Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladegerät und ein Verfahren zu einem Laden einer Baterie von Elektrofahrzeugen. An einem Eingang des Ladegerätes kann dabei sowohl Gleichstrom wie auch Wechselstrom anliegen.

Für das Laden von Baterien aus Elektrofahrzeugen stellen Ladestationen entweder Gleichstrom oder Wechselstrom bereit. Beim Wechselstromladen wird normalerweise ein im Elektrofahrzeug mitgeführtes Ladegerät, ein sogenannter On-Board-Charger, verwendet. Der On-Board-Charger erzeugt eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom zum Laden der Baterie. Seine Eingangsspannung bezieht er aus einer sogenannten Wallbox, die bspw. von einem Energieversorger an einer Ladestation zu Verfügung gestellt wird. Allerdings ist ein Eingangsspannungsbereich des On-Board-Chargers begrenzt und muss vorsorglich bzgl. verschiedenphasiger Wechselspannungssysteme, bspw. einphasig oder dreiphasig, ausgelegt sein. Weiter nachteilig ist auch, dass beim Wechselstromladen mehrere Wandlerstufen eingesetzt werden, mit jeder Wandlerstufe aber ein elektrischer Verlust einhergeht. Beide Ladestandards benötigen separate Installationen von Ladegeräten, die jeweils auf Anforderungen der Elektrofahrzeuge bzw. Spezifikationen der Energieversorger zugeschniten sein müssen. Hohe

Installationskosten sind die Folge.

Beim Gleichstromladen, welches auch als Schnellladen bezeichnet wird, wird die

Gleichspannung bzw. der Gleichstrom direkt von der Ladestation zur Verfügung gestellt und kein On-Board-Charger benötigt. Obwohl letzterer ein zusätzliches Gewicht darstellt, wird er in dem Elektrofahrzeug aber mitgeführt, da prinzipiell auch das

Wechselstromladen möglich sein soll. Auch beim Gleichstromladen kommt eine Mehrzahl von Wandlerstufen zum Einsatz.

Vorteilhaft verwendet die Druckschrift US 2007/0274109 Al in einem Elektrofahrzeug einen Matrixkonverter zum direkten Übertragen von Wechselstrom zwischen zwei Elektromotoren. Da keine Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom und wieder in Wechselstrom benötigt wird, können so Energieverluste vermieden werden.

Neuerdings werden Anforderungen betreffend eines bidirektionalen Energieflusses erhoben, um an eine Ladestation angeschlossene Batterien auch zu einer

Netzstabilisierung in einem Niederspannungsnetz heranzuziehen, oder auch zu weiteren Netzdienstleistungen zu verwenden. Hierbei müssen alle Wandlerstufen mit entsprechend geeigneten Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet werden. Allgemein beschreibt die US-amerikanische Druckschrift US 2013/0103191 Al ein System und ein Verfahren zu Daten- und Energieaustausch zwischen einem Ladegerät und einer Batterie und insbesondere der hierzu benötigten Schnittstellen. Weiter offenbart die Druckschrift US 2013/0069424 Al ein im Elektrofahrzeug mitgeführtes und mit der Batterie verbundenes elektrisches System, welches einen extern von einem Stromnetz zur Verfügung gestellten Wechselstrom zum Gleichstromladen der Batterie in Gleichstrom umwandelt. Umgekehrt kann das elektrische System aber auch zu einer

Stromkonditionierung eines externen Stromnetzes herangezogen werden, indem es den von der Batterie zur Verfügung gestellten Gleichstrom zu Wechselstrom umwandelt und dem externen Stromnetz zuführt.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ladegerät zur Verfügung zu stellen, welches ein universelles Wandlerkonzept, das sowohl

Wechselstromladen wie auch Gleichstromladen einschließt, ermöglicht und dabei gegenüber den bislang verwendeten Konzepten sowohl Herstellungskosten wie auch Gewicht einspart. Verschiedene Netzspannungen sollen genauso wenig ein Hindernis darstellen wie Kompatibilitätsprobleme mit Anschlüssen vorhandener oder zukünftiger Ladestationen. Des Weiteren soll ein bidirektionaler Energiefluss möglich sein. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes mit dem Ladegerät ausführbares Verfahren bereitzustellen. Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Ladegerät zum Energieaustausch zwischen einem Versorgungsnetz an einer Ladestation und einer Batterie eines Elektrofahrzeugs bereitgestellt, wobei das Ladegerät einen

Versorgungsnetzanschluss und einen Batterieanschluss und an seinem

Versorgungsnetzanschluss einen ersten Matrixumrichter und an seinem Batterieanschluss einen zweiten Matrixumrichter aufweist, wobei das Ladegerät zwischen den beiden Matrixumrichtern einen N-phasigen Hochfrequenztransformator aufweist, wobei die Matrixumrichter jeweils ein Anzahl N mal N bidirektionaler Leistungshalbleiterschalter umfassen, wobei das Ladegerät ein Steuergerät aufweist, welches dazu konfiguriert ist, mit einer Auswahl aus einer Vielzahl programmierter Steuerungsverfahren die

bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter gemäß vorbestimmten Anforderungen an einen Versorgungsstrom bzw. Netzstabilisierungsstrom und Ladestrom bzw. Entladestrom zu schalten, und wobei das Ladegerät wahlweise an der Ladestation oder an dem

Elektrofahrzeug angeordnet ist. N ist dabei eine natürliche Zahl größer Null.

Durch eine Verwendung der Matrixumrichter als Wandler einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, bzw. als Direktumrichter einer Wechselspannung mit einer ersten Frequenz und einer ersten Amplitude in eine zweite Wechselspannung mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Amplitude wird ein universelles Gleichspannungs- oder Wechselspannungsladen mit dem erfindungsgemäßen Ladegerät ermöglicht.

Üblicherweise handelt es sich bei dem im Versorgungsnetz fließenden Wechselstrom entweder um einen einphasigen Wechselstrom, oder, im Falle eines Drehstromnetzes, um einen dreiphasigen Wechselstrom. Der Hochfrequenztransformator wird dabei im

Allgemeinen dreiphasig (N=3) ausgelegt, so dass sich jeweilig eine drei mal drei Matrix aus bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern im jeweiligen Matrixumrichter ergibt.

Die bidirektionalen Leistungshalbleiterschalter können Strom und Spannung in beiden Richtungen leiten bzw. sperren. Durch geeignete Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren können die Matrixumrichter so betrieben werden, dass eine im Versorgungsnetz bereitgestellte Versorgungsspannung in eine Ladespannung zum Laden der Batterie umgewandelt wird, bzw. dass eine von der Batterie bereitgestellte Entladespannung in eine Netzstabilisierungsspannung zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes umgewandelt wird. In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist das Ladegerät dazu

konfiguriert, einen an seinem Versorgungsnetzanschluss vorliegenden Versorgungsstrom mit Gleichspannung an seinem Batterieanschluss als Ladestrom mit Gleich- oder mit N- phasiger Wechselspannung durch die Auswahl des hierzu geeignet programmierten Steuerungsverfahrens bereitzustellen. Im Allgemeinen liegt an dem

Versorgungsnetzanschluss des Ladegerätes dann ein Versorgungsstrom mit

Gleichspannung an, wenn das Ladegerät im Elektrofahrzeug angeordnet ist und es sich bei einem Anschluss des Elektrofahrzeugs an die Ladestation um einen

Gleichspannungsanschluss handelt. Aus der Vielzahl an programmierten

Steuerungsverfahren des Steuergerätes wird dann dasjenige Steuerungsverfahren herangezogen, welches mittels des ersten Matrixumrichters aus der anliegenden

Gleichspannung eine N-phasige Wechselspannung für den N-phasigen

Hochfrequenztransformator bildet. Wurde dasjenige Steuerungsverfahren ausgewählt, welches an dem zweiten Matrixumrichter die Gleichspannung an dem Batterieanschluss bereitstellt, so wird das auf diese Weise eingesetzte Ladegerät auch als On-Board- Charger bzw. OBC bezeichnet. Es ist aber auch denkbar, dass das Ladegerät an dem Batterieanschluss eine Wechselspannung bereitstellt, und diese durch eine weitere im Fahrzeug angeordnete Wandlerstufe in Gleichspannung zum Laden der Batterie umgesetzt wird. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist das Ladegerät durch die Auswahl des hierzu geeignet programmierten Steuerungsverfahrens dazu ausgelegt, den an seinem Versorgungsnetzanschluss vorliegenden Versorgungsstrom mit N- phasiger Wechselspannung an seinem Batterieanschluss als Ladestrom mit Gleich- oder mit N-phasiger Wechselspannung bereitzustellen. Ist das Ladegerät an einer Ladestation angeordnet oder direkt an seinem Versorgungsnetzanschluss mit dem Versorgungsnetz verbunden, und steht damit als Anschluss einem Elektrofahrzeug zum Laden einer Batterie zur Verfügung, so wird es auch als Wallbox bezeichnet. Je nach Spannungsart an seinem Batterieanschluss, wird es auch als Gleichspannungswallbox oder

Wechselstromwallbox bezeichnet.

In noch weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist das Ladegerät durch die Auswahl des hierzu programmierten Steuerungsverfahrens dazu ausgelegt, den an seinem Batterieanschluss vorliegenden Entladestrom mit Gleichspannung an seinem Versorgungsnetzanschluss als Netzstabilisierungsstrom mit Gleich- oder N-phasiger Wechselspannung bereitzustellen.

In anderer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist das Ladegerät durch die Auswahl eines programmierten Steuerungsverfahrens dazu ausgelegt, den an seinem Batterieanschluss vorliegenden Entladestrom mit N-phasiger Wechselspannung an seinem Versorgungsnetzanschluss als Netzstabilisierungsstrom mit Gleich- oder N-phasiger Wechselspannung an seinem Versorgungsnetzanschluss bereitzustellen. Gemeinhin befindet sich hierzu ein weiterer Wandler zwischen der Batterie und dem Ladegerät.

Es versteht sich, dass eine Anordnung aus dem erfindungsgemäßen Ladegerät und der zu ladenden/entladenden Batterie weitere elektrische bzw. elektronische Bauteile wie bspw. Schütze oder Stromzähler aufweisen kann. Erwähnung finden hier nur für die Erfindung wesentliche Bauteile wie die Matrixumrichter und der

Hochfrequenztransformator. Ferner wird ein Verfahren zum Energieaustausch zwischen einem Versorgungsnetz an einer Ladestation und einer Batterie eines Elektrofahrzeugs beansprucht, bei dem ein Ladegerät mit einem Versorgungsnetzanschluss und einem Batterieanschluss

bereitgestellt wird und bei dem Ladegerät an seinem Versorgungsnetzanschluss ein erster Matrixumrichter und an seinem Batterieanschluss ein zweiter Matrixumrichter angeordnet wird, bei dem weiter in dem Ladegerät zwischen den beiden Matrixumrichtern, die jeweils eine Anzahl N mal N bidirektionaler

Leistungshalbleiterschalter umfassen, ein N-phasiger Hochfrequenztransformator angeordnet wird, wobei mit einem aus einer vorgegebenen Auswahl jeweilig

ausgewählten programmierten Steuerungsverfahren die bidirektionalen

Leistungshalbleiterschalter gemäß vorbestimmten Anforderungen an einen

Versorgungsstrom bzw. Netzstabilisierungsstrom und Ladestrom bzw. Entladestrom geschaltet werden, und wobei das Ladegerät wahlweise an der Ladestation oder an dem Elektrofahrzeug angeordnet wird. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren der an dem Versorgungsnetzanschluss des

Ladegerätes vorliegende Versorgungsstrom mit Gleichspannung an dem

Batterieanschluss als Ladestrom mit Gleich- oder mit N-phasiger Wechselspannung bereitgestellt.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren der an dem Versorgungsnetzanschluss des Ladegerätes vorliegende Versorgungsstrom mit N-phasiger Wechselspannung an dem Batterieanschluss als Ladestrom mit Gleich- oder mit N-phasiger Wechselspannung bereitgestellt.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren der an dem Batterieanschluss des Ladegerätes vorliegende Entladestrom mit Gleichspannung an dem

Versorgungsnetzanschluss als Netzstabilisierungsstrom mit Gleich- oder mit N-phasiger Wechselspannung bereitgestellt.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren der an dem Batterieanschluss des

Ladegerätes vorliegende Entladestrom mit N-phasiger Wechselspannung an dem Versorgungsnetzanschluss als Netzstabilisierungsstrom mit Gleich- oder mit N-phasiger Wechselspannung bereitgestellt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Figur 1 zeigt schematisch zwei typische Anordnungen von Wandlern zu Wallboxen und einem On-Board-Charger aus dem Stand der Technik. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes.

Figur 3 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes. Figur 4 zeigt ein Schaltbild einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes mit einem zweiten Drehstromwechselrichter als aktivem Gleich-/Wechselrichter.

In Figur 1 werden schematisch zwei typische Anordnungen 110 und 120 von Wandlern zu Wallboxen 113 und 121 und einem On-Board-Charger 111 aus dem Stand der Technik gezeigt. In Anordnung 110 ist eine Wechselstrom-Wallbox 113 bspw. an einer

Ladestation an ein Versorgungsnetz 112 angeschlossen. Der On-Board-Charger 111 weist an seinem Ausgang zur Wechselstrom-Wallbox 113 einen Wechselstrom- /Gleichstromwandler 106 auf, damit verbunden einen Gleichstrom-/Wechselstromwandler 107, an dem sich ein Transformator und weiter wiederum ein Wechselstrom- /Gleichstromwandler 108 befindet. Schließlich weist der On-Board-Charger 111 an seinem Ausgang zu einer Baterie 100 einen Gleichstrom-/Gleichstromwandler 109 auf.

In Anordnung 120 weist die Wallbox 121 die gleiche Abfolge von Wandlern wie die Wallbox 111 auf, wobei sie jedoch als Gleichstrom-Wallbox 121 bspw. an der Ladestation an das Versorgungsnetz 112 angeschlossen ist. In beiden Anordnungen 110 und 120 wird eine Vielzahl von Wandlerstufen benötigt.

In Figur 2 wird eine schematische Darstellung 200 einer Ausgestaltung des

erfindungsgemäßen Ladegerätes gezeigt. An seinem Versorgungsnetzanschluss 212 befindet sich ein erster Matrixumrichter 201 , an seinem Baterieanschluss 214 ein zweiter Matrixumrichter 202, und zwischen den beiden Matrixumrichtern 201 und 202 ein Hochfrequenztransformator 203. Der Doppelpfeil 210 deutet an, dass die jeweiligen Bauteile 201 , 202 und 203 bidirektional genutzt werden können, d. h. bei einem

Baterieladen mit einem Ladestrom aus dem Versorgungsnetzanschluss 212 durch die Bauteile 201 , 203, 202 des Ladegerätes zu dem Baterieanschluss 214, und bei einer Netzstabilisierung mit einem Entladestrom aus dem Baterieanschluss 214 durch die Bauteile 202, 203, 201 des Ladegerätes zu dem Versorgungsnetzanschluss 212. Auch ist der erste Matrixumrichter 201 und der zweite Matrixumrichter 202 jeweilig mit bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgestatet, die von einem Steuergerät, auf dem ein Steuerungsverfahren ausgeführt wird, gesteuert werden und Strom und

Spannung in beide Richtungen leiten bzw. sperren können. Auf dem Steuergerät kann eine große Vielzahl an programmierten Steuerungsverfahren, die jeweilig ausgewählt werden können, um eine für ein jeweiliges Fahrzeug benötigte Ladespannung

bereitzustellen, abrufbar hinterlegt sein. Auch ist je nach gewähltem programmierten Steuerungsverfahren ein Einsatz der jeweiligen Matrixumrichter 201 und 202 als

Wechselstromumrichter oder Gleich-/Wechselrichter möglich. An dem

Versorgungsnetzanschluss 212 oder an dem Baterieanschluss 214 können so sowohl Gleichspannung oder einphasige Wechselspannung oder mehrphasige Wechselspannung anliegen oder erzeugt werden. Eine Zahl an Reihen von bidirektionalen

Leistungshalbleiterschaltern der jeweiligen Matrixumrichter 201 und 202 muss lediglich mindestens so groß sein wie eine Phasenzahl des an dem jeweiligen Matrixumrichter anliegenden Stromes, also bspw. drei bei Drehstrom.

In Figur 3 wird ein Schaltbild 300 einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Ladegerätes gezeigt, welches volle Flexibilität gewährleistet und sowohl als Wallbox wie auch als On-Board-Charger eingesetzt werden kann. An einem dreiphasigen

Versorgungsnetzanschluss 312 befindet sich ein erster Matrixumrichter 301 , danach ein dreiphasiger Hochfrequenztransformator 303, und weiter zum Batterieanschluss 314 ein zweiter Matrixumrichter 302. Die beiden Matrixumrichter 301 und 302 sind jeweilig mit einer Matrix von drei mal drei bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgeführt. Hierbei erzeugt das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren mittels des ersten Matrixumrichters 301 aus einer am Versorgungsnetzanschluss 312 anliegenden Gleich oder Wechselspannung eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz, während die im Hochfrequenztransformator 303 übertragene Wechselspannung mittels des zweiten Matrixumrichters 302 entweder gleichgerichtet oder in eine niederfrequente Wechselspannung von bspw. 50 oder 60 Hz mit steuerbarer Amplitude umgewandelt wird. Das Gleiche kann umgekehrt ausgeführt werden, indem die am Batterieanschluss 314 anliegende Gleich- oder Wechselspannung durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren mittels des zweiten Matrixumrichters 302 in eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz transferiert wird, und nach Übertragung im Hochfrequenztransformator 303 mittels des zweiten Matrixumrichters 302 entweder gleichgerichtet oder in eine niederfrequente

Wechselspannung von bspw. 50 oder 60 Hz mit steuerbarer Amplitude umgewandelt wird und am Versorgungsnetzanschluss 312 bspw. zu einer Rückspeisung in ein

Versorgungsnetz vorliegt.

In Figur 4 wird ein Schaltbild 400 einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Ladegerätes mit einem zweiten Drehstromumrichter als aktivem Gleich-/Wechselrichter gezeigt, welche bspw. als Gleichspannungswallbox verwendet werden kann. An einem dreiphasigen Versorgungsnetzanschluss 412 befindet sich ein erster Matrixumrichter 401 , danach ein dreiphasiger Hochfrequenztransformator 403, und weiter zum

Batterieanschluss 414 ein zweiter Matrixumrichter 402. Der zweite Matrixumrichter 402 ist in der gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes als aktiver dreiphasiger Gleich-/Wechselrichter mit drei Halbbrücken von jeweils zwei bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgebildet. Hierbei erzeugt das jeweilig ausgewählte programmierte Steuerungsverfahren mittels des ersten Matrixumrichters 401 aus einer am Versorgungsnetzanschluss 412 anliegenden Gleich- oder Wechselspannung eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz, während die im Hochfrequenztransformator 403 übertragene Wechselspannung mittels des aktiven Gleich-/Wechselrichters 402 gleichgerichtet wird. Am Batterieausgang 414 liegt dann eine Gleichspannung vor, mit der die Batterie eines Elektrofahrzeuges geladen werden kann. Das Gleiche kann umgekehrt ausgeführt werden, in dem die Gleichspannung der am Batterieanschluss 414 angeschlossenen Batterie vom jeweilig ausgewählten programmierten Steuerungsverfahren mittels des aktiven Gleich-/Wechselrichters 402 in hochfrequente Wechselspannung von bspw. 10 bis 50 kHz transferiert wird, diese hochfrequente Wechselspannung vom Hochfrequenztransformator übertragen wird und schließlich vom ersten Matrixumrichter 401 auf Netzfrequenz transferiert am

Versorgungsnetzanschluss 412 vorliegt.