Beschreibung

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung und Abschaltsequenz sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Stromrichterschaltung und Computerprogramm.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Schaltungsanordnung zur Detektion und Abschaltung von DC-Fehlerströmen.

Beim Betrieb von nichtisolierenden Gleichrichtern (AC-DC-Wandlung, unidirektional oder bidirektional) können durch Isolationsfehler auf der Gleichspannungsseite pulsierende Gleichfehlerströme oder Gleichfehlerströme entstehen. Diese können beim Einsatz von TYP AC oder A Fehlerstromschutzschaltern zur Sättigung des magnetischen Kerns des Wandlers führen. Der Fehlerstromschutzschalter kann dadurch einen möglicherweise vorhandenen Fehlerstrom nicht mehr detektieren und abschalten („Erblinden“ des RCDs).

In den Figuren 1a und 1b sind Brückenschaltungen illustriert, bei welchen Fehlerströme auftreten können. Fig. 1a zeigt eine Sechspuls-Brückenschaltung 100, die zwischen zwei Potentialabgriffen 102a und 102b angeordnet ist. Zwischen den Potentialabgriffen 102a und 102b kann basierend auf einer an den Wechselspannungseingängen der Brückenschaltung 100 anliegenden Wechselspannung eine Gleichspannung bereitgestellt werden. Diese fällt über den Verbraucher/Widerstand 106 ab. Die zwischen den Potentialabgriffen und PE 104 bestehende Spannung resultiert bei einem Isolationsfehler in einem Strom i _F . Beispielsweise kann der Fehlerstrom sowohl bei einem Isolationsfehler von 102a als auch von 102b auftreten - die Drossel 106 führt je nach Induktivitätswert zu einer Glättung des Stroms. Der Fehlerstrom ist in dem nebenstehenden Diagramm als Gleichfehlerstrom i _F markiert.

Analog verhält es sich bei dem in Fig. 1 b dargestellten Batterieladegerät, das ebenfalls eine Brückenschaltung 100 zwischen zwei Potentialabgriffen 102a und 102b aufweist. Die Batterie 108 wird in Serie geschaltet zu der Glättungsinduktivität 106 geladen. Der durch die Induktivität 106 geglättete Gleichfehlerstrom i _F ist in dem zugehörigen Diagramm dargestellt. In einer Veröffentlichung [1] wurde der Aufbau eines Ladegeräts mit galvanischer Isolierung beschrieben, wie sie in Fig. 2 abgebildet ist. Hierbei gibt es drei Bereiche B1 , B2 und B3, wobei die Bereiche B2 und B3 durch einen Transformator 120 getrennt sind. Alle Bereiche B1 , B2 und B3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 122 angeordnet. Der Bereich B1 umfasst den Wechselspannungseingang mit entsprechender Filterung. Im Bereich B2 ist der Gleichrichter 124 sowie eine weitere Stromrichterschaltung 126 angeordnet. Die weitere Stromrichterschaltung 126 dient im Wesentlichen für das Betreiben des Transformators 120. Eine analog aufgebaute Stromrichterschaltung 128 ist im Bereich 3 auf der Sekundärseite des Trafos vorgesehen.

Für ein Ladegerät ohne galvanische Isolation entfällt der galvanisch getrennte Bereich 3, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt ein Ladegerät mit den Bereichen B1 und B2, die beide in dem gemeinsamen Gehäuse 122 vorgesehen sind. Im Bereich B1 ist wiederum der letzte Spannungsanschluss samt Filterung vorgesehen. Der Bereich B2 beherbergt die Stromrichterschaltung, hier einen Gleichrichter 124. Die Gleichrichter-Gleichspannung wird dann ohne galvanische Trennung an eine Batterie ausgegeben. Sowohl bei der Variante aus Fig. 2 als auch bei der Variante aus Fig. 3 kann eine Ankopplung über ein Kabel 130 mit Leitungsschirm vorgesehen sein.

In beiden Varianten von Fig. 2 und Fig. 3 sind mittels Pfeilsymbolen exemplarisch potentielle Isolationsdurchbrüche zwischen Schaltungskomponenten in den Bereichen B1 , B2 und B3 und in dem Gehäuse 122 dargestellt. Fehlerströme im Bereich B1 werden durch Stand der Technik-Mittel vermieden beziehungsweise können durch einen RCD-A erkannt und abgeschaltet werden, wie Bezug nehmend auf Fig. 4 erläutert wird.

Fig. 4 zeigt eine Stromrichterschaltung 124 mit dem Wechselspannungseingang beziehungsweise Wechselspannungsfilter 134. Dieser kann beispielsweise einen Gleichtaktfilter 1341, einen Gegentaktfilter 134r und ein oder mehrere Kapazitäten 134c aufweisen. Dieser Wechselspannungsanschluss beziehungsweise Eingangsfilter 134 des Ladegeräts ist über eine Ladestation 140 mit dem Versorgungsnetz 150, hier beispielsweise ein TN-C- Netz beziehungsweise TN-C-S verbunden. Exemplarisch sind zwei Fehler dargestellt. Fehler 1 stellt einen Isolationsfehler im Eingangsfilter gegen das über den Schutzleiter geerdete Gehäuse 122 des Ladegeräts dar und kann durch einen typischen RCD-A 142, der beispielsweise in der Ladesäule 140 angeordnet ist, erkannt und abgeschaltet werden. Das Gleiche gilt bei einem Doppelfehler bei dem ein interner Isolationsfehler und gleichzeitig ein unterbrochener Schutzleiter vorliegt. Berührt eine Person das Gehäuse 122 wird Fehler 2 ausgelöst und ein Berührstrom fließt im geschlossenen Stromkreis über die Person.

Fehlerströme im Bereich B2 finden auf Gleichspannungsseite statt und führen zur „Erblindung“ des RCD-A, wie nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 5 erläutert wird. Fig. 5 zeigt wiederum die Stromrichterschaltung 124 mit dem Wechselspannungsfilter 134, der über die Ladesäule 140 an das Versorgungsnetz 150 angeschlossen ist.

Das Ladegerät weist neben der Stromrichterschaltung 124 eine weitere Stromrichterschaltung beziehungsweise einen weiteren Teil der Stromrichterschaltung 126 (siehe oben) vor dem Transformator 120 auf, über weichen eine Batterie angekoppelt (vgl. Batteriesystem 131) sein kann. Der Teil der Stromrichterschaltung 124 ist mit dem Teil der Stromrichterschaltung 126 über die gemeinsamen Potentialabgriffe 124a und 124b verbunden. Darüber hinaus kann auch noch ein Zwischenkreis 124z vorgesehen sein.

Hier sind exemplarisch zwei Fehler dargestellt, nämlich ein Fehler 1 als Kurzschluss zwischen dem Spannungsabgriff 124a bzw. 124b und dem Gehäuse 122 und ein Fehler 2 bei dem gleichzeitig der Schutzleiteranschluss zum Gehäuse unterbrochen ist (vgl. Doppelstriche in Fig. 5), sodass ein gefährlicher Berührstrom über die Person fließen kann. Aufgrund des Erblindens können die Fehlerströme mit Gleichanteil im Gegensatz zu den Wechselspannungsfehlern aus Fig. 4 nicht erkannt werden. Die Personensicherheit ist gefährdet.

Im Stand der Technik gibt es einige Ansätze zur Überwindung dieser Probleme. Diese sind beispielsweise in Fig. 6 gezeigt, von der Topologie aus Fig. 3 ausgegangen wird.

Fig. 6 zeigt also ein Ladegerät mit der Stromrichterschaltung 124 mit dem Wechselspannungseingang 135, wobei über ein Kabel 130 direkt die Batterie 131 beziehungsweise das Batteriesystem 131 angebunden ist. Das Ladegerät ist an das Stromnetz 150 über eine Ladestation 140 angekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Ladestation 140 beispielsweise wiederum den RCD-A 142 auf. Der Wechselspannungseingang 135 weist einen RCM-B 135r auf. Dieser kann Geräte-intern DC-Fehlerstrommessungen durchführen. Problematisch kann bei Verwendung von Schützen/Relais die lange Reaktionszeit bis zur Unterbrechung sein (typisch 5 bis 40 ms). In dieser Zeit kann der Fehlerstrom bei einem niederimpedanten Isolationsfehler bereits Stromwerte erreichen, für die das Schütz oder die Dioden der Stromrichterschaltung 124 nicht mehr ausgelegt ist. Auf den Stromanstieg begrenzend wirken im ersten Moment die Filterdrosseln der Stromrichterschaltung. Um eine Sättigung der Drosseln und eine Beschädigung der Stromrichterschaltung 124 zu vermeiden, muss der Strom sehr schnell abgeschaltet werden. Speziell beim Einsatz von Wide- Bandgap-Halbleitern mit hohen Schaltfrequenzen ist die Induktivität der Filterdrosseln sehr klein und der Stromanstieg höher. Um den Fehlerstrom sicher abschalten zu können, sind schnelle Reaktionszeiten erforderlich.

Darüber hinaus sind die Komponenten des Ladegeräts, insbesondere der Stromrichterschaltung 124, des Hochvoltbordnetzes 130 und des Batteriesystems 131 mittels einer doppelten Isolation ausgeführt. Diese ist mit dem Bezugszeichen 133 versehen. Diese Lösung eignet sich auch ohne die galvanische Isolation, das heißt also die strukturelle Trennung zu dem Hochvoltbordnetz 130 und 131 , wie sie beispielsweise bei Fig. 5 vorhanden ist. Deshalb erstreckt sich beispielsweise die Isolation 133 nicht nur über den Gleichrichter 124, sondern auch die Komponenten des Hochvoltbordnetzes 130 und 131.

Im Patent US 2012/028674.0 A1 der Firma Renault wird ein Ladegerät ohne galvanische Isolierung beschrieben. Ein Auszug der Schaltungsanordnung für nichtisolierte Ladegeräte ist in Fig. 7 gezeigt.

Fig. 7 zeigt ein nichtisoliertes Ladegerät mit einem Wechselspannungseingang 5, einer ersten Stromrichterschaltung 6 und einer zweiten Stromrichterschaltung 7 sowie dazwischenliegenden Induktivitäten 14. Die Schaltung 6 hat tiefsetzendes Verhalten. Die Schalter 12 und die Dioden 11 sind so verschaltet, das der Strom in beide Richtungen abgeschaltet werden kann. Ein Fehlerstrom auf der DC-Seite kann dadurch nach einer Detektion mit dem RCM-B über die Halbleiterschalter schnell abgeschaltet werden. Die üblicherweise eingesetzten Gleichrichterschaltungen haben jedoch hochsetzendes Verhalten. Bei diesen ist es nicht möglich den Stromfluss mit den Halbleitern in beiden Richtungen abzuschalten. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Fehlerverhalten bei Gleichspannungsseitigen Isolationsfehlern beziehungsweise Fehlerströmen für elektrische Schaltungen, wie beispielsweise Ladegeräten zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine elektrische Schaltung, wie zum Beispiel ein Ladegerät mit einer Stromrichterschaltung, einem Spannungsanschluss, wie zum Beispiel einem Wechselspannungsanschluss, einer Fehlerstrom-/Fehlerspan- nungs-Detektionseinheit sowie einer Steuerung. Die Stromrichterschaltung ist zwischen einem ersten Potentialabgriff und einem zweiten Potentialabgriff angeordnet und weist mehrere Schalter auf. Beispielsweise kann die Stromrichterschaltung eine H4- oder B6-Topolo- gie aufweisen und ausgebildet sein, um auf Basis einer an dem Spanungsanschluss anliegenden Wechselspannung eine Gleichspannung an den ersten und zweiten Potentialabgriff bereitzustellen und/oder insbesondere ein hochsetzstellendes Verhalten aufweisen. Andere Spannungswandlungen, wie zum Beispiel eine Gleichspannungs- Wechselspannungs- Wandlung oder Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung sind natürlich auch denkbar. Über den ersten und/oder den zweiten Potentialabgriff ist ein Verbraucher (z.B. eine Batterie) oder eine Quelle ankoppelbar (z.B. eine Batterie, Photovoltaik, Brennstoffzelle). Der erste und/oder der zweite Potentialabgriff weist einen zusätzlichen Schalter auf. Die Fehlerstrom-/Fehlerspannungs-Detektionseinheit ist mit dem Spannungsanschluss gekoppelt (der wiederum mit der Stromrichterschaltung gekoppelt ist) und ausgebildet, einen Fehlerstrom (oder ggf. eine Fehlerspannung) zu erkennen. Beispielsweise kann es sich um einen Differenzstromsensor RCM (residual current monitor) handeln. Die Steuerung ist ausgebildet, bei einem durch die Fehlerstrom- oder Fehlerspannungs-Detektionseinheit erkannten Fehlerstrom oder Fehlerspannung eine Abschaltsequenz auszuführen, entsprechend welcher der zusätzliche Schalter des ersten und/oder des zweiten Potentialabgriffs sowie zumindest einer der Schalter der Stromrichterschaltung geöffnet wird. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden alle Schalter der Stromrichterschaltung geöffnet.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Ansteuerung der Stromrichterschaltung und die Öffnung der entsprechenden Schalter bei einem Fehlerstrom in Kombination mit der Öffnung eines Schalters in dem ersten und/oder zweiten Potentialabgriff praktisch alle Spannungs- oder Stromquellen abkoppelt werden, so dass selbst für galvanisch nichtisolierte Ladegeräte das Gefahrenpotential erheblich reduziert wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist die Fehlerstrom- /Fehlerspannungs-Detektionseinheit ausgebildet, einen Gleichstrom zu detektieren. So kann also vorteilhafterweise durch die schnelle Geräteinterne Erfassung ein Fehlerstrom sowohl im positiven als auch im negativen Pfad schnell unterbrochen werden. Das ermöglicht, dass die Halbleiter und die AC-Relais bei einem Kurzschluss auf der DC-Seite ge- schützt werden. Auf einen zusätzlichen teuren Leistungsschalter „high speed circuit breaker“ auf der DC-Seite kann so auch verzichtet werden. Der einfache Schalter in einem der Potentialabgriffe ist signifikant kostengünstiger als dieser Leistungsschalter.

Durch die schnelle Fehlerabschaltung kann vermutlich die in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden, dargestellte doppelte Isolierung des HV-Bordnetzes und Batteriesystems entfallen und wie üblich eine Basisisolierung eingesetzt werden. Dadurch können zusätzliche Kosten für die doppelte Isolierung eingespart werden, welche den Einsatz nichtisolierender Gleichrichtern, z.B. in Ladegeräten trotz ihrer potentiell geringeren Kosten in Summe finanziell unattraktiv machen. Die normative Bewertung dieses Sicherheitsaspekts befindet sich in der Bearbeitung.

Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die Stromrichterschaltung einen Gleichrichter (auf der einen Seite) und/oder einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (auf der anderen Seite) auf. Beide können beispielsweise über den ersten und zweiten Potentialab- griff verbunden sein. Der zusätzliche Schalter ist entsprechend den Ausführungsbeispielen zwischen den Gleichrichter und den Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandler in einem der Potentialabgriffe angeordnet. Alternativ könnte der Schalter auch hinter dem Gleichspannungswandler angeordnet sein. Dort ist der Strom jedoch höher also vor dem Gleichspannungswandler. Weshalb die Anordnung dazwischen vorteilhaft erscheint. Bezüglich des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers sei angemerkt, dass dieser entsprechend Ausführungsbeispielen einen Mittelabgriff aufweisen kann. Über diesen Gleichspan- nungs-Gleichspannungs-Wandler kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine Batterie angekoppelt werden. Beispielsweise kann die Batterie auf Seiten des ersten Potentialab- griffs mit einem ersten Pol der Batterie mit dem ersten Potentialabgriff (allgemein: Teil des Ein-/Ausgang des Gleichspannungswandlers, über welchen eine Batterie/Last/Quelle ankoppelbar ist) verbunden sein, wobei der zweite Pol der Batterie mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Batterie auf Seiten des zweiten Po- tentialabgriffs mit dem zweiten Pol in dem zweiten Potentialabgriff (zweiter Teil des Ein- /Ausgang des Gleichspannungswandlers) verbunden ist, wobei dann der erste Pol der Batterie mit dem Mittelabgriff des Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandlers verbunden ist. Da ein Schalter des DC-DC-Wandlers verwendet wird, ist nur ein weiterer Halbleiterschalter mit Diode notwendig. Da dieser im Normalbetrieb dauerhaft eingeschaltet ist, fallen keine zusätzlichen Schaltverluste an, welche den Wirkungsgrad des Gleichrichters verschlechtern würden. Die auftretenden Leitverluste, sind bei Verwendung eines auf geringe Leitver- luste optimierten Schalters gering und vergleichbar mit den Leitverlusten, die in zusätzlichen Sicherungen oder Leistungsschaltern auftreten würden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler auch anders ausgeführt sein kann, z.B. kann nur ein Schalter und eine Diode in entgegengesetzter Richtung zum Gleichrichter vorgesehen werden.

Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der zumindest ein Schalter der Stromrichterschaltung und/oder der zusätzliche Schalter als Parallelschaltung eines aktiven Elements (Transistors) mit einer Diode implementiert (z.B. IGBT) oder als aktives Element mit intrinsischer Diode (z.B. MOSFET). Entsprechend einem Ausführungsbeispiel sind die Dioden zugehörig zu den Schaltern der Stromrichterschaltung auf der jeweiligen ersten oder zweiten Seite des Potentialabgriffs (beziehungsweise des Schalters des Gleichrichters auf der jeweiligen ersten oder zweiten Seite des Potentialabgriffs) entgegengesetzt zu der Diode des zusätzlichen Schalters und/oder entgegengesetzt zu den Dioden des Gleichspannungs-Gleich- spannungs-Wandlers angeordnet. So kann also verhindert werden, dass bei geöffnetem Schalter ein entsprechender Stromfluss entsteht. An dieser Stelle Sei angemerkt, dass auch ein bidirektional sperrender Schalter möglich wäre.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Batterieladegerät oder ein nichtisolierendes Batterieladegerät oder ein Batterieladegerät mit einem nichtisolierten Gleichrichter oder eine andere Anwendung umfassend die (elektrische) Schaltung, wie sie oben diskutiert wurde, z.B. Elektrolysegleichrichter, PV-Wechselrichter usw..

Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betreiben der (elektrischen) Schaltung. Das Verfahren umfasst den Schritt der Ausführens einer Abschaltsequenz bei einem durch die Fehlerstrom-/Fehlerspannungs-Detektionseinheit erkannten Fehlerspannung oder Fehlerstrom, wobei die entsprechende Abschaltsequenz der zusätzliche Schalter des ersten und/oder zweiten Potentialabgriffs sowie zumindest einer der Schalter oder vorzugsweise alle Schalter der Stromrichterschaltung geöffnet werden. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Computerprogramm zur Ausführung des entsprechenden Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1a/1 b schematische Darstellungen von Gleichrichterschaltungen zur Illustration von Gleichfehlerströmen ip (vgl. [1]);

Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Ladegeräts mit galvanischer Isolierung (vgl. [1]);

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ladekonfiguration ohne galvanische Isolierung (vgl. [1]);

Fig. 4 eine schematische Vergrößerung der Konfiguration aus Fig. 2 und Fig. 3 in Teilen des Bereichs 1 zur Fehlerbetrachtung;

Fig. 5 eine schematische Vergrößerung der Topographie aus Fig. 2 zur Fehlerbetrachtung im Bereich 2 (Zwischenkreis mit Gleichstromanteil);

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ladegeräts ohne galvanische Isolierung zwischen dem Versorgungsnetz und dem HV-Netz (Realisierungsbeispiel umfasst einen AC/DC-Wandler (Bridgeless PFC) gemäß [1]);

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung für nichtisolierende Ladegeräte gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Schaltung für ein Ladegerät ohne galvanische Isolierung mit DC-DC-Wandler und Batterie am negativen Zwischenkreispotential gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel; und

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Schaltung für ein Ladegerät ohne galvanische Isolierung mit DC-DC-Wandlung und Batterie am positiven Zwischenkreispotential gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar beziehungsweise austauschbar ist.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung 10 mit einer Stromrichterschaltung 12, die hier zwei Halbbrücken 12a und 12b aufweist. Die Halbbrücken 12a und 12b und damit die Stromrichterschaltung 12 ist zwischen zwei Potentialabgriffen 16a und 16b angeordnet. Über diese zwei Potenti- alabgriffen 16a und 16b kann optionalerweise eine Batterie 20 angekoppelt werden. Die Batterie 20 ist beispielsweise mit einem ersten Pol mit dem ersten Spannungsabgriff 16a verbunden und mit einem zweiten Pol mit dem zweiten Spannungsabgriff 16b. Dazwischen ist ein zusätzlicher Schalter 28‘ in dem Spannungsabgriff 16b (zwischen dem zweiten Pol und 16b) angeordnet, worauf später noch eingegangen werden wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann alternativ oder additiv ein Schalter 28“ ein analoger Lage an dem Potentialabgriff 16a (zwischen dem ersten Pol und 16a) vorgesehen sein. Die Schalter 28‘ oder 28“ kann je nach Ausführung Bestandteil des Gleichspannungswandlers sein, wie unten noch erläutert wird.

Auf der gegenüberliegenden Seite der Stromrichterschaltung 12, das heißt also beispielsweise eingangsseitig, wenn man davon ausgeht, dass die Batterie 20 ausgangsseitig vorgesehen ist (was typisch für Batterieladegeräte ist), ist ein Spannungsanschluss 22, hier beispielsweise ein Wechselspannungsanschluss vorgesehen.

Am Spannungsanschluss 22 befindet sich eine Detektionseinheit 24, die mit einer Steuerung 26 verbunden ist. Die Steuerung 26 dient zur Steuerung beziehungsweise unterstützt die Steuerung der schaltbaren Elemente 14 sowie des Schalters 28‘ bzw. des optionalen Schalters 28“ in einem der zwei Potentialabgriffe 16a und 16b, hier in dem Potentialabgriff 16b, und zwar zwischen der Stromrichterschaltung 12 und der Gleichspannungsseite beziehungsweise der Batterie 20. Optional kann der Spannungseingang 22 auch Relais 27 zur Netztrennung aufweisen. Diese werden durch die Steuerung 26 angesteuert und koppeln, z.B. im Störfall, die Stromrichterschaltung 12 vom Netz 22 ab. Jeder Schalter kann eine parallel geschaltet Diode aufweisen, wie beispielsweise in Fig. 8 dargestellt ist.

Nachdem nun die Struktur erläutert wurde, wird auf die Funktionsweise eingegangen.

Die Stromrichterschaltung 12 stellt beispielsweise einen Gleichrichter dar, der ausgebildet ist, ausgehend von einer an dem Wechselspannungsanschluss 22 anliegenden Wechsel- Spannung eine Gleichspannung an den Potentialabgriffen 16a und 16b bereitzustellen. Sowohl die Funktion als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller wären theoretisch denkbar. Es sei angemerkt, dass eine Tiefsetzstellende Gleichrichter-Topologie wie in Fig. 7 dargestellt, entsprechend Ausführungsbeispielen den Strom in beide Richtungen abschalten kann. Hierzu werden die schaltbaren Elemente 14 in den Halbbrücken 12a und 12b entsprechend angesteuert. Die Steuerung kann beispielsweise durch die Steuerungseinheit 26 oder eine weitere Steuerungseinheit erfolgen. Insofern wird durch diese Struktur ein Batterieladegerät realisiert. An dieser Stelle sei gleich angemerkt, dass nicht nur die Gleichrichtung als denkbare Modi möglich wären, sondern auch eine Gleichspannungs-Gleich- spannungs-Wandlung oder eine Kombination von Gleichrichtung mit Gleichspannungs- Gleichspannungs- Wandlungen.

Die Fehlerstrom-/Fehlerspannungs-Detektionseinheit 24 kann beispielsweise mit dem Spannungsanschluss verbunden sein und ist ausgebildet, einen Fehlerstrom (oder ggf. eine Fehlerspannung) zu erkennen. Beispiele für einen erkennbaren Fehlerstrom ist ein Isolationsfehler zwischen einem der Spannungsabgriffe 16a oder 16b und der Erdung. Dies führt zu einem Fehlerstrom auf Hochvoltseite, welche durch die Fehlerstrom-/Fehlerspannungs- Detektionseinheit 24 erkannt wird. Die Einheit 24 kann beispielsweise in Form eines Differenzstromsensors RCM (residual current monitor) realisiert sein.

Bei entsprechender Kennung eines Fehlerstroms wird eine sogenannte Abschaltprozedur durch die Steuerung 26 ausgelöst. Diese schaltet den oder bevorzugt die zusätzlichen Schalter 28‘ und 28“ sowie zumindest einen oder vorzugsweise mehrere der Schalter 14 der Stromrichtereinheit aus. Beispielsweise können die vier Schalter 14 auf Seiten des Po- tentialabgriffs 16a geöffnet werden oder vorzugsweise alle Schalter 14.

Wie in Fig. 8 dargestellt, kann parallel zu den zusätzlichen Schalter 28‘, 28“ bzw. zugehörig zu dem zusätzlichen Schalter 28‘, 28“ ein sogenannter Überspannungsschutz 28ü vorgesehen sein. Hintergrund ist, dass durch das Abschalten in Kombination mit Induktivitäten es zu einer Überspannung kommen kann, die über diesen Überspannungsschutz abgeleitet wird. Ein Beispiel für einen Überspannungsschutz ist ein Varistor.

Bezug nehmend auf Fig. 9 wird eine erweiterte Ausführung erläutert. Fig. 9 zeigt ein Ladegerät 10‘ mit einer Stromrichterschaltung, die einen ersten Teil 12‘ und einen zweiten Teil 13‘ umfasst. Der Teil 12‘ ist ein B6-Gleichrichter, der mit drei Phaseneingängen 22a, 22b und 22c verbunden ist. Die Phaseneingänge 22a bis 22c sind jeweils über Induktivitäten 23 mit Mittelknoten der Halbbrücken des Gleichrichters 12‘ verbunden. Eine der Halbbrücken 12c wird exemplarisch für alle Halbbrücken erläutert. Jede Halbbrücke 12c weist zwei in Serie geschaltete schaltbare Elemente 14‘ auf. Diese sind hier beispielsweise durch eine Parallelschaltung eines schaltbaren Elements mit einer jeweiligen Diode implementiert. Zwischen den schaltbaren Elementen 14‘ befindet sich der Mittelabgriff, über weichen die jeweilige Phase 22a, 22b und 22c angekoppelt ist.

Der weitere Teil der Stromrichterschaltung 13‘ formt einen Gleichspannungs-Gleichspan- nungs-Wandler, der ebenfalls durch eine vergleichbare Halbbrücke gebildet ist. Alle Halbbrücken 12a bis 12c sowie die Halbbrücke 13‘ sind parallel zwischen den zwei Potentialab- griffen 16a und 16b angeordnet. An dieser Stelle sei angemerkt, dass optionalerweise auch eine Zwischenkreiskapazität 15 zwischen den Potentialabgriffen 16a und 16b vorgesehen sein kann.

Die Batterie 20 ist ausgangsseitig beim Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandler 13‘ vorgesehen und zwar in diesem Ausführungsbeispiel so, dass der erste Pol der Batterie, hier der Pluspol mit dem Gleichspannungswandler 16a direkt verbunden ist, während der zweite Pol (hier der Minuspol) über eine Induktivität mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke 13‘ des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.

Wie auch schon im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 erläutert, ist eingangsseitig, das heißt also bei den Phasenanschlüssen 22a, 22b und 22c, die mit dem Netzanschluss 25 verbunden sind, die Fehlerspannungs-/Fehlerstrom-Detektionsvorrich- tung 24 vorgesehen. Die entsprechende Auswertung ist mit dem Bezugszeichen 26 versehen und ausgebildet, im Falle der Detektion eines Fehlerstroms beziehungsweise einer Fehlerspannung die Schalter 14‘ der Stromrichterschaltungen 12‘ beziehungsweise 13‘ zu öffnen. Zusätzlich wird wiederum ein zusätzlicher Schalter 28‘ in einem der Potentialab- griffe, hier dem Potentialabgriff 16a vorgesehen. Bei der Anordnung des zusätzlichen Schalters 28‘ ist diese so gewählt, dass er vorzugsweise zwischen dem Gleichrichter 12‘ und dem Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandler 13‘ vorgesehen ist, und zwar auf der Seite, bei welcher der Pol der Batterie direkt mit dem jeweiligen Potentialabgriff 16a verbunden ist. Das heißt also, bei diesem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Batterie 20 direkt mit dem Potentialabgriff 16a gekoppelt ist, dass der Schalter 28‘ den Potentialabgriff 16a trennen kann. Wie zu erkennen ist, kann hier wiederum der Schalter 28‘ durch eine Kombination aus parallel geschalteten Schaltern und Dioden (z.B. IGBT) oder einem Schalter mit intrinsischer Diode (z.B. MOSFET) vorgesehen sein. Die Diode ist wiederum so angeordnet, dass sie entgegen der Diodenrichtung der Schalter 14‘ sperrt. Bzgl. der Anordnung des Schalters sein angemerkt, dass der Schalter theoretisch links vom Zwischenkreis 15 oder zwischen oder nach dem Gleichspannungswandler platziert werden kann, wobei die oben erläuterte Platzierung sich jedoch als am Besten (Strombelastung, Zwischenkreisanbindung an den Gleichrichter 12) herausgestellt hat.

Die umgekehrte Anordnung des zusätzlichen Schalters wird in Fig. 10 dargestellt. Die Topologie aus Fig. 10 stellt die üblichere Topologie im Vergleich zu Fig. 9 dar.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ladegerät 10“, bei welchem die zwei Teile der Stromrichterschaltung 12‘ und 13‘ vorgesehen sind. Diese sind über die Spannungsabgriffe 16a und 16b miteinander verbunden, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel der Spannungsabgriff 16b den zusätzlichen Schalter 28“ umfasst. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass der Anschluss der Stromrichterschaltung 12‘ an das Wechselspannungsnetz 25 ebenso über den dreiphasigen Anschluss 22a, 22b und 22c erfolgt, wobei mit diesen Phasenanschlüssen 22a, 22b, 22c die Fehlerdetektion 24 und nachfolgenden Auswertung 26 vorgesehen ist. Jeder der Phasenanschlüsse 22a, 22b und 22c weist eine entsprechende Induktivität 23 auf.

Wie bereits oben angemerkt, ist die Ankopplung der Batterie 20 hier unterschiedlich, nämlich derart, dass ein Pol, hier der Minuspol der Batterie 20 direkt mit dem Potentialabgriff 16b verbunden ist, während der andere Pol, hier der Pluspol mit dem Mittelknoten des Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandlers 13‘ verbunden ist. Die Verbindung mit dem Mittelknoten erfolgt über eine Induktivität, wobei parallel zu der Batterie 20 eine Kapazität geschaltet ist und so den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler ausbildet.

Nachfolgend wird die Funktionsweise, insbesondere die Funktionsweise bei der Fehlerdetektion in Teilen erläutert.

Wie bereits erläutert, handelt es sich vorzugsweise bei der Fehlerstrom-/Fehlerspannungs- Detektionseinheit 24 um einen allstromsensitiven (AC+DC) Differenzstromsensor innerhalb des Ladegeräts. Ein Fehler wird erkannt, wenn auf der DC-Seite ein Isolationsfehler gegen Erdpotential auftritt. Dadurch steigt der Differenzstrom im Sensor an. Dieses Signal wird ausgewertet und alle Leistungshalbleiter 14‘ abgeschaltet. Auf der positiven Seite der DC- Spannung kann so der Fehlerstrom unterbrochen werden, da die zwei antiseriell verschal- teten Dioden (D1 sowohl in Fig. 19 als auch Fig. 10) im Strompfad den Strom in beide Richtungen sperren können. Auf der gegenüberliegenden Seite, bei den Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 der positiven Seite beziehungsweise Seite des Potentialabgriffs 16a und bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 10 der negativen Seite beziehungsweise der Seite des Potentialabgriffs 16b ist der zusätzliche Schalter 28‘ beziehungsweise 28“ eingefügt, welcher im Normalbetrieb dauerhaft geschlossen ist. Im Fehlerfall wird dieser Schalter 28‘ bzw. 28“ ebenfalls geöffnet und die beiden antiseriell verschalteten Dioden D2 können den Fehlerstrom wieder in beide Richtungen unterbrechen. Wird die Batterie mit ihrem Pluspol an der positiven Zwischenkreisspannung angeschlossen, kann der zusätzliche Schalter im positiven Pfad eingebaut werden.

Der DC-DC-Wandler 13‘ kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen durch eine andere Topographie ausgeführt sein, z. B. Flying-Capacitor-Technologie. Entscheidend ist entsprechend Ausführungsbeispielen die Anordnung der Dioden D1 und D2, die in dem entsprechenden Gleichspannungs-Gleichspannungs- Wandler 13‘ und dem Gleichrichter 12‘ vorgesehen sind.

Der in [2] beschriebene „high speed circuit breaker“ wird in diesem Fall durch die Kombination des allstromsensitiven (AC+DC) Differenzstromsensors in Kombination mit einem Schalter des DC-DC-Wandlers und einem zusätzlichen Schalter realisiert.

Insofern ermöglichen Ausführungsbeispiele, die schnelle Abschaltung von DC- Fehlerströmen durch den Einsatz eines allstromsensitiven Differenzstromsensors in Kombination mit einem DC-DC-Wandler und einem zusätzlichen Halbleiterschalter (falls schon bekannt mit der Einschränkung auf nichtisolierende Batterieladegeräte).

Entsprechend Ausführungsbeispielen wird der Vorgang des Abschaltens durch eine Steuerung ausgeführt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Ausführens einer Abschaltsequenz, wie sie oben bereits erläutert wurde.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 13 auf Gleichspannungsseite vorgesehen sein (vgl. Fig. 11). Gerade bei ein Implemen- tierung eines Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller kann ein zusätzlicher Schalter des Wandlers 13, hier in diesen Ausführungsbeispiel der zusätzliche Schalter 13a‘ durch die abschalte Sequenz geöffnet werden.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der erste Potentialabgriff 16a und der zweiten Potentialabgriff 16b jeweils einen zusätzlichen Schalter 28, 28‘, 28“ aufweisen.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eine Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwirken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Quellenangabe

[1] Ein Beitrag zu modularen und hochkompakten isolierenden Schnellladegeräten für Elektrofahrzeuge, Jens Schmenger, Doktorarbeit, Der Technischen Fakultät der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 07.2020

[2] Semiconductor Fuse Applications Guide, Mersen (formerly Ferraz Shawmut), January 2002