Ansteuervorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers

Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers.

Stand der Technik

Die Druckschrift DE 3 612 906 A1 beschreibt ein Netzteil für die transformatorlose Umwandlung einer Netzwechselspannung in zumindest eine Gleichspannung mit wenigstens einer Gleichrichterschaltung, wobei mindestens eine von der gleichgerichteten Netzwechselspannung gespeiste Energiespeicheranordnung, die die Reihenschaltung der Wicklung einer Drossel und eines Kondensators enthält, über einen Gleichrichter oder eine Zener- Diode mit einem Ausgang der Gleichrichterschaltung verbunden ist. Die Druckschrift DE 195 235 76 A1 beschreibt ein Wechselspannungs-

Gleichspannungsnetzteil und ein Verfahren zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Gleichspannung in Hochspannungssystemen. Das dort beschriebene Wechselspan- nungs-Gleichspannungsnetzteil weist einen Halbleiterschalter auf, welcher auf der Nied- rigspannungsseite des Rücklaufwandlers mit einer niedrigeren Durchbruchspannung montiert ist. Die niedrigere Durchbruchspannung ist mittels eines Nebenschlußreglers erzielbar, welcher eine Klemmspannung auf der Niedrigspannungsschalterseite reguliert.

Die Figur 10 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines elektrischen Antriebs mit Batterie, Zwischenkreis, Umrichter und Motor.

Ein Umrichter UMR1 erzeugt aus der Batteriespannung einer Batterie BR1 ein Drehfeld für einen Motor M. Die Batterie BR1 umfasst statisch oder variabel zusammengeschaltete Zellen Z1 -Z2. Das Laden der Batterie BR1 erfolgt über eine - nicht dargestellte - separate Schaltung, die an den Zwischenkreis ZK1 angeschlossen wird. Der Umrichter UMR1 ist im Ladezustand passiv.

Die Figur 1 1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Ladegerätes. Das Ladegerät umfasst einen Netzfilter B1 , einen Diodengleichrichter B2, einen Leistungsfaktorkorrekturfilter B3, einen ersten Spannungszwischenkreis B4, eine Transformatorbrückenschaltung B5, eine zweite Spannungszwischenkreis B6 und einen Ausgang B7.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mit: einer Netzfiltereinrichtung, welcher dazu ausgelegt ist, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung zu begrenzen; einer Netzgleichrichterschal- tungseinrichtung, welche mit der Netzfiltereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die Eingangswechselspannung in eine gleichgerichtete Eingangsspannung zu wandeln; einer Vollbrückeneinrichtung, welche mit der Netzgleichrichterschaltungseinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Eingangsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung zu wandeln; einer Transformatoreinrichtung, welche mit der Vollbrückeneinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, die hochfrequente Wechselspannung in eine transformierte Wechselspannung zu wandeln; einer Gleichrichterschaltungseinrichtung, welche mit der Transformatoreinrichtung gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die transformierte Wechsel-Spannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung zu wandeln; und einer Ausgangsdrosseleinrichtung, welche mit der Gleichrichterschaltungseinrichtung gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, die gleichgerichtete Ausgangsspannung zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher aufzuladen.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, mit folgenden Verfahrensschritten: Wandeln einer Eingangswechselspannung in eine gleichgerichtete Eingangsspannung und Wandeln der gleichgerichteten Eingangsspannung in eine hochfrequente Wechselspannung; Transformieren der hochfrequenten Wechselspannung in eine transformierte Wechselspannung und Wandeln der transformierten Wechselspannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung; und Filtern der gleichgerichteten Ausgangsspannung.

Vorteile der Erfindung

Gegenüber einem normalen Ladegerät bietet die genannte Erfindung den Vorteil, dass weder die gleichgerichtete Netzspannung, noch die gleichgerichtete Ausgangsspannung geglättet werden müssen.

Dadurch sind große, teure Kondensatoren nicht mehr notwendig. Durch den Verzicht auf große, teure Kondensatoren wird auch die Lebensdauer des Ladegeräts erhöht. Durch das Entfallen dieser Kondensatoren wird somit auch keine Einschaltstrombegren- zungsschaltung und auch keine Entladeschaltung zur Gewährleistung der Hochvolt- Sicherheit des Ladegerätes mehr benötigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass kein zusätzlicher

Leistungsfaktorkorrekturfilter, englisch Power Factor Correction, kurz PFC, benötigt wird. Der Ladestrom wird so geregelt, dass der Ladestrom der Eingangsspannung folgt.

Dadurch bietet die vorliegende Erfindung Kosten- und Bauraumsvorteile gegenüber einem normalen Ladegerät. Durch den Wegfall dieser großen Kondensatoren ergibt sich auch ein Vorteil in der Lebensdauer der Ansteuervorrichtung.

Die Transformatoreinrichtung dient der galvanischen Trennung und setzt durch sein Übersetzungsverhältnis die Spannung entsprechend den Anforderungen um. Die Aus- gangsspannung der Transformatoreinrichtung wird im Anschluss gleichgerichtet. Die Ausgangsdrossel dient der Entkopplung zum direkten Wandler, englisch„direct Converter" kurz DICO oder der Entkopplung zum direkten Wechselrichter, englisch„direkt inverter", kurz DINV. Eine Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Ladestrom des Energiespeichers durch die Gegenspannung des direkten Wechselrichters oder des direkten Wandlers entsprechend eingestellt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Netz- filtereinrichtung als ein Tiefpass ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, sowohl elektrische Störungen von elektronischen Geräten in das Stromversorgungsnetz als auch elektrische Störungen von dem Stromversorgungsnetz in die elektronischen Geräte zu begrenzen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Netzgleichrichterschaltungseinrichtung als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden ausgebildet ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vollbrückeneinrichtung als eine Brückenschaltung ausge- bildet ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Transformatoreinrichtung als ein Ringkerntransformator oder als ein Planartransformator oder als ein sonstiger Transformator ausgebildet ist. Dies erlaubt eine platzsparende Integration der Transformatoreinrichtung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichrichterschaltungseinrichtung als ein ungesteuerter Gleichrichter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, die Gleichrichtung der Ausgangsspannung kostengünstig zu bewerkstelligen und eine Verringerung des Filteraufwands zu erreichen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangsdrosseleinrichtung als Luftspule oder als eine sonstige Spule ausgebildet ist. Dies erlaubt vorteilhaft, eine Filterung der Ausgangsspannung zu erreichen. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.

Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer hochfrequenten Wechselspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Span- nungsverlaufs einer gleichgerichtete Ausgangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Stromverlaufs eines Ladestromes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin- dung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Gegenspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines integrierten Wechselrichters mit einem direkten Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine beispielhafte Darstellung eines elektrischen Abtriebs mit Batterie, Zwi- schenkreis, Umrichter und Motor; und

Fig. 1 1 eine beispielhafte Darstellung eines Ladegerätes.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansteuervorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Ansteuervomchtung 100 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers T5 umfasst eine Netzfiltereinrichtung T1 , eine Netzgleichrichterschaltungseinrichtung T2, eine Vollbrückeneinrichtung T3, eine Transformatoreinrichtung TRF1 , eine Gleichrichterschal- tungseinrichtung T4 und eine Ausgangsdrosseleinrichtung DL1 .

Die Netzfiltereinrichtung T1 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen Netzfilter N1 . Die Netzfiltereinrichtung T1 ist beispielsweise dazu ausgelegt, elektrische Störungen einer Eingangswechselspannung U1 zu begrenzen. Dabei kann die Netzfiltereinrichtung T1 sowohl elektrische Störungen von elektronischen Geräten in das Stromversorgungsnetz als auch elektrische Störungen von dem Stromversorgungsnetz in die elektronischen Geräte begrenzen.

Die Netzgleichrichterschaltungseinrichtung T2 ist vorliegend als ein ungesteuerter Gleich- richter mit einer Mehrzahl von Halbleiterdioden HL1 -HL4 ausgebildet. Ferner ist die Netz- gleichrichterschaltungseinrichtung T2 beispielsweise dazu ausgelegt, die Eingangswechselspannung U1 in eine gleichgerichtete Eingangsspannung U2 zu wandeln.

Die Vollbrückeneinrichtung T3 ist beispielsweise als eine Brückenschaltung ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Feldeffekttransistoren FET1 - FET4. Dabei können anstelle der Feldeffekttransistoren FET1 - FET4 auch sonstige Transistoren beliebiger Bauart verwendet werden.

Die Transformatoreinrichtung TRF1 ist beispielsweise dazu ausgebildet, die hochfrequen- te Wechselspannung U3 in eine transformierte Wechselspannung U4 zu wandeln. Die Transformatoreinrichtung TRF1 ist beispielsweise als ein Ringkerntransformator oder als ein Planartransformator ausgebildet.

Die Gleichrichterschaltungseinrichtung T4 ist vorliegend dazu ausgelegt ist, die transfor- mierte Wechselspannung U4 in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U5 zu wandeln. Die Gleichrichterschaltungseinrichtung T4 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform eine Mehrzahl von Halbleiterdioden HL5-HL8.

Die Ausgangsdrosseleinrichtung DL1 ist beispielsweise dazu ausgelegt, die

hochfreuqenten Anteile der gleichgerichteten Ausgangsspannung U5 zu filtern, um dadurch den elektrischen Energiespeicher T5 aufzuladen. Der elektrische Energiespeichers T5 umfasst mindestens ein Zellmodul Z1 -Zn. Dabei schaltet der direkte Wandler des elektrischen Energiespeichers T5 in Abhängigkeit einer an dem elektrischen Energiespeicher T5 anliegenden Ladespannung U6 eine bestimmte Anzahl an Zellmodulen Z1 -Zn aktiv zusammen, um entsprechend der Ladespannung U6 eine für das Laden des elektrischen Energiespeichers vorteilhafte Gegenspannung U7 zu erzeugen. Beispielsweise werden bei einer anliegenden Ladespannung U6 von 63,3 V drei Zellmodule Z1 -Z3 intern in Reihe geschaltet, wobei jedes Zellmodul eine Zellspannung von 20 V aufweist. Bei einer anliegenden Ladespannung U6 von 43,3 V werden zwei Zellmodule Z1 -Z3 intern in Reihe geschaltet. Ferner kann der direkte Wandler die Zellmodule Z1 -Zn in einer vorgegebenen Reihenfolge zu- und abschalten, um ein gleichmäßiges Laden des elektrischen Energiespeichers T5 zu gewährleisten. Dabei können die Schaltvorgänge des direkten Wandlers innerhalb von Zeitspannen im Milli oder Mikro- sekundenbereich erfolgen. Der elektrische Energiespeicher T5 ist beispielsweise als Zellmodul-Verbund mit einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Akkumulatoren, von Kondensatoren, von Lithium-Polymer- Akkumulatoren, von Lithiumtitanat-Akkumulatoren, von Lithium-Mangan-Akkumulatoren oder von Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren oder mit einer Mehrzahl von sonstige Akkumulatoren oder elektrischen Energiespeichern ausgebildet.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 2 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude der Eingangswechselspannung U1 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.

Eine Spannungskennlinie SK1 ist in dem in der Figur 2 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der Eingangswechselspannung U1 wieder.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Eingangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Ordinatenachse des in Figur 3 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude der gleichgerichteten Eingangsspannung in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen. Eine Spannungskennlinie SK2 ist in dem in der Figur 3 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Eingangsspannung U2 wieder. Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer hochfrequenten Wechselspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Ordinatenachse des in Figur 4 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer hochfrequenten Wechselspannung U3 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.

Eine Spannungskennlinie SK3 ist in dem in der Figur 4 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der hochfrequenten Wechselspannung U3 wieder.

Die Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer gleichgerichteten Ausgangsspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 5 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer gleichgerichteten Ausgangsspannung U5 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.

Eine Spannungskennlinie SK4 ist in dem in der Figur 5 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf gleichgerichtete Ausgangsspannung U5 wieder.

Die Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Stromverlaufs eines Ladestroms gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 6 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude eines Ladestroms in der Einheit A dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.

Eine Stromkennlinie IK1 ist in dem in der Figur 5 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf eines Ladestroms 11 entsprechend der gleichgerichteten Aus- gangsspannung U5 wieder. Die Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagramms eines zeitlichen Spannungsverlaufs einer Gegenspannung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ordinatenachse des in Figur 7 dargestellten Zeitdiagramms stellt die Amplitude einer Gegenspannung U7 in der Einheit Volt dar, auf der Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen.

Eine Spannungskennlinie SK5 ist in dem in der Figur 7 gezeigten Diagramm dargestellt und gibt den zeitlichen Verlauf der Gegenspannung U7 wieder.

Die Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung eines integrierten Wechselrichters mit einem direkten Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Durch ein gesteuertes Zusammenschalten von einzelnen Zellmodulen Z1 -Z6 ermöglicht der integrierte Wechselrichter DICO mit einem direkten Wandler direkt das Drehfeld mit einer vorbestimmten Amplitude, und einer vorbestimmten Frequenz für den Motor zu erzeugen. Beim Konzept des integrierten Wechselrichters DICO wird eine variable Zwi- schenkreisspannung erzeugt. Diese Konzepte erfordert auch eine Ladeschaltung, wie etwa die Ansteuervorrichtung 100 zum Laden des elektrischen Energiespeichers T5.

Die Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens zum Laden eines elektrischen Energiespeichers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Das Verfahren zum Laden des elektrischen Energiespeichers T5 mit einem direkten Wandler wird beispielsweise durch die Ansteuervorrichtung 100 ausgeführt.

In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Wandeln S1 einer Eingangswechselspan- nung U1 in eine gleichgerichtete Eingangsspannung U2 und ein Wandeln der gleichgerichteten Eingangsspannung U2 in eine hochfrequente Wechselspannung U3.

In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein Transformieren S2 der hochfrequenten Wechselspannung U3 in eine transformierte Wechselspannung U4 und ein Wandeln der transformierten Wechselspannung U4 in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung U5.

In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt ein Filtern S3 der gleichgerichteten Ausgangsspannung U5. Ausführungsformen der Erfindung

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.