Schalteinrichtung zum Laden der Batterie eines Elektrofahrzeuges an heutigen und zukünftigen DC-Lade-lnfrastrukturen und ein Verfahren zum Betrieb der

Schalteinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur galvanischen Tren nung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss und ein Verfahren zum Betrieb der Schalteinrichtung.

Dies ist in dem Sinne zu verstehen, dass die Erfindung eine Schalteinrichtung betrifft zur galvanischen Trennung eines Batterieanschlusses von einem Wech- selrichteranschluss und/ oder einem Laderanschluss und zur galvanischen Ver bindung eines Batterieanschluss mit einem Wechselrichteranschluss und/ oder einem Laderanschluss. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Schalteinrichtung. Stand der Technik

Heutige Batterien von Elektrofahrzeugen (electric vehicle EV) werden an Ladesäulen geladen, die die Höhe des Ladegleichstroms und der Ladegleichspannung regeln. Diese Ladesäulen sind an das öffentliche Wechselspannungsnetz (AC) angeschlossen und wandeln die Wechselspannung in eine von den Elektrofahrzeugen benötigten

Gleichspannung um (Fig. 7 und 8).

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhaften Gleich spannungsnetz oder DC- Lade- Infrastruktur.

In Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen L die DC- Lade- Infrastruktur. Unter der DC-Lade- Infrastruktur ist beispielsweise eine Ladesäule zu verstehen, mit der ein Elektrofahr zeug verbunden wird und welche den entsprechenden Ladestrom bereitstellt. Die DC- Lade- Infrastruktur ist beispielsweise über die Phasen L1 , L2, L3 an ein Wechselspan- nungsnetz, typischerweise ein 400V Netz angeschlossen. Weitere Netzformen wie bei spielsweise einphasig oder zweiphasig sind zudem möglich. Die DC- Lade- Infrastruktur L weist eine Wechselspannungs/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung AD auf, welche eingangsseitig mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist. Die Wechselspan- nungs/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung AD wandelt die Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes in eine Gleichspannung um. Weiterhin weist die beispiel hafte DC-Laden-lnfrastruktur L eine Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandlerein- richtung DD auf, welche eingangsseitig mit dem Ausgang der Wechselspan- nungs/Gleichspannungs-Wandlereinrichtung AD und ausgangsseitig mit der Batterie A des Elektrofahrzeuges verbunden wird. Die Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wand- lereinrichtung DD wandelt die Gleichspannung auf die benötigte Batterieladespannung des Elektrofahrzeugs um.

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines beispielhaften DC-La- den eines Elektrofahrzeugs.

In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen F ein Elektrofahrzeug und das Bezugszeichen L die DC-Lade-lnfrastruktur der Fig. 8. Die DC-Lade-lnfrastruktur L wird über ein Kabel K mit dem Elektrofahrzeug F über den Ladestecker LS mit dem Elektrofahrzeug F ver bunden. Das Elektrofahrzeug F weist eine Schaltungseinrichtung S auf, die eingangs seitig am Ladestecker LS und ausgangsseitig an die Batterie (nicht dargestellt) und ei nem Inverter I (Wechselrichter), beispielsweise einem 3-Phasen-, 6-Phasen- oder Mul tiphasenwechselrichter, angeschlossen wird. Die Schaltungseinrichtung S ermöglicht das Verbinden der mit Gleichspannung zu versorgenden Fahrzeugkomponenten mit der Batterie, bzw. ermöglicht das Verbinden der Batterie zum Laden dieser mit dem La destecker LS. Der Inverter I ist eingangsseitig mit der Schaltungseinrichtung S verbun den und ausgangsseitig an die elektrische Maschine M des Elektrofahrzeugs F ange schlossen.

Zukünftige Ladeinfrastrukturkonzepte sehen das Laden von Elektrofahrzeugen an ei nem Gleichspannungsnetz (DC) vor. Das Gleichspannungsnetz kann zum Beispiel von einer Gleichspannungs-Energiequelle, wie zum Beispiel einer Photovoltaikanlage (PV- Anlage) gespeist werden. Weiterhin kann die Gleichspannungs-Energiequelle eine Fast-Charging-Anlage sein oder in Form von zum Beispiel Pufferbatterien bereitgestellt werden. Diese Gleichspannungs-Energiequellen und/oder Energiespeicher kommen in privaten und öffentlichen Einrichtungen bereits zum Einsatz bzw. ist ein Einsatz dorthin gehend denkbar.

Damit die Batterien von Elektrofahrzeugen unterschiedlicher Typen und unterschiedli chen Aufbaus, sowie mit unterschiedlicher Fahrzeugnetzspannung mittels Gleichspan nungs-Energiequellen geladen werden können, ist eine Gleichspannungs/Gleichspan- nungs-Wandlereinrichtung (DC-DC-Wandlereinrichtung) erforderlich, welche die ent sprechende und notwendige Spannung gemäß der Fahrzeugnetzspannung und Lade spannung des zu ladenden Elektrofahrzeugs bereitstellt.

Aufgrund fehlender Standards und unterschiedlicher Fahrzeugkonzepte bei den ent sprechenden Fahrzeugherstellern, werden sowohl Fahrzeuge mit einer DC-DC-Wand lereinrichtung, als auch ohne DC-DC-Wandlereinrichtung bereitgestellt. Sowohl das In tegrieren einer DC-DC-Wandlereinrichtung im Elektrofahrzeug oder andernfalls das Einbringen der DC-DC-Wandlereinrichtung in der DC-Lade-lnfrastruktur weist Vorteile als auch Nachteile auf, wodurch sich ein einheitlicher Standard noch nicht durchgesetzt hat bzw. ein einheitliches Konzept bei den Fahrzeugherstellern für die Zukunft noch nicht gegeben ist.

Derzeitige Ladekonzepte für Elektrofahrzeuge sehen eine DC-Lade-lnfrastruktur vor, in der die DC-DC-Wandlereinrichtung in der DC-Lade-lnfrastruktur verbaut ist. Die Elekt rofahrzeuge weisen hierfür Schaltungseinrichtung auf, über die die Batterie geladen wird.

Nachteilig bei den im Stand der Technik bekannten Schaltungseinrichtungen ist, dass die Batterien aktueller Elektrofahrzeuge nur geladen werden, wenn die DC-DC-Wand lereinrichtung in der DC-Lade-lnfrastruktur verbaut ist. Für den Fall das eine DC-DC- Wandlereinrichtung im Elektrofahrzeug (Onboard DC-DC) integriert ist, bzw. ein DC- Inverter-Lader eingesetzt wird, kann die Batterie dieses Elektrofahrzeugs nicht durch die aktuellen bekannten Schaltungseinrichtungen mittels Gleichspanungsquellen auf geladen werden, da Schalteinrichtungen mit einer Verbindung zu einem Gleichspan nungswandler nicht vorgesehen sind. Hierfür ist eine neue Schaltungseinrichtung erfor- derlich. Unter einem DC-lnverter-Lader ist hierbei zu verstehen, dass die Spannungs anpassung mittels einer DC-DC-Wandlung in dem im Elektrofahrzeug vorhandenen In verter und der elektrische Maschine erfolgt. Für den Fahrzeughalter ergibt sich hierbei die Problematik, dass dieser die Batterie sei nes Elektrofahrzeugs, wenn dieses bereits eine DC-DC-Wandlereinrichtung (Onboard- DC-DC) oder einen DC-lnverter-Lader enthält, nicht unmittelbar an jeder Gleichspan nungsquelle laden kann. Es ist daher von Vorteil, eine modifizierte Schaltungseinrichtung innerhalb des Fahr zeugs bereitzustellen, mit der die Batterie eines Elektrofahrzeugs an jeder DC-Lade- Infrastruktur, bevorzugt eine DC-DC-Wandlereinrichtung, oder eine DC-Gleichspan- nungsquelle oder an einem Wechselspannungsnetz geladen werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltvorrichtung zur galvanischen Tren nung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss und ein Verfahren zum Betrieb der Schaltvorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 9.

Die Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines Batte rieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, an heutigen und an zukünftigen Ladeinfrastrukturen die Batterie eines Elektrofahrzeugs zu laden.

Unter einer Ladeinfrastruktur ist insbesondere eine elektrische Energiequelle zu verstehen, die mindestens zweiphasig elektrische Energie mittels Gleichspan- nung oder Wechselspannung beliebiger Spannung und Stromstärke und Fre quenz bereitstellt, insbesondere zum Aufladen einer Batterie eines Fahrzeugs.

In vorteilhafter Weise kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs mittels einer in dem Fahrzeug integrierten DC-DC-Wandlereinrichtung (Onboard-DC-DC) oder mittels eines DC-lnverter-Lader und der erfinderischen Schaltvorrichtung, an der bestehenden DC-Lade-lnfrastruktur mit installierter DC-DC-Wandlereinrichtung oder auch an anderen Gleichspannungsquellen oder an einem Wechselspan nungsnetz geladen werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass beispielsweise ein Elektrofahrzeug mit integrierter DC-DC Wandlereinrichtung, also ein Onboard-DC-DC Gleichspannungswandler oder DC-lnverter-Lader, und der Schaltungseinrichtung mittels jeglicher Gleich spannungs-Energiequellen geladen werden kann, ohne dass zusätzliche Leis tungselektronik in der Infrastruktur benötigt wird. Die in dem Elektrofahrzeug inte- grierte DC-DC-Wandlereinrichtung stellt in diesem Fall die für das Elektrofahr zeug notwendige Ladespannung oder Fahrzeugnetzspannung bereit. Somit kann das Laden der Batterie des Elektrofahrzeuges von einem DC-Netz oder einer

DC-Quelle wie zum Beispiel einer Pufferbatterie bzw. einer Photovoltaikanlage erfolgen.

Auch ist das Laden der Batterie eines beispielweise liegengebliebenen Elektro fahrzeuges, aufgrund zu geringem Ladezustand (state of Charge - SOC), mittels der Batterie eines zweiten Elektrofahrzeugs möglich, da mit der erfinderischen

Schaltungseinrichtung, der in dem liegengebliebenen Fahrzeug integrierte DC- DC-Wandler oder der DC-lnverter-Lader mit der Batterie des zweiten Elektrofahr zeugs verbunden werden kann.

Die Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines mindestens zweipoligen Batterieanschluss, eines mindestens zweipoligen Verbrauchers, beispiels- weise einen zweipoligen Wechselrichteranschluss, und eines mindestens zweipoligen

Laderanschluss umfasst mindestens einen Batterieschütz je Batterieanschlusspol und mindestens einem Laderschütz je Laderanschlusspol, wobei ein Batterieschütz mit ei nem Laderschütz in Reihe zwischen den jeweiligen Batterieanschlusspol und den La deranschlusspol geschaltet ist und ein, insbesondere erster und zweiter, Mittelabgriff zwischen dem Batterieschütz und dem Laderschütz mit dem jeweiligen Wechselrichter anschlusspol verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinrichtung weiter zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines mindestens einpoligen Span- nungswandleranschluss eingerichtet, mit mindestens einem ersten Spannungs wandlerschütz, wobei der erste Spannungswandlerschütz zwischen einen dritten Mittelabgriff und einen ersten Spannungswandlerpol geschaltet ist, wobei der dritte Mittelabgriff zwischen dem ersten Laderanschlusspol des mindestens zwei- poligen Laderanschluss und dem ersten Laderschützgeschaltet ist.

In vorteilhafterweise kann mittels des ersten Spannungswandlerpols ein Span nungswandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Bat terie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung so wohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des ange schlossenen Gleichspannungswandlers angepasst wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schalteinrichtung weiter zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines mindestens einpoligen Spannungswandleranschluss eingerichtet, mit mindestens einem ersten Span nungswandlerschütz, wobei der erste Spannungswandlerschütz zwischen einen vierten Mittelabgriff und einen ersten Spannungswandlerpol geschaltet ist, wobei der vierte Mittelabgriff zwischen dem ersten Batterieanschlusspol des mindes- tens zweipoligen Batterieanschluss und dem ersten Batterieschütz geschaltet ist.

In vorteilhafterweise kann mittels des ersten Spannungswandlerpols ein Span nungswandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Bat terie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung so- wohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen

DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des ange schlossenen Gleichspannungswandlers angepasst wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Schalteinrichtung wei- ter zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines mindestens einpoligen

Spannungswandleranschluss eingerichtet, wobei ein erster Batterieschütz als zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter ausgebildet ist, wobei die Kathode der Bodydiode des einen Halbleiterschalters mit dem ersten Batterieanschlusspol verbunden ist und die Kathode der Bodydiode des anderen Halbleiterschalters mit dem ersten Wechselrichteranschlusspol verbunden ist, wobei zwischen die beiden Halbleiterschalter eine Kathode einer Diode geschaltet ist, wobei die

Anode der Diode mit einem ersten Spannungswandlerpol verbunden ist.

Durch das Ausbilden des ersten Batterieschütz mittels der Halbleiterschalter oder IGBTs kann aufgrund der verbesserten Ansteuerung, beispielsweise mittels des Antaktens, der Halbleiterschalter im Vergleich zu klassischen Schützen vorteil haft auf eine Vorladeschaltung verzichtet werden. Auch hier wird ermöglicht, dass beispielsweise die Batterie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsge mäße Schalteinrichtung sowohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen wer- den kann, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des angeschlossenen Gleichspannungswandlers ange passt, also hoch- oder tiefgesetzt, wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Spannungs- wandlerschütz zwischen einen fünften Mittelabgriff und einen zweiten Span

nungswandlerpol geschaltet, wobei der fünfte Mittelabgriff zwischen dem zweiten Laderanschlusspol des mindestens zweipoligen Laderanschluss und dem zwei ten Laderschütz geschaltet. In vorteilhafterweise kann mittels des zweiten Spannungswandlerpols ein Spannungs wandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Batterie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung sowohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des angeschlossenen Gleichspannungs- wandlers angepasst wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Spannungs wandlerschütz zwischen einen sechsten Mittelabgriff und einen zweiten Span nungswandlerpol geschaltet ist, wobei der sechste Mittelabgriff zwischen den zweiten Batterieanschlusspol des mindestens zweipoligen Batterieanschluss und dem zweiten Batterieschütz geschaltet ist.

In vorteilhafterweise kann mittels des zweiten Spannungswandlerpols ein Spannungs wandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Batterie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung sowohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des angeschlossenen Gleichspannungs wandlers angepasst wird. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Batterieschütz als zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter ausgebildet, wobei die Kathode der Body- diode des einen Halbleiterschalters mit dem zweiten Batterieanschlusspol verbunden ist und die Kathode der Bodydiode des anderen Halbleiterschalters mit dem zweiten Wechselrichteranschlusspol verbunden ist, wobei zwischen die beiden Halbleiterschal- ter eine Kathode einer Diode geschaltet ist, wobei die Anode der Diode mit einem zwei ten Spannungswandlerpol verbunden ist.

Durch das Ausbilden des zweiten Batterieschütz mittels der Halbleiterschalter oder IG- BTs kann aufgrund der verbesserten Ansteuerung, beispielsweise mittels Antakten, der Halbleiterschalter im Vergleich zu klassischen Schützen vorteilhaft auf eine Vorla deschaltung verzichtet werden. Auch hier wird ermöglicht, dass beispielsweise die Bat terie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung sowohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden kann, als auch an beliebigen DC-Ener giequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des angeschlossenen Gleichspannungswandlers angepasst, also hoch- oder tiefgesetzt, wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungseinrich- tung einen ersten Spannungswandlerschütz, wobei der erste Spannungswandlerschütz zwischen einen dritten Mittelabgriff und einen ersten Spannungswandlerpol geschaltet ist, wobei der dritte Mittelabgriff zwischen dem ersten Laderanschlusspol des mindes tens zweipoligen Laderanschluss und dem ersten Laderschütz geschaltet ist und einen zweiten Spannungswandlerschütz, wobei der zweite Spannungswandlerschütz zwi- sehen einen fünften Mittelabgriff und einen zweiten Spannungswandlerpol geschaltet, wobei der fünfte Mittelabgriff zwischen dem zweiten Laderanschlusspol des mindes tens zweipoligen Laderanschluss und dem zweiten Laderschütz geschaltet ist. In vorteilhafterweise kann mittels des ersten Spannungswandlerpols ein Span nungswandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Bat terie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung so wohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des ange schlossenen Gleichspannungswandlers angepasst wird.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass der zweite Spannungswandlerschütz und Spannungs wandlerpol zur Schalteinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit einem Span nungswandlerschütz und Spannungswandlerpol, redundant ausgelegt ist und bei Aus- fall eines Spannungswandlerschützes, der verbleibende Spannungswandlerschütz ein Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs gewährleistet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungseinrich tung einen ersten Spannungswandlerschütz, wobei der erste Spannungswandlerschütz zwischen einen vierten Mittelabgriff und einen ersten Spannungswandlerpol geschaltet ist, wobei der vierte Mittelabgriff zwischen dem ersten Batterieanschlusspol des min destens zweipoligen Batterieanschluss und dem ersten Batterieschütz geschaltet ist und einen zweiten Spannungswandlerschütz, wobei der zweite Spannungswandler schütz zwischen einen fünften Mittelabgriff und einen zweiten Spannungswandlerpol geschaltet, wobei der fünfte Mittelabgriff zwischen dem zweiten Laderanschlusspol des mindestens zweipoligen Laderanschluss und dem zweiten Laderschütz geschaltet ist. Insbesondere gleichbedeutend kann die Zuordnung zu ersten und zweiten Polen bzw. Schützen vertauscht werden. In vorteilhafterweise kann mittels des ersten Spannungswandlerpols ein Span nungswandler angeschlossen werden, der es ermöglicht, beispielsweise die Bat terie eines Elektrofahrzeugs über die erfindungsgemäße Schalteinrichtung so wohl an heutigen DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch an beliebigen DC-Energiequellen, da die Ladespannung und der Ladestrom mittels des ange- schlossenen Gleichspannungswandlers angepasst wird.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass der zweite Spannungswandlerschütz und Spannungs wandlerpol zur Schalteinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit einem Span nungswandlerschütz und Spannungswandlerpol, redundant ausgelegt ist und bei Aus fall eines Spannungswandlerschützes, der verbleibende Spannungswandlerschütz ein Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs gewährleistet. Ferner umfasst eine Batterie eine Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Lader- anschluss.

Vorteilhaft wird eine verbesserte Batterie bereitgestellt.

Ferner umfasst ein Wechselrichter eine Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss.

Vorteilhaft wird ein verbesserter Wechselrichter bereitgestellt. Ferner umfasst ein Spannungswandler eine Schalteinrichtung zur galvanischen T ren- nung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und ei nes Laderanschluss.

Vorteilhaft wird ein verbesserter Spannungswandler bereitgestellt.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine, einem Wechselrichter, einer Batterie und/ oder einem Span nungswandler, wobei der elektrische Antriebstrang eine Schalteinrichtung zur galvani schen Trennung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteran- Schluss und eines Laderanschluss umfasst.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schalt einrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss mit dem Schritt Ver- binden einer anschließbaren Batterie mit einem anschließbaren Wechselrichter mittels Schließen der Batterieschütze. Anschließend erfolgt das Trennen der an schließbaren Batterie von einem anschließbaren Wechselrichter mittels Öffnen der Batterieschütze. Anschließend erfolgt das Verbinden der anschließbaren Bat terie mit einem anschließbaren Lader mittels Schließen der Batterieschütze und der Laderschütze. Anschließend erfolgt das Trennen der anschließbaren Batterie von dem anschließbaren Lader mittels Öffnen der Batterieschütze und der Lader schütze.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt insbesondere das Verbinden der anschließbaren Batterie mit einem anschließbaren Spannungswandler mittels Schließen der Batterieschütze und des mindestens einen Spannungswandler schütz bei geöffnetem Laderschütz oder erfolgt insbesondere das Verbinden der anschließbaren Batterie mit einem anschließbaren Spannungswandler mittels Schließen der Laderschütze und des mindestens einen Spannungswandler- schütz bei geöffnetem Batterieschütz.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt insbesondere das Trennen der anschließbaren Batterie von dem anschließbaren Spannungswandler mittels Öffnen der Batterieschütze und des mindestens einen Spannungswandlerschütz bei geöffneten Laderschützen.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das eingerich tet ist, das Verfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung zur galvanischen Tren nung oder Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss auszuführen.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein maschinenlesbares Speicherme dium, auf dem ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung zur galvanischen T rennung oder Verbindung ei- nes Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss auszuführen, gespeichert ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, kommuniziert die Schalt vorrichtung mit wenigstens einem externen Steuergerät zum Öffnen und Schlie- ßen der Schütze. Vorteilhafterweise werden komplexe und teure Hardwareres sourcen für beispielsweise ein internes Steuergerät eingespart.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen: FIG. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, ei nes Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, ei nes Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, ei nes Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

FIG. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer alternativen Schalt einrichtung aus FIG. 3 und 4;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines DC-Laden eines Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen Lade-Infrastrukturen;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines DC-Laden eines Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen Lade-Infrastrukturen mit einem On-Board-DC-DC-Wandler;

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines DC-Laden eines Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen Lade-Infrastrukturen mit einem On-Board-DC-DC-Wandler und/oder mit einem On-Board-Lader FIG. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer beispielhafte DC- Lade- Infrastruktur; und

FIG. 9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines bespielhaften DC- Ladens eines Elektrofahrzeugs; Fig.10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, ei nes Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig 11. ein Ersatzschaltbild zur Ausbildung eines Batterieschütz

In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Be zugszeichen versehen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

FIG. 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung (10) zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer ersten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen LS1 einen ersten Laderschütz, welcher mit einem Laderanschluss L1 verbunden ist. Bezugszeichen LS2 bezeichnet ei- nen zweiten Laderschütz, welcher mit einem weiteren Laderanschluss L2 ver bunden ist. Laderanschluss L1 und Laderanschluss L2 sind insbesondere mit ei nem (nicht dargestellten) Ladegerät verbunden, vornehmlich mit einer Fast- Charging-Anlage Beispielshaft Ladesäule, wobei beispielsweise Laderanschluss L1 mit dem positiven Anschluss der DC-Anlage verbunden ist und Laderan- Schluss L2 mit dem negativen Anschluss der DC-Anlage verbunden ist. Als wei tere DC-Energiequellen sind beispielsweise auch Pufferbatterien oder eine Fahr zeugbatterie eines zweiten Elektrofahrzeugs einsetzbar.

Bezugszeichen BS1 bezeichnet einen ersten Batterieschütz. Der erste Batterie- schütz BS1 ist mit dem Batterieanschlusspol B1 verbunden. Der Batteriean schlusspol B1 ist beispielsweise der positive Anschlusspol zum Anschließen ei ner Batterie des Elektrofahrzeugs. Der erste Batterieschütz BS1 und der erste Laderschütz LS1 sind miteinander in Reihe verbunden. Bevorzugt ist zwischen dem ersten Batterieschütz BS1 und dem Batterieanschlusspol B1 eine Sicherung S, vorzugsweise die Hauptsicherung, angeordnet. Bevorzugt ist ein Widerstand R vorgesehen, vorzugsweise ein Vorladewiderstand. Der Widerstand R ist paral lel zum ersten Batterieschütz BS1 geschaltet. Der Widerstand R wird vorzugs weise mit einem weiteren Schütz in Reihe geschaltet. Der weitere Schütz schal tet den Widerstand R parallel zum ersten Batterieschütz BS1 zu bzw. ab.

Zwischen dem ersten Laderschütz LS1 und dem ersten Batterieschütz BS1 ist ein erster Mittelabgriff geschaltet, welcher mit einem ersten Wechselrichteran schlusspol W1 zum Anschließen eines Wechselrichters verbunden ist. Der erste Wechselrichteranschlusspol W1 ist beispielsweise ein positiver Anschlusspol der Gleichspannungsseite eines Wechselrichters.

Bezugszeichen BS2 bezeichnet einen zweiten Batterieschütz. Der zweite Batte rieschütz BS2 ist mit einem weiteren Batterieanschlusspol B2 verbunden. Der Batterieanschlusspol B2 zum Anschließen ist beispielsweise der negative An schlusspol zum Anschließen der Batterie des Elektrofahrzeugs. Der zweite Batte rieschütz BS2 und der zweite Laderschütz LS2 sind miteinander in Reihe verbun den.

Zwischen dem zweiten Laderschütz LS2 und dem zweiten Batterieschütz BS2 ist ein zweiter Mittelabgriff geschaltet, welcher mit dem zweiten Wechselrichteran schlusspol W2 verbunden ist. Der zweite Wechselrichteranschlusspol W2 ist bei spielsweise der negative Anschlusspol.

Über die Wechselrichteranschlusspole W1 und W2 sind Fahrzeugkomponenten (nicht dargestellt), wie beispielsweise, der Wechselrichter, die Kühlkompression, im Allgemeinen das Bordnetz des Elektrofahrzeugs mit seinen Steuergeräten und Verbrauchern anschließbar.

Für das Laden der Fahrzeugbatterie wird das Elektrofahrzeug über ein Ladeka bel über die Laderanschlüsse, beispielsweise mittels einem Laderstecker, ver- bunden. Ein Steuergerät, beispielsweise eine Batterie-Control-Unit (BCU) er kennt über Kommunikationspins in dem Laderstecker (nicht dargestellt), dass das Elektrofahrzeug mit einer DC-Lade-lnfrastruktur verbunden ist. Über die BCU werden Informationen über das notwendige Ladevolumen an die DC- Lade- Infra struktur bereitgestellt. Für den Ladevorgang wird insbesondere zunächst der Zwi- schenkreiskondensator des angeschlossenen Verbraucherkreises oder Wechsel richters vorgeladen. Beispielsweise wird hierzu zunächst der zweite Batterie schütz BS2 und insbesondere der weitere Schütz des Vorladewiderstands R ge schlossen. Über diese fließt ein Strom, wodurch zumindest der Zwischenkreis- kondensator des angeschlossenen Verbraucherkreises bzw. des Wechselrichters auf die ähnliche oder gleiche Spannung aufgeladen wird. Im Anschluss kann der erste Batterieschütz BS1 geschlossen werden. Die Verwendung von parallel ge schalteten Vorladewiderständen ist im Stand der Technik bekannt. Folgend wer den die Ladeschütze LS1 und LS2 geschlossen, wodurch dem Elektrofahrzeug das benötigte Ladevolumen durch die Lade-Infrastruktur zum Aufladen der Batte rie des Elektrofahrzeugs bereitgestellt wird. Der Vorladewiderstand R kann auch parallel zu dem Batterieschütz BS2 vorgesehen sein. Insbesondere würde in die sem Fall für ein Vorladen zunächst der erste Batterieschütz BS1 geschlossen und folgend der zweite Batterieschütz BS2.

Nach dem Aufladen der Fahrzeugbatterie auf das notwendige Ladevolumen, werden die, insbesondere elektrische, Verbindung zwischen der DC- Lade- Infra struktur und dem Elektrofahrzeugzeug durch das Öffnen der Ladeschütze LS1 und LS2 getrennt.

FIG. 2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung (20) zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer zweiten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Unterschied zur ersten Ausführungsform, weist die zweite Ausführungsform einen ersten Spannungswandlerpol D1 auf. Der erste Spannungswandlerpol D1 ist über einen ersten Spannungswandlerschütz DS1 mit dem ersten Laderan schlusspol L1 verbunden. Der erste Spannungswandlerpol D1 ist beispielsweise der variable positive Anschlusspol. Ein variabler positiver Anschlusspol kann bei spielsweise beim Anschluss eines Inverterladers ein Anschluss an einer elektri schen Maschine sein, also insbesondere ein Phasenanschluss oder ein Stern punkt der Maschine. Beim Anschluss eines Gleichspannungswandlers ist der An schluss ein Eingangs- oder Ausgangsanschluss, je nach Bedarf und Typ des Gleichspannungswandlers, also ob ein Hochsetz- oder Tiefsetzsteller eingesetzt wird. Vorteilhafterweise wird durch die zweite Ausführungsform der positive An schluss der DC-Energiequelle über den ersten Spannungswandlerschütz DS1 ei ner DC-DC-onboad-Wandlereinrichtung oder dem Inverter in Kombination mit der elektrischen Maschine M bereitgestellt.

Für das Laden der Fahrzeugbatterie wird das Elektrofahrzeug bevorzugt über ein Ladekabel über die Laderanschlüsse, beispielsweise mittels einem Laderstecker verbunden. Ein Steuergerät, beispielsweise eine Batterie-Control-Unit (BCU) er kennt über Kommunikationspins in dem Laderstecker (nicht dargestellt), dass das Elektrofahrzeug mit einer Laden-Infrastruktur verbunden ist.

Vorteilhafterweise kann über die zweite Ausführungsform der Schaltungseinrich tung, dargestellt in der Fig. 2, bei nicht geschlossenem Spannungswandlerschütz DS1 die Batterie eines Elektrofahrzeugs entsprechend der Ausführungsform ge- mäß der Fig. 1 geladen werden.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass bei geschlossenem ersten Spannungswandler schütz DS1 und geöffnetem ersten Laderschütz LS1 , die Batterie eines Elektro fahrzeugs, beispielsweise von einer Gleichspannungsenergiequelle geladen wer- den kann. Die Stromregelung und die Spannungsanpassung erfolgt von der im Elektrofahrzeug vorhandenen Onboard-DC-DC-Wandlereinrichtung oder einem DC-lnverter-Lader.

Wie oben beschrieben wird insbesondere zunächst der Zwischenkreiskondensa- tor des angeschlossenen Verbraucherkreises oder Wechselrichters vorgeladen. .

Anschließend wird der erste Batterieschütz BS1 und die Ladeschütze LS1 und LS2 geschlossen.

In der zweiten Ausführungsform kommuniziert die BCU nur mit dem Onboard- DC-DC bzw. mit dem DC-lnverter-Lader.

Die Regelung des Ladestromes erfolgt durch den On-Board-DC-DC oder den DC-lnverter-Lader. Vorteilhafterweise kann somit das Elektrofahrzeug sowohl über Onboard-DC-DC oder als Inverter-Laden als auch über die bestehende DC-Lade-lnfrastruktur ge laden werden. Zudem ist das Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs über DC- Energiequellen, wie beispielsweise Pufferbatterien möglich.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrichtung 30 zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, eines Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Unterschied zur ersten Ausführungsform, weist die dritte Ausführungsform ei nen zweiten Spannungswandlerpol D2 auf. Der zweite Spannungswandlerpol D2 ist über einen zweiten Spannungswandlerschütz DS2 mit einem zweiten Lader anschlusspol L2 verbunden. Der zweite Spannungswandlerpol D2 ist beispiels- weise ein variabler negative Anschlusspol. Ein variabler negativer Anschlusspol kann beispielsweise beim Anschluss eines Inverterladers ein Anschluss an einer elektrischen Maschine sein, also insbesondere ein Phasenanschluss oder ein Sternpunkt der Maschine. Beim Anschluss eines Gleichspannungswandlers ist der Anschluss ein Eingangs- oder Ausgangsanschluss, je nach Bedarf und Typ des Gleichspannungswandlers, also ob ein Hochsetz- oder Tiefsetzsteller einge setzt wird.

Die Ausführungsform der Schaltungseinrichtung dargestellt in Fig. 3 unterschei det sich zu der Schaltungseinrichtung dargestellt in Fig. 2 hierdurch, dass der ne- gative Anschluss einer über den zweiten Laderanschlusspol L2 anschließbaren

DC-Energiequelle über einen zweiten Spannungswandlerschütz DS2 auf den zweiten Spannungswandlerpol D2 geschaltet ist.

Hardwaretechnisch stellt dies keinen Unterschied dar, da sowohl der erste Span nungswandlerpol D1 , als auch der zweite Spannungswandlerpol D2, wie in Fig. 8 dargestellt, mit dem Inverter und der elektrischen Maschine bzw. wie in Fig. 9 dargestellt mit der DC-DC-onboard-Wandlereinrichtung verbunden sind. Allein in der Software ergeben sich diesbezüglich unterschiedliche Möglichkeiten der Ver arbeitung. Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer alternativen

Schalteinrichtung aus Fig. 2 und 3.

Die alternative Schaltungseinrichtung 40 stellt eine Kombination der zweiten und dritten Ausführungsform der Schalteinrichtung 20 und 30 dar. Die Schaltungsein richtung 40 weist sowohl einen ersten Spannungswandlerpol D1 , als auch einen zweiten Spannungswandlerpol D2 auf. Der erste Spannungswandlerpol D1 ist über einen ersten Spannungswandlerschütz DS1 mit dem ersten Laderan

schlusspol L1 verbunden und der zweite Spannungswandlerpol D2 ist über einen zweiten Spannungswandlerschütz DS2 mit dem zweiten Laderanschlusspol L2 verbunden. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Schalteinrichtung 40 kann der variable positive Spannungswandlerpol D1 und der variable negative Span nungswandlerpol D2 mit dem Inverter und der elektrischen Maschine M (Inverter- Laden) oder der DC-DC-onboard-Wandlereinrichtung oder dem Onboard-Lader verbunden werden.

Vorteilhafterweise werden beide Laderanschlusspole L1 und L2 über die Span nungswandlerschütze DS1 und DS2 an den Spannungswandlerpolen D1 und D2 bereitgestellt. Durch die redundante Ausgestaltung der Schaltungseinrichtung 40 gemäß der Fig. 4, ist eine Funktionalität der Schaltungseinrichtung auch im Feh lerfall noch gewährleistet, wenn beispielsweise ein Spannungswandlerschütz

(DS1 oder DS2) ausfällt.

Vorteilhafterweise kann durch die Schalteinrichtung 40 der vorliegenden Erfin- düng gemäß der Fig. 4 die Batterie sowohl an der bestehenden DC- Lade- Infra struktur, als auch von einer Gleichspannungsquelle und auch am Wechselspan nungsnetz geladen werden.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer DC-Laden eines

Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen DC-Lade-lnfrastrukturen.

In Fig. 5 bezeichnet Bezugszeichen F ein Elektrofahrzeug und Bezugszeichen L eine DC-Lade-lnfrastruktur. Die DC-Lade-lnfrastruktur L wird bevorzugt über ein Kabel K mit dem Elektrofahrzeug F über einen Ladestecker LS mit dem Elektrofahrzeug F verbun- den. Das Elektrofahrzeug F weist eine Schaltungseinrichtung S auf, die eingangsseitig am Ladestecker LS und ausgangsseitig an die Batterie (nicht dargestellt) und dem In verter I angeschlossen wird. Der Inverter I ist eingangsseitig mit der Schaltungseinrich tung S verbunden und ausgangsseitig an die elektrische Maschine M des Elektrofahr zeugs F angeschlossen. Vorteilhafterweise wird durch die Schaltungseinrichtung S der variable positive Anschlusspol D1 über ein zusätzliches Spannungswandlerschütz (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine zugeführt.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines DC-Laden eines Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen DC-Lade-lnfrastrukturen mit einem On-Board-DC-DC-Wandler.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen LS einen Ladestecker, der ausgangssei tig mit der Schalteinrichtung S gemäß der vorliegen Erfindung verbunden wird.

Die Schalteinrichtung S ist mit der Batterie (nicht dargestellt) des Elektrofahr- zeugs verbunden. Die Schalteinrichtung S ist mit einem zusätzlichen On-board- DC-DC-Wandler DD verbunden. Diese Verbindung erfolgt über den Spannungs wandlerschütz DS1 und/oder DS2 gemäß den Ausführungsformen der Fig. 4, 5 und 6. Die On-board-DC-DC-Wandlereinrichtung DD ist mit einem Inverter I in

Verbindung mit einer elektrischen Maschine M verbunden.

Vorteilhafterweise kann durch die Schalteinrichtung S der vorliegenden Erfindung auch das Laden der Fahrzeugbatterie über eine On-board-DC-DC-Wandlerein- richtung umgesetzt werden. Somit kann die Schalteinrichtung S vorteilhafter weise auch für Elektrofahrzeuge verwendet werden, in denen kein Inverter-Laden der Batterie eingesetzt wird. Bei dem Inverter Laden kann ein im Elektrofahrzeug vorhandener Inverter in Verbindung mit der elektrischen Maschine die Funktiona lität einer DC-DC-Wandlereinrichtung nachbilden und ersetzt somit die zusätzli che die DC-DC-Wandlereinrichtung, also den On-board-DC-DC-Wandler DD, in dem Elektrofahrzeug.

Durch die Schalteinrichtung S kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs somit mit tels herkömmlicher DC-Lade-lnfrastruktur geladen werden, als auch mittels ande rer DC-Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaikanlagen, Pufferbatterien oder einer Batterie eines zweiten Elektrofahrzeugs. Ferner kann eine Fahrzeug batterie als mobile Energiequelle verwendet werden um zum Beispiel eine an dere Fahrzeugbatterie zu laden oder um ein Netz zu unterstützen. Fig. 7 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines DC-Laden eines Elektrofahrzeugs an heutigen und zukünftigen DC-Lade-lnfrastrukturen mit einem On-Board-DC-DC-Wandler DD und/oder mit einem On-Board-Lader OL.

Die Grundfunktion ist dabei dieselbe wie für Fig. 6. erläutert. Auch bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Elemente wie in Fig. 6. Die Ausführungs form, dargestellt in Fig. 7, weist aber weitere Elemente auf, die für bestimmte Einsatzszenarien vorteilhaft sind.

Die Bezugszeichen OL/DD bezeichnet einen onboard-DC-DC-Wandler und/oder onboard-Lader, womit vorteilhafterweise eine an die Schalteinrichtung S ange- schlossene Batterie unmittelbar sowohl über eine Gleichspannungsquelle, als auch unmittelbar über ein Wechselspannungsnetz geladen werden kann.

Figur 10 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Schalteinrich tung 50 zur galvanischen Trennung und Verbindung eines Batterieanschluss, ei- nes Wechselrichteranschluss und eines Laderanschluss gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform, ist der erste Spannungswandler schütz DS1 mit einem vierten Mittelabgriff und einen ersten Spannungswandler- pol D1 verbunden, wobei der vierte Mittelabgriff zwischen dem ersten Batteriean schlusspol B1 des mindestens zweipoligen Batterieanschluss und dem ersten Batterieschütz BS1 geschaltet ist. Der zweite Spannungswandlerpol D2 ist bei spielsweise ein variabler negativer Anschlusspol. Ebenso ist eine Anordnung dieser Topologie analog zu Figur 2 und 3 auch für ei nen zweiten Spannungswandlerschütz DS2, der zwischen einen sechsten Mittel abgriff und einen zweiten Spannungswandlerpol D2 geschaltet ist, möglich. Der sechste Mittelabgriff ist zwischen den zweiten Batterieanschlusspol B2 des min destens zweipoligen Batterieanschluss und dem zweiten Batterieschütz BS2 ge- schaltet. Fig. 11 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Ausbildung eines Batterieschütz. Ein Batterie schütz BS1 , der gemäß Figur 10 einerseits mit einem Batterieanschlusspol B1 und ei nem Spannungswandlerschütz DS1 in Richtung des Spannungswandlerpols D1 und andererseits mit einem Wechselrichteranschlusspol W1 verbunden ist, wird vorteilhaft gemäß Figur 11 als zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter ausgebildet. Die Ka thode der Bodydiode des einen Halbleiterschalters ist mit dem ersten Batteriean schlusspol B1 verbunden. Die Kathode der Bodydiode des anderen Halbleiterschalters ist mit dem ersten Wechselrichteranschlusspol W1 verbunden. Zwischen die beiden Halbleiterschalter ist eine Kathode einer Diode geschaltet. Die Anode dieser Diode ist mit einem ersten Spannungswandlerpol D1 verbunden. Insbesondere beim Einsatz von Inverterladern als anzuschließende Spannungswandler wird der Spannungswandlerpol D1 mit einer Phase (z. Bsp.U, V, W) oder einem Sternpunkt einer anzuschließenden elektrischen Maschine verbunden.

Analog kann diese Topologie für die Verbindung des zweiten Batterieanschlusspol B2, des zweiten Wechselrichteranschlusspol W2 und des zweiten Spannungswandlerpol D2 verwendet werden, wobei hierbei jeweils die Richtung der Bodydioden der Halb leiterschalter als auch der weiteren Diode umgekehrt werden.