Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvoltein- richtung, an welche die Hochvoltbatterie nach Bedarf elektrisch anschließbar ist, beispielsweise zur Energieaufnahme (d. h. batterieseitiges Laden) oder zur Ener- gieabgabe (d. h. batterieseitiges Entladen),

Die Erfindung betrifft ferner eine Energieübertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung, an weiche die Hochvoltbatterie nach Bedarf elektrisch anschließbar ist, Außerdem betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) und einer Energieübertragungs- schaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Ladesta- tion),

Beim Zuschalten hoher Kapazitäten (z, B. Kabel) an ein Hochspannungsnetz (z, B.

Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs, fahrzeugexternes Hochvoltenergienetz, Hoch- voltladestation und dergleichen) kommt es bei nicht angeglichenen Spannungsla- gen zu einem sehr hohen Stromfluss und gegebenenfalls zur Schädigung der Kom- ponenten. Um solche Schäden zu vermeiden, sollten die Kapazitäten auf ein ähn- liches Spannungsniveau vorgeladen werden, wie es das Hochspannungsnetz bie- tet.

Elektrofahrzeuge weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) als Energiespeicher mit beispielsweise 400 V oder 800 V Nennspannung auf. Unter Hochspannung wird im Sinne der Erfindung eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1000 V. Als Niederspannung wird entsprechend eine elektrische Gleich- spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 12 V, 24 V oder 48 V.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Energieübertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung bereitzustellen sowie ein Elektrofahrzeug, die eine sichere und zuverlässige Energieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung gewährleisten. Insbesondere sollen fahrzeugseitige wie auch einrichtungsseitige Komponenten zu Beginn der Energie- übertragung vor Schäden geschützt sein, die durch die zwischen der Hochvoltbat- terie und der Hochvolteinrichtung für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksamen, zugeschalteten Kapazitäten durch einen zu hohen Strom- fluss verursacht werden können. Zudem sollen das Verfahren und die Energieüber- tragungsschaltung technisch einfach zu implementieren sein und die Energieüber- tragungsschaltung sowie das Elektrofahrzeug kompakt und mit geringem Gewicht bauen und nicht zuletzt kostengünstig herstellbar sein. Darüber hinaus sollen die Einsatzmöglichkeiten zur Energieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen Hoch- voltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung erweitert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Energieübertragungsschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 so- wie durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Wei- tere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jewei- ligen Unteransprüche.

Es Ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merk- male in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden kön- nen (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrich- tung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschrei- bung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammen- hang mit den Figuren zusätzlich.

Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegen- stands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausge- staltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein kön- nen. Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa" einen Toleranzbereich ange- ben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht, Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa" ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen,

Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwi- schen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (z, B, Traktionsbatterie eines Elekt- rofahrzeugs) und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B, Hochvoltener- gienetz, Hochvoltladestation und dergleichen) die Schritte auf;

- Bereitstellen einer Energieübertragungsschaltung, die steuerbar zwischen einer aktiven, energieübertragenden Betriebsart und einer inaktiven, die Energieübertragung unterbrechenden Betriebsart geschaltet werden kann, - elektrisches Anschließen der Energieübertragungsschaltung in ihrer Inak- tiv geschalteten Betriebsart an die Hochvoltbatterie und die Hochvoltein- richtung,

- elektrisches Vorladen von zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvol- teinrichtung für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirk- samen Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau mittels einer Vorladeschaltung, wobei eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie entnommen wird, und

- Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart nach dem Vorladen, um die elektrische Energie zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvolteinrichtung zu übertragen.

Die Energieübertragungsschaltung kann allgemein als eine Schaltung verstanden werden, die ausgebildet ist, die elektrische Energie zwischen der angeschlossenen Hochvoitbatterie (hierin auch als HV- Batterie bezeichnet) und der ebenfalls ange- schlossenen Hochvolteinrichtung (hierin auch als HV-Einrichtung bezeichnet) zu übertragen. Hierbei kann die Energieübertragungsrichtung der Energieübertra- gungsschaltung einmalig fest vorgegeben und unveränderbar sein, also unidirek- tional, Die Energieübertragungsschaltung kann jedoch auch ausgebildet sein, die Energieübertragungsrichtung zwischen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung je nach Betriebsanforderung zu steuern, d. h. zwischen zwei möglichen Übertra- gungsrichtungen wahlweise umzuschalten (bidirektionale Energieübertragung). Weiterhin kann die Energieübertragungsschaitung zur Energieübertragung einen oder mehrere Spannungswandler aufweisen, ohne jedoch zwingend hierauf be- schränkt zu sein. Die Energieübertragungsschaltung kann in einfachster Ausge- staltung beispielsweise lediglich als einfache, jedoch zwischen der aktiven und der inaktiven Betriebsart schaltbare Stromdurchleitung fungieren.

Die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten können Kapazi- täten sein, die von Anschlussleitungen (z. B. Hochvoltkabel) der HV-Batterie bzw. der HV-Einrichtung zur Energieübertragungsschaltung gebildet sind. Zudem kön- nen auch zwischen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung wirksame elektronische Bauteile (z. B. Kondensatoren, Spulen usw.) zu dieser Kapazität beitragen. Diese elektronischen Bauteile können selbst Bestandteil der Energieübertragungsschal- tung sein und/oder in einer zusätzlich zur Energieübertragungsschaltung bereitge- stellten Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die für die Energieübertragung eine funktioneile Rolle spielt, wie beispielsweise Schaltungen zur Spannungswand- lung, -reglung, -begrenzung und dergleichen.

Es ist zu verstehen, dass durch das elektrische Anschließen der Energieübertra- gungsschaltung an die Hochvoltbatterie und die Hochvolteinrichtung während in der inaktiven Betriebsart noch keine wirksam elektrisch leitende Verbindung zwi- schen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung hergestellt wird. Hierzu kann die Energieübertragungsschaltung beispielsweise zumindest ein steuerbares Schalt- element aufweisen (z. B. Relais, Transistor etc.), das zwischen einem geöffneten (d. h. elektrisch unterbrochenen) und einem geschlossenen (d. h. elektrisch leit- fähigen) Zustand geschaltet werden kann.

Der Erfindung sieht vor, dass das Vorladen der Kapazitäten vor der eigentlichen Energieübertragung mit Energie aus der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) durchgeführt wird. Die Hochvoltbatterie ist grundsätzlich vorge- sehen, ein Hochvoltbordnetz (z. B. 400 V, 800 V) des Fahrzeugs zu versorgen, beispielsweise einen Elektroantrieb des (Elektro-)Fahrzeugs. Das Verfahren lässt sich mit geringen Zusatzkosten und im Wesentlichen ohne zusätzliches Gewicht in einem kompakten Aufbau implementieren. Das Vorladen der Kapazitäten gewährleistet eine sichere und zuverlässige Ener- gieübertragung zwischen der fahrzeugseitigen HV- Batterie und der fahrzeugexter- nen HV-Einrichtung, indem Schäden durch sehr hohe Ausgleichsströme zu Beginn der Energieübertragung vermieden werden. Das durch die Vorladung zu errei- chende Zielspannungsniveau kann entsprechend der Betriebs- bzw. Nennspannun- gen der HV-Batterie und/oder der HV-Einrichtung derart geeignet vorbestimmt werden, dass Ausgleichsströme beim Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart zumindest signifikant verringert oder im Wesentlichen ganz vermieden werden.

Weiterhin ermöglicht die Erfindung ebenso eine technisch einfache Integration in bereits bestehende elektrische Systeme, z _» B. Elektrofahrzeuge, da das erfin- dungsgemäße Vorladen unabhängig von einer Differenz der Spannungslagen zwi- schen der HV-Batterie und der HV-Einrichtung erfolgt. Dies bietet einen großen Vorteil hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten, wenn beispielsweise ein Elektrofahr- zeug mit einer Hochvoltbatterie von 800 V Nennspannung an einer 400 V-Ladesta- tion geladen werden soll.

Das Zielspannungsniveau kann einem Nennspannungsniveau der Hochvoltbatterie entsprechen, z. B. Traktionsbaterie mit 400 V oder 800 V, oder einem Nennspan- nungsniveau der Hochvolteinrichtung, z. B. Ladestation mit 400 V oder 800 V Nennspannung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach dem Schalten der Energieübertragungsschaltung in ihre aktive Betriebsart zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbatterie und der Hochvolteinrichtung eine von der Hochvolteinrichtung bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie mittels eines unidirektionalen Aufwärts- wandlers gewandelt wird. Beim Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Hochvolt- batterie von 800 V Nennspannung an einer 400 V-Ladestation kann die 400 V-La- destation nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie vor der ei- gentlichen Aktivierung der Energieübertragung fahrzeugseitig ebenfalls ein 400 V- Potential erwarten, ohne welches die Energieübertragung von der Ladestation nicht gestartet/durchgeführt wird. Dieses kann von der 800 V-Batterie des Fahr- zeugs nicht unmittelbar zur Verfügung gestellt werden. Zudem kann der unidirek- tionale Aufwärtswandler zur Spannungsanpassung der einrichtungsseitig zur Verfügung gestellten 400 V auf die fahrzeugseitig benötigten 800 V das von der Ladestation erwartete 400 V-Potential nicht bereitstellen. Erfindungsgemäß wird dieses elektrische Potential durch die mittels der Vorladeschaltung bewirkte Vorla- dung auf das bestimmte Zielspannungsniveau (z. B. 400 V) bereitgestellt, so dass ein elektrisches Fahrzeug mit einer 800 V-Batterie nun grundsätzlich an allen La- destationen, die lediglich 400 V Ladespannung zur Verfügung stellen, geladen wer- den kann. Die Einsatzmöglichkeiten zur Energieübertragung zwischen der fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie und der fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung sind hierdurch wesentlich erweitert,

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird die Hochspannung zwischen der Hochvolteinrichtung und der Hochvoltbatterie galva- nisch getrennt gewandelt wird. Die von dem Aufwärtswandler gewandelte Span- nung und Strom können hierbei gezielt im Sinne einer effizienten Energieübertra- gung ohne Überlastung gesteuert und begrenzt werden, Der Aufwärtswandler kann selbst eine galvanische Trennung zwischen seiner Primärseite und Sekundärseite aufweisen oder die galvanische Trennung kann durch ein separates Relais realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Vorladen der Kapazitäten auf das Zielspannungsniveau mittels eines Abwärtswandlers durchgeführt wird, der aus der Hochvoltbatterie gespeist wird. Der Abwärtswandler ist ein schaltender Gleichspannungswandler, bei dem die Ausgangsspannung ist stets kleiner gleich dem Betrag der Eingangsspannung ist. Neben der eigentlichen Abwärtswandlung der Eingangsspannung auf die Ausgangsspannung kann der Ab- wärtswandler ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden, um beim Vorladen einen Bauteilstress zu verringern und hohe Strom-/5pannungsgradienten zu vermeiden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen 250 mA und 1 A, noch bevorzugterzwischen 500 mA und 1 A, begrenzt. Dies stellt eine schnelle, effiziente Vorladung sicher, so dass die Ener- gieübertragung bereits kurz nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvolt- batterie an die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung beginnen kann. Zusätzlich vermeidet die angegebene Strombegrenzung hohen Bauteilstress und hohe Strom - /Spannungsgradienten. Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wer- den (unerwünschte) elektrische Schwingungsvorgänge beim Vorladen der Kapazi- täten mittels eines so genannten Snubbers gedämpft, Insbesondere lassen sich hierdurch störende Hochfrequenzen oder Spannungsspitzen neutralisieren, die meist beim Schalten induktiver Lasten auftreten, wenn der Stromfluss abrupt un- terbrochen wird. Zusätzlich lässt sich durch den Einsatz des Snubbers die elektro- magnetische Verträglichkeit verbessern.

Der Snubber kann beispielsweise aus einer Reihenschaltung einer Kapazität, ins- besondere wenigstens ein Kondensator, und wenigstens einem ohmschen Wider- stand gebildet werden. Bevorzugt kann der ohmsche Widerstand mehrere, zu ei- nem Widerstandsnetzwerk verschaltete (d. h. Reihen- und Parallelschaltung), Wi- derstände aufweisen. Hierdurch kann ebenso eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers bereitgestellt werden.

Besonders bevorzugt kann die fahrzeugseitige Hochvoltbatterie vorzugsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs sein, die an einer Hochspannungsladesta- tion durch Übertragen der elektrischen Energie von der Ladestation in die Trakti- onsbatterie geladen wird. Denkbar ist grundsätzlich auch die umgekehrte Übertra- gungsrichtung, bei der elektrische Energie aus der Traktionsbatterie zur Ladesta- tion übertragen wird, um diese beispielsweise in ein an die Ladestation angeschlos- senes HV-Energienetz einzuspeisen.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Energieübertragungsschal- tung zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hoch- voltbatterie (z, B. Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs) und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltenergienetz, Hochvoltladestation u, dgl.) auf:

- einen ersten elektrischen Hochvoltanschluss, der ausgebildet und einge- richtet ist, mit der Hochvoltbatterie zur Übertragung einer ersten Hoch- spannung elektrisch verbunden zu werden,

- einen zweiten elektrischen Hochvoltanschluss, der ausgebildet und einge- richtet ist, mit der Hochvolteinrichtung zur Übertragung einer zweiten Hochspannung elektrisch verbunden zu werden, - einen elektrischen Niedervoltanschluss, der ausgebildet und eingerichtet ist, mit einer fahrzeugseitigen Niedervoltbatterie zur Übertragung einer Niederspannung elektrisch verbunden zu werden,

- eine Steuereinrichtung, die ausgebildet und eingerichtet ist, die Energie- übertragung in einer aktiven Betriebsart zwischen dem ersten Hochvolt- anschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss gesteuert zu bewirken und die Energieübertragung in einer inaktiven Betriebsart zwischen dem ers- ten Hochvoltanschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss gesteuert zu unterbrechen, und

- eine Vorladeschaltung, die ausgebildet und eingerichtet ist, zwischen dem ersten Hochvoltanschluss und dem zweiten Hochvoltanschluss für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksame Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau von der Steuereinrichtung wäh- rend der inaktiven Betriebsart gesteuert vorzuladen, bevor die Steuerein- richtung in die aktive Betriebsart schaltet, wobei eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie aus der am Hochvoltan- schluss anliegenden Hochspannung gespeist ist.

Es ist zu verstehen, dass bezüglich schaltungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile schaltungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsge- mäßen Verfahrens zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Das heißt, Offen- barungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens können in sinnge- mäßer Weise ebenso zur Definition der Energieübertragungsschaltung herangezo- gen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso können Of- fenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Energieübertragungsschal- tung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens her- angezogen werden, sofern dies nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merk- male, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.

Beispielsweise kann das Zielspannungsniveau einem Nennspannungsniveau der Hochvoltbatterie entsprechen, z. B. Traktionsbatterie mit 400 V oder 800 V, oder einem Nennspannungsniveau der Hochvolteinrichtung, z. B, Ladestation mit 400 V oder 800 V Nennspannung,

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein unidirektionaler Auf- wärtswandler zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbat- terie und der Hochvolteinrichtung vorgesehen ist, um eine von der Hochvoltein- richtung bereitgestellte Hochspannung auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie zu wandeln. Insbesondere findet die unidirektionaie Spannungs- wandlung in diesem Fall ausschließlich in eine Richtung, vorliegend von der fahr- zeugexternen HV-Einrichtung zur fahrzeugseitigen HV-Batterie, statt. Es ist anzu- merken, dass die Erfindung nicht zwingend auf eine ausschließlich unidirektionaie Spannungswandlung beschränkt ist. Ein bidirektionaler Spannungswandler kann grundsätzlich ebenso verwendet werden und anstelle des unidirektionalen Auf- wärtswandlers vorgesehen sein,

Der Aufwärtswandler kann ein galvanisch getrennter Aufwärtswandler sein, das heißt eine galvanische Trennung zwischen seiner Primärseite und Sekundärseite aufweisen. Die galvanische Trennung kann alternativ beispielsweise auch mit Hilfe eines separaten Relais bereitgestellt sein.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorladeschaltung einen Abwärtswandler zum Vorladen der Kapazitäten auf das Zielspannungsniveau auf. Der Abwärtswandler ist primärseitig aus der Hochvolt- batterie gespeist. ^'

Der Abwärtswandler wird bevorzugt so gesteuert, dass ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen 250 mA und 1 A, noch bevorzugter zwischen 500 mA und 1 A, begrenzt bleibt. Dies stellt eine schnelle und effiziente Vorladung sicher, so dass die Ener- gieübertragung kurz nach dem Anschließen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie an die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung starten kann. Zusätzlich vermeidet die angegebene Strombegrenzung hohen Bauteilstress und hohe Strom-/Spannungs- gradienten.

Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass die Vorladeschaltung einen Snubber zur elektrischen Schwingungsdämpfung beim Vorladen der Kapazitäten aufweist. Der Snubber kann beispielsweise aus ei- ner Reihenschaltung einer Kapazität, insbesondere wenigstens ein Kondensator, und wenigstens einem ohmschen Widerstand gebildet sein. Bevorzugt kann der ohmsche Widerstand mehrere, zu einem Widerstandsnetzwerk verschaltete (d. h. Reihen- und Parallelschaltung), Widerstände aufweisen. Hierdurch kann ebenso eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers bereitgestellt werden.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Elektrofahrzeug eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) zur elektrischen Versorgung eines Elekt- roantriebs und eine Energieübertragungsschaltung gemäß einer der hierin offen- barten Ausgestaltungen zum Übertragen elektrischer Energie zwischen der fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltenergienetz, Hochvoltladestation u. dgl.) auf. Die Hochvoltbatterie ist hierbei elektrisch mit dem Hochvoltanschluss der Energieübertragungsschaltung verbunden.

Auch bezüglich fahrzeugbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile fahrzeuggemäßer Merkmale ist zu verstehen, dass vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsge- mäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Energieübertragungsschaltung zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Auf eine Wiederholung von Erläute- rungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile wird daher nachstehend zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfin- dungsgegenstand auszulegen wären.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be- schreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfin- dung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

Fig. 1 ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Energie- übertragungsschaltung für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens ge- mäß der Erfindung, In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.

Fig. 1 stellt schematisch ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Energieübertragungsschaltung 1 für ein Fahrzeug 2 gemäß der Erfindung dar. Das Fahrzeug kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit beispielsweise ein Elektro- fahrzeug mit einer Hochvoltbatterie 3 (z. B. Traktionsbatterie) sein. Die Hochvolt- batterie 3 kann beispielsweise eine Nennspannung von 400 V oder 800 V aufwei- sen, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Andere Hochspannungs- werte zwischen etwa 60 V und etwa 1000 V sind ebenfalls denkbar.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Hochvoltbatterie 3 über eine optionale Schalt- einrichtung 6, die zwei steuerbare batterieseitige Schaltelemente 7 und 8 (z. B. Relais, Transistor u. dgl.) aufweist, elektrisch an einen ersten Hochvoltanschluss 9 der Energieübertragungsschaltung 1 angeschlossen. In Fig. 1 ist die Sch altein rieh - tung 6 zwar außerhalb der Energieübertragungsschaltung 1 und damit als eine separate Komponente dargestellt, es ist jedoch zu verstehen, dass die Schaltein- richtung 6 ebenso Teil der Energieübertragungsschaltung 1 sein kann.

Die Schaltelemente 7 und 8 verbinden die jeweiligen Hochvoltanschlüsse HV+_Bat und HV-_Bat der Batterie 3 mit der Energieübertragungsschaltung 1. Die Schalt- einrichtung 6 bzw. die Schaltelemente 7, 8 sind vorliegend von einer Steuerein- richtung 10 gesteuert, die eine Komponente der Energieübertragungsschaltung 1 sein kann, jedenfalls eine Komponente des Fahrzeugs 2 ist.

Weiter ist Fig. 1 ein zweiter Hochvoltanschluss 11 zu entnehmen, an den in der dargestellten Betriebssituation eine Hochvolteinrichtung 12, vorliegend (jedoch ohne zwingende Beschränkung hierauf) eine Hochvoltladestation, elektrisch ange- schlossen ist. Die Hochvolteinrichtung 12 weist zwei Hochvoltanschlüsse

HV+_CS_IN und HV-_CS_IN auf, die mit der Energieübertragungsschaltung 1 elektrisch verbunden dargestellt sind. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Anschluss- bzw. Ladekabel 13 verwendet werden. Die in Fig, 1 dargestellte Energieübertragungsschaltung 1 ist zwischen einer inak- tiven Betriebsart und einer aktiven Betriebsart schaltbar. In der aktiven Betriebsart ist die Energieübertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 aktiv. In der inaktiven Betriebsart ist die Energie- übertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hoch- voltanschluss 11 unterbrochen (inaktiv). Die Betriebsarten können von der Steu- ereinrichtung 10 gesteuert werden, beispielsweise durch Schäften der Schaltele- mente 7 und 8, sowie weiterer, in Fig. 1 gezeigter Schaltelemente 15, 16 und/oder 17, die ebenfalls z. B. als Relais, Transistor u. dgl. ausgebildet sein können.

Des Weiteren weist die in Fig. 1 dargestellte Energieübertragungsschaltung 1 eine Vorladeschaltung 20 auf. Diese weist vorliegend einen Abwärtswandler 22 auf.

Die Vorladeschaltung 20 ist ausgebildet und eingerichtet, zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksame Kapazitäten auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau von der Steuereinrichtung 10 während der inaktiven Be- triebsart gesteuert vorzuladen, bevor die Steuereinrichtung 10 die elektrische Energieübertragung zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 in die aktive Betriebsart schaltet. Die zum Vorladen benö- tigte elektrische Energie wird der am Hochvoltanschluss 9 anliegenden Hochspan- nung HV+_Bat, HV-_Bat der HV-Batterie 3 entnommen.

Weiter ist Fig. 1 zu entnehmen, dass die Vorladeschaltung 20 vorliegend einen so genannten Snubber 23 aufweist, um (unerwünschte) elektrische Schwingungsvor- gänge beim Vorladen der Kapazitäten wirksam zu dämpfen. Hierdurch lassen sich störende Hochfrequenzen oder Spannungsspitzen neutralisieren, die meist beim Schalten induktiver Lasten auftreten, wenn der Stromfluss abrupt unterbrochen wird. Zusätzlich lässt sich durch den Einsatz des Snubbers die elektromagnetische Verträglichkeit der Energieübertragungsschaltung 1 insgesamt verbessern.

Der Snubber kann beispielsweise aus einer Reihenschaltung einer Kapazität und einem ohmschen Widerstand gebildet werden, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Es versteht sich, dass eine konkrete Snubber-Schaltung aus einer Verschaltung mehrerer Kondensatoren und mehrerer ohmscher Widerstände (nicht dargestellt), die ein Widerstandsnetzwerk (d. h. Reihen- und Parallelschaltung) bilden können, gebildet sein kann. Dies ermöglicht zusätzlich eine effiziente passive oder aktive Kühlung des Snubbers 23.

Die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten können Kapazi- täten sein, die beispielsweise von den Anschlussleitungen 13 (z. B. Hochvoltkabel) der Hochvolteinrichtung 12 zur Energieübertragungsschaltung 1 gebildet sind. Ebenso können zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 wirksame elektronische Bauteile (z. B. Kondensatoren, Spulen usw.) zu dieser wirksamen Kapazität beitragen. Diese elektronischen Bauteile können selbst Be- standteil der Energieübertragungsschaltung 1 sein und/oder in einer separaten Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die für die Energieüber- tragung eine funktionelle Rolle spielt.

Weiterhin ist Fig. 1 ein unidirektionaier Aufwärtswandler 25 zum Übertragen der elektrischen Energie zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 zu entnehmen, um eine von der Hochvolteinrichtung 12 bereitgesteifte Hoch- spannung gegebenenfalls auf eine höhere Spannungslage für die Hochvoltbatterie 3 zu wandeln. Der Aufwärtswandler 25 ist ein Gleichspannungswandlers, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung stets größer ist als der Betrag der Eingangs- spannung. Die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers ist in Fig. 1 mit Boost bezeichnet. Der Aufwärtswandler kann zur Spannungstransformation eingesetzt werden, wenn die von der Hochvolteinrichtung 12 bereitgestellte Nennspannung HV+_CS_IN, HV~_CS_IN (z. B. 400 V) kleiner ist als die Nennspannung HV+_Bat, HV-_Bat der Hochvoltbatterie 3 (z. B. 800 V).

Falls die Spannungslagen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 9 im Wesentlichen gleich sind, kann der Aufwärtswandler 25 durch Schließen des Schaltelements 17 (Bypass) umgangen werden, so dass das batterieseitige Hoch- voltpotential HV-_Bat direkt mit dem einrichtungsseitigen Hochvoltpotential HV- _CS_IN elektrisch verbunden ist. Andernfalls ist das Schaltelement 17 offen ge- schaltet, so dass der Aufwärtswandler 25 die (vorliegend unidirektionale) Span- nungsanpassung entsprechend vornehmen kann. Es ist zu verstehen, dass der in Fig. 1 dargestellte Aufwärtswandler 25 in diesem Fall über entsprechende Verbin- dungsleitungen (nicht dargestellt) mit der Hochvoltbatterie 3 verbunden ist, um die Energieübertragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbat- terie 9 zu ermöglichen. Außerdem ist die Erfindung nicht zwingend auf einen unidirektionalen Spannungswandler 25 beschränkt. Ein nicht dargestellter bidirek- tionaler Spannungswandler kann grundsätzlich anstelle des Aufwärtswandlers 25 auch vorgesehen sein.

Zum Vorladen der für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten zwischen dem ersten Hochvoltanschluss 9 und dem zweiten Hochvoltanschluss 11 (einschließlich der Verbindungskabel 13) wandelt der Abwärtswandler 22 die am Hochvoltanschluss 9 anliegenden Hochspannung HV+_Bat, HV-_Bat auf das vor- bestimmte Zielspannungsniveau, das vorliegend dem von der HV-Einrichtung 12 bereitgestellten Hochspannungsniveau HV+_CS_IN, HV-_CS_IN (z. B. Nennspan- nungsniveau der Hochvolteinrichtung 12 von 400 V) entspricht. Die Vorladeschal- tung 20 lädt die Kapazitäten auf dieses Zielspannungsniveau vor.

Der Abwärtswandler 22 kann von der Steuereinrichtung 10 zur Einstellung einer bestimmten Ausgangsspannung/-strom gesteuert werden. Zu diesem Zweck weist der Abwärtswandler 22 einen Steueranschluss 24 auf. Die Steuerung kann bei- spielsweise über eine Pulsweitenmodulation (d. h. PWM-Steuerung) erfolgen. Mit- tels der Steuerung kann ein Strom zum Vorladen der Kapazitäten auf einen Bereich zwischen etwa 100 mA und etwa 1 A, bevorzugt zwischen etwa 250 mA und 1 A, noch bevorzugter zwischen etwa 500 mA und 1 A, gezielt begrenzt werden.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Energieübertragungsschal- tung 1 bzw. des Elektrofahrzeugs 2 können die für die Energieübertragung elektrisch wirksamen Kapazitäten in Kombination mit den folgenden von der Steu- ereinrichtung 10 gesteuerten Schaltzuständen der Schaltelemente 7, 8, 15, 16, 17 vorgeladen werden. Nach dem Anschließen der HV-Einrichtung 12 an den Hoch- voltanschluss 11 können die (optionalen) Schalter 7 und 8, sofern vorgesehen, geschlossen werden. Anschließend kann der Schalter 15 geschlossen werden, das heißt das einrichtungsseitige Potential HV+_CS_IN wird mit dem batterieseitigen Potential HV+_Bat verbunden. Liegt die einrichtungsseitige Nennspannung (z. B. 400 V) unterhalb der batterieseitigen Nennspannung (z. B. 800 V), wird der Ab- wärtswandler 22 aktiviert, um die wirksamen Kapazitäten zwischen der HV- Einrichtung 12 und der HV- Batterie 3 auf das Zielspannungsniveau (in diesem Fall die halbe Batteriespannung HVm) vorzuladen. Anschließend schaltet die Steuer- einrichtung 10 in die aktive Betriebsart um, indem der Schalter 16 geschlossen wird und letztendlich die Energieübertragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 über den Aufwärtswandler 25 bewirkt wird.

Ist hingegen die einrichtungsseitige Nennspannung (z, B, 400 V oder 800 V) gleich der batterieseitigen Nennspannung (z. B. ebenfalls 400 V bzw. 800 V), kann opti- onal dennoch der steuerbare Abwärtswandler 22 aktiviert werden, um die Kapazi- täten auf das Zieispannungsniveau (in diesem Fall die volle Batteriespannung HV+_Bat, HV-_Bat) vorzuladen. Die Verwendung des steuerbaren Abwärtswand- lers 22 zum Vorladen bei im Wesentlichen gleichen Spannungslagen zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 ermöglicht zusätzlich, hohe Strom-/Spannungsgradienten zuverlässig zu vermeiden und damit den Bauteil- stress zu reduzieren. Nachdem der Vorladevorgang abgeschlossen ist, schaltet die Steuereinrichtung 10 in die aktive Betriebsart um, indem nun anstelle des Schalter 16 der Schalter 17 (Bypass) geschlossen wird und infolgedessen die Energieüber- tragung zwischen der Hochvolteinrichtung 12 und der Hochvoltbatterie 3 unter Umgehung des Aufwärtswandlers 25 bewirkt wird.

Fig. 2 stellt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 30 ge- mäß der Erfindung dar.

Bei dem Verfahren 30 zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahr- zeugseitigen Hochvoltbatterie, z. B. Batterie 3 aus Fig. 1, und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung, Einrichtung 12 aus Fig. 1, wird in Schritt 31 eine Ener- gieübertragungsschaltung, z. B. Schaltung 1 aus Fig. 1, bereitgestellt, die steuer- bar zwischen einer aktiven, energieübertragenden Betriebsart und einer inaktiven, die Energieübertragung unterbrechenden Betriebsart geschaltet werden kann. Hierzu kann beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Steuereinrichtung 10 verwendet werden.

Die fahrzeugseitige Hochvoltbatterie 3 kann zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs 2 sein, die an einer Ladestation 12 durch Übertragen der elektrischen Energie von der Ladestation 12 in die Traktionsbatterie 3 geladen wird, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Ein Einspeisen von elektri- scher Energie aus der Hochvoltbatterie 3 in die Hochvolteinrichtung 12 (z. B. ein Hochspannungsnetz) ist ebenfalls denkbar. In Schritt 32 wird die Energieübertragungsschaltung 1 in ihrer inaktiv geschalteten Betriebsart an die Hochvoltbatterie 3 und die Hochvolteinrichtung 12 elektrisch angeschlossen.

In Schritt 33 werden Kapazitäten, die zwischen der Hochvoltbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 für die Übertragung der elektrischen Energie elektrisch wirksamen sind, auf ein vorbestimmtes Zielspannungsniveau mitels einer Vorla- deschaltung, z. B. Vorladeschaltung 20 aus Fig. 1, elektrisch vorgeladen. Eine zum Vorladen benötigte elektrische Energie wird hierzu der fahrzeugseitigen Hochvolt- batterie 3 entnommen. Die zum elektrischen Vorladen bereitgestellte Hochspan- nung kann mittels eines Abwärtswandlers, z. B. Abwärtswandler 22 aus Fig. 1, auf das vorbestimmte Zielspannungsniveau gewandelt werden.

In Schritt 34 wird nach dem Vorladen die Energieübertragungsschaltung 1 in ihre aktive Betriebsart geschaltet (z. B. durch die Schalteinrichtung 10), um die elekt- rische Energie zwischen der Hochvoitbatterie 3 und der Hochvolteinrichtung 12 wirksam zu übertragen. Hierzu wird ggfs, ein Aufwärtswandler, z. B. Aufwärts- wandler 25 aus Fig. 1, verwendet, um eine Spannungsanpassung der von der HV- Einrichtung 12 bereitgestellten Hochspannung (z. B, 400 V) an die Hochspannung (z. B. 800 V) der HV-Batterie 3 zu ermöglichen. Liegen beide Hochspannungen im Wesentlichen auf demselben Hochspannungsniveau, kann die Energieübertragung auch unter Umgehung des Aufwärtswandlers 25 durchgeführt werden.

Schritt 35 beendet das Verfahren 30.

Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zum Übertragen elektrischer Energie zwischen einer fahrzeugseitigen Hochvoltbatterie und einer fahrzeugex- ternen Hochvolteinrichtung und die erfindungsgemäße Energieübertragungsschal- tung sowie das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen wei- teren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegen- stände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschrei- bung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein ge- zeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin ex- plizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinsteilung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen,

In besonders bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Energieübertra- gungsschaltung in einem Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie (z. B. Trakti- onsbatterie mit 400 V, 800 V u, dgi.) verwendet, wobei die Hochvoltbatterie be- vorzugt der elektrischen Versorgung eines Elektroantriebs des Fahrzeugs dient, mit dem Zweck, elektrische Energie zwischen der fahrzeugseitigen Hochvoltbatte- rie und einer elektrisch mit der Energieübertragungseinrichtung verbundenen fahr- zeugexternen Hochvolteinrichtung (z. B. Hochvoltladestation) zu übertragen, d. h. die Hochvoltbatterie an der Ladestation zu laden oder Energie aus der Hochvolt- batterie in die fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung (z. B, Hochspannungsnetz) einzuspeisen.

Bezugszeichenliste

1 Energieübertragungsschaltung

2 Fahrzeug

3 Fahrzeugseitige Hochvoltbatterie

6 Schalteinrichtung

7 Erstes batterieseitiges Schaltelement

8 Zweites batterieseitiges Schaltelement

9 Erster Hochvoltanschluss

10 Steuereinrichtung

11 Zweiter Hochvoltanschluss

12 Fahrzeugexterne Hochvolteinrichtung

13 Anschlusskabel

15 Erstes einrichtungsseitige Schaitelement

16 Zweites einrichtungsseitige Schaltelement

17 Drittes Schaltelement

20 Vorladeschaltung

22 Abwärtswandler

23 Snubber

24 Steueranschluss

25 Aufwärtswandler

30 Verfahren

31-35 Verfahrensschritte

Boost Eingangsspannung für Aufwärtswandler

GND Bezugspotential, Masse

HV+ Positives Hochvoltpotential

HV+ _„ Bat Positives batterieseitiges Hoch voltpotential

HV+_CS_IN Positives einrichtungsseitiges Hochvoltpotential

HV- Negatives Hochvoltpotential

HV-_Bat Negatives batterieseitiges Hochvoltpotential

HV- _„ GS_IN Negatives einrichtungsseitiges Hochvoltpotential

HVm Hochvolt-Mitte-Potential