem Elektrofahrzeug geeignet. Entsprechende Spannungen der Ladestation können beispielsweise 400 Volt oder 800 Volt sein.

Die Spannungswandlereinheit ist gemäss Anspruch 8 ausgebildet. Damit kann mit dem ersteh Trennschalter der Eingangsanschluss von einem Spannungs Wandler der Spannungswandlereinheit abgetrennt werden.

Die Speichereinheit ist gemäss Anspruch 9 ausgebildet. Damit kann die Speichereinheit wahlweise mit oder ohne eine Spannungswandlereinheit betrieben werden.

Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Ladesystem mit einer Spannungswandlereinheit und einer Speichereinheit;

Figur 2 das Ladesystem mit einer konkreten ersten Ausfiihrungsform der Spannungswandlereinheit.

Figur 3 ein Ladesystem mit einer Spannungswandlereinheit und einer Speichereinheit gemäss einer zweiten Ausfiihrungsform;

Figur 4 das Ladesystem gemäss der zweiten Ausfiihrungsform mit einer konkreten zweiten Ausführungsform der Spannungswandlereinheit. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile oder gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt ein Ladesystem 2, angeschlossen an eine Ladestation 1. Das Ladesystem 2 weist eine Spannungswandlereinheit 3 und eine Speichereinheit 4 auf.

Die Spannungswandlereinheit 3 weist einen Eingangsanschluss 31, einen Ausgangsanschluss 32, einen gemeinsamen Anschluss 33, und einen Spannungswandler 37 zum Wandeln einer zwischen dem Eingangsanschluss 31 und dem gemeinsamen Anschluss 33 anliegenden Eingangsspannung in eine zwischen dem Ausgangsanschluss 32 und dem gemeinsamen Anschluss 33 anliegenden Ausgangsspannung auf.

Beim Betrieb des Spannungswandlers 37 ist seine Eingangsspannung gleich einer Ausgangsspannung der Ladestation 1, und ist seine Ausgangsspannung gleich einer Spannung des Speichers 48.

Die die Speichereinheit 4 weist auf: einen ersten Anschluss 41 zum Anschluss an den Eingangsanschluss 31 der Spannungswandlereinheit 3, einen zweiten Anschluss 42 zum Anschluss an den Ausgangsanschluss 32 der Spannungswandlereinheit 3 und zum Speisen eines ersten Anschlusses 481 des Speichers 48, einen dritten Anschluss 43 zum Anschluss an den gemeinsamen Anschluss 33 der Spannungswandlereinheit 3 und zum Speisen eines zweiten Anschlusses 482 des Speichers 48, einen ersten Versorgungsanschluss 44 zum Anschluss an einen ersten Ladeanschluss 11 einer Ladestation 1, und einen zweiten Versorgungsanschluss 45 zum Anschluss an einen zweiten Ladeanschluss 12 der Ladestation 1.

Der Anschluss des ersten respektive zweiten Versorgungsanschlusses 44, 45 an einen ersten Ladeanschluss 11 respektive einen zweiten Ladeanschluss 12 der Ladestation 1 geschieht über eine erste Versorgungsleitung 13 respektive eine zweite Versorgungsleitung 14.

In Ausfuhrungsformen sind die beiden Versorgungsleitungen 13, 14 als separate Kabel ausgefuhrt und sind die beiden Versorgungsanschlüsse 44, 45 an separaten Steckern ausgebildet. Damit wird erreicht, dass die einzelnen, separaten Kabel nicht zu schwer werden, falls sie für hohe Ladeströme ausgelegt sein müssen.

In Ausführungsformen sind die beiden Versorgungsleitungen 13, 14 in einem gemeinsamen Kabel ausgefuhrt und sind die beiden Versorgungsanschlüsse 44, 45 an einem gemeinsamen Stecker ausgebildet.

Innerhalb der Spannungswandlereinheit 3 ist

• der Eingangsanschluss 31 der Spannungswandlereinheit 3 über einen ersten Trennschalter 36 vom Spannungswandler 37 abtrennbar.

Innerhalb der Speichereinheit 4

• ist der erste Versorgungsanschluss 44 mit dem ersten Anschluss 41 der Speichereinheit 4 verbunden,

• sind der zweite Anschluss 42 der Speichereinheit 4 und der erste Anschluss

481 des Speichers 48 über einen zweiten Trennschalter 46 abtrennbar mit dem ersten Versorgungsanschluss 44 verbunden, und

• sind der dritte Anschluss 43 der Speichereinheit 4 und der zweite Anschluss

482 des Speichers 48 über einen dritten Trennschalter 47 abtrennbar mit dem zweiten Versorgungsanschluss 45 verbunden. In Ausführungsformen ist anstelle des ersten der zweite Versorgungsanschluss 45 mit dem ersten Anschluss 41 der Speichereinheit 4 verbunden. Dies entspricht, bei gleicher Polarität des Speichers 48 und der Ladestation 1, einer Betriebsweise des Spannungswandlers 37 mit umgekehrter Polarität.

Die Speichereinheit 4 und insbesondere die Speicher 48 kann mit einem (nicht eingezeichneten) Batteriemanagementsystem und/oder einer Laderegelung bekannter Art ausgerüstet sein. Letztere kann beispielsweise die Ladestation 1 und/oder die Spannungswandlereinheit 3 über (nicht eingezeichnete) Kommunikationsverbindungen ansteuem.

In Ausfuhrungsformen ist die Speichereinheit 4 Teil eines Verbraucherkreises, im Falle eines Fahrzeugs auch Traktionskreis genannt, oder mit einem Verbraucherkreis verbunden. Weiter kann die Speichereinheit 4 weitere Trennschalter 483, 484 zum Abtrennen der ersten und des zweiten Anschlusses 481, 482 des Speichers 48 von den übrigen Elementen, beispielsweise von der Spannungswandlereinheit 3 und dem Verbraucherkreis aufweisen. Das Vorliegen solcher weiterer Trennschalter 483, 484 zum Abtrennen der Speichereinheit 4 kann durch Normen vorgeschrieben sein.

Die Ansteuerung der Trennschalter 36, 46, 47 und des Spannungswandlers 37 erfolgt durch eine Steuerung 100 und (nicht eingezeichnete) Kommunikationsverbindungen. Die Steuerung 100 ist beispielhaft in der Spannungswandlereinheit 3 eingezeichnet, kann aber auch in der Speichereinheit 4 oder ausserhalb beider Einheiten angeordnet sein. Weitere übliche Elemente zur Gewährleistung der Funktion und Sicherheit, beispielsweise zur Überwachung der Versorgungsanschlüsse 44, 45, sind nicht dargestellt.

Falls die von der Ladestation 1 gelieferte Spannung nicht gleich der zum Laden des Speichers 48 benötigten Spannung ist, kann das Ladesystem 2 in einen Wandler- Modus geschaltet werden. In diesem ist der zweite Trennschalter 46 geöffnet und sind der erste Trennschalter 36 und dritte Trennschalter 47 geschlossen. Der Spannungswandler 37 wird getaktet.

Dabei wandelt er die am Eingangsanschluss 31 der Spannungswandlereinheit 3 über den ersten Anschluss 41 und den ersten Versorgungsanschluss 44 der Speichereinheit 4 und die erste Versorgungsleitung 13 anliegende Spannung des ersten Ladeanschlusses 11 in die am Ausgangsanschluss 32 der Spannungswandlereinheit 3 anliegende Spannung. Diese liegt über den zweiten Anschluss 42 der Speichereinheit 4 am ersten Anschluss 481 des Speichers 48 an. Die genannten Spannungen sind auf den gemeinsamen Anschluss 33 bezogen.

Die Spannung des zweiten Ladeanschlusses 12 liegt über die zweite Versorgungsleitung 14 und den zweiten Versorgungsanschluss 45 am dritten Anschluss 43 der Speichereinheit 4 und damit am gemeinsamen Anschluss 33 der Spannungswandlereinheit 3 sowie am zweiten Anschluss 482 des Speichers 48 an.

Falls die von der Ladestation 1 gelieferte Spannung gleich der zum Laden des Speichers 48 benötigten Spannung ist, kann das Ladesystem 2 in einen Bypass-Modus geschaltet werden. In diesem ist der erste Trennschalter 36 geöffnet und sind der zweite Trennschalter 46 und dritte Trennschalter 47 geschlossen. Der Spannungswandler 37 wird nicht getaktet. Die Spannung der Ladestation 1 liegt am Speicher 48 an.

Falls das Ladesystem 2 von der Ladestation 1 galvanisch abgetrennt werden soll, werden alle drei Trennschalter 36, 46, 47 geöffnet.

Der Speicher 48 ist typischerweise eine wieder aufladbare Batterie respektive Akku. Der Spannungswandler 37 ist in der Regel ein DC-DC-Wandler. Er kann beispielsweise eine Ladungspumpe, ein Hochsetzsteller (boost-converter), Tiefsetzsteller (buck-converter) oder eine Kombination als Hoch-Tiefsetzsteller sein, oder eine andere Topologie aufweisen, beispielsweise eine Brückenschaltung, welche einen DC- DC-Wandler realisiert. Eine Ladungspumpe kann zur Spannungsverdoppelung oder zur Spannungsvervielfachung ausgebildet sein.

Der Spannungswandler 37 transferiert im Betrieb im Regelfall elektrische Energie von der Ladestation 1, welche über den Eingangsanschluss 31 und den gemeinsamen Anschluss 33 den Spannungswandler 37 speist, zum Speicher 48, welcher über den Ausgangsanschluss 32 und den gemeinsame Anschluss 33 vom Spannungswandler 37 gespeist wird. In Ausführungsformen kann auch zusätzlich ein Rückspeisungs-Modus realisiert werden, in welchem Energie in die entgegengesetzte Richtung übertragen wird. Dazu können im Spannungswandler 37 passive Ventile (Dioden) durch aktive Halbleiterschalter ersetzt sein.

Figur 2 zeigt ein Ladesystem 2, in welchem der Spannungswandler 37 als Ladungspumpe ausgebildet ist. In der hier gezeigten Variante einer Ladungspumpe liegt in Serie zu einer Speicherkapazität CRES eine Induktivität LRES, wodurch ein resonanter Schwingkreis gebildet wird. Die Funktionsweise dieses Spannungswandlers 37 ist in WO 2018/046370 Al erklärt, deren Inhalt hiermit durch Referenz in seiner Gesamtheit übernommen wird. Die Figur 2 zeigt auch die weiteren Trennschalter 483, 484 zum Abtrennen des Speichers Speicher 48. Diese können auch in der allgemeineren Darstellung gemäss Figur 1 vorliegen.

Figuren 3 und 4 zeigen, analog zu den Figuren 1 und 2, jeweils ein Ladesystem 2, in welchem der erste Trennschalter 36 nicht in der Spannungswandlereinheit 3 angeordnet ist, sondern als erster Trennschalter 36b in der Speichereinheit 4. Dabei ist der erste Versorgungsanschluss 44 oder der zweite Versorgungsanschluss 45 der Speichereinheit 4 über den ersten Trennschalter 36b der Speichereinheit 4 abtrennbar mit dem ersten Anschluss 41 der Speichereinheit 4 verbunden. In den Ausfuhrungsformen der Figuren 3 und 4 liegt also kein Trennschalter in der Spannungswandlereinheit 3 vor, insbesondere kein Trennschalter zum Abtrennen des dritten der drei Anschlüsse 31 der Spannungswandlereinheit 3.