DE102011017369B4 - Charging system for charging the traction battery of an electrically powered vehicle - Google Patents
Charging system for charging the traction battery of an electrically powered vehicleInfo
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Abstract
Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie (1) eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Gleichrichter (3), der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) galvanisch verbindbar ist und der ausgangsseitig über einen zur Stabilisierung der erzeugten Gleichspannung vorgesehenen Zwischenkreis (4) mit dem Eingang einer ausgangsseitig mit der Traktionsbatterie (1) verbundenen Laderegelschaltung (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des ersten Gleichrichters (3) wahlweise auch mit dem Ausgang eines zweiten Gleichrichters (6) verbindbar ist, der eingangsseitig mit einer fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung (7) verbunden ist, über die elektrische Energie aus einer an einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz (2) angeschlossenen Ladestation (8) mit einer an das Kraftfahrzeug anfügbaren, eine stationäre elektrische Wicklung (9) umfassenden Ankoppelvorrichtung induktiv auf das Kraftfahrzeug übertragen werden kann. Charging system for charging the traction battery (1) of an electrically powered motor vehicle, comprising a first rectifier (3) which is galvanically connectable on the input side to an AC or three-phase power supply network (2) and which is connected on the output side via an intermediate circuit (4) provided for stabilizing the generated DC voltage to the input of a charging control circuit (5) which is connected on the output side to the traction battery (1), characterized in that the input of the first rectifier (3) can optionally also be connected to the output of a second rectifier (6) which is connected on the input side to a vehicle-side electrical winding (7) via which electrical energy from a charging station (8) connected to an AC or three-phase power supply network (2) can be inductively transferred to the motor vehicle by means of a coupling device attachable to the motor vehicle which comprises a stationary electrical winding (9).
Description
Die Erfindung betrifft ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen ersten Gleichrichter, der eingangsseitig mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz galvanisch verbindbar ist, und der ausgangsseitig über einen zur Stabilisierung der erzeugten Gleichspannung vorgesehenen Zwischenkreis mit dem Eingang einer ausgangsseitig mit der Traktionsbatterie verbundenen Laderegelschaltung verbunden ist.The invention relates to a charging system for charging the traction battery of an electrically powered motor vehicle, comprising a first rectifier which can be galvanically connected on the input side to an AC or three-phase power supply network, and which is connected on the output side via an intermediate circuit provided for stabilizing the generated DC voltage to the input of a charging control circuit which is connected on the output side to the traction battery.
Bei derartigen Ladesystemen wird die galvanische Verbindung zwischen dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und dem Gleichrichter in der Regel durch Steckverbinder hergestellt. Wenn die Traktionsbatterie des Fahrzeugs geladen werden soll, wird dazu ein mit einem entsprechenden Steckverbinderteil versehenes Ladekabel einer stationären Ladestation mit einem an dem Kraftfahrzeug vorhandenen Gegensteckverbinderteil manuell verbunden.In such charging systems, the galvanic connection between the AC or three-phase power supply and the rectifier is usually established via connectors. To charge the vehicle's traction battery, a charging cable from a stationary charging station, equipped with a corresponding connector, is manually connected to a mating connector on the vehicle.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladesystem zum Laden der Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs so auszubilden, dass es möglichst einfach, universell und komfortabel verwendbar ist.The present invention is based on the objective of designing a charging system for charging the traction battery of an electrically powered motor vehicle in such a way that it is as simple, universal and convenient to use as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Eingang des ersten Gleichrichters wahlweise auch mit dem Ausgang eines zweiten Gleichrichters verbindbar ist, der eingangsseitig mit einer fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung verbunden ist, über die elektrische Energie aus einer an einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz angeschlossenen Ladestation mit einer an das Kraftfahrzeug anfügbaren, eine stationäre elektrische Wicklung umfassenden Ankoppelvorrichtung induktiv auf das Kraftfahrzeug übertragen werden kann.This problem is solved according to the invention by the fact that the input of the first rectifier can optionally also be connected to the output of a second rectifier, which is connected on the input side to a vehicle-side electrical winding, via which electrical energy from a charging station connected to an AC or three-phase supply network can be inductively transferred to the vehicle with a coupling device that can be attached to the vehicle and comprises a stationary electrical winding.
Wenn die Ankoppelvorrichtung an das Kraftfahrzeug angefügt ist, bilden die stationäre elektrische Wicklung der Ladestation und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung gemeinsam einen Transformator aus, wobei die stationäre elektrische Wicklung die Funktion der Primärwicklung und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung die Funktion der Sekundärwicklung des Transformators erfüllen. Die elektrischen Wicklungen können dabei beispielsweise als Luftspulen und/oder als Spulen mit magnetischem Kern ausgeführt sein, wobei Form und Querschnitt sowohl der Spulen als auch der ggf. vorhandenen Kerne an die jeweiligen Erfordernisse bezüglich Bauraum, möglicher Abstände der Spulen zueinander sowie zu übertragender elektrischer Leistung angepasst werden können.When the coupling device is attached to the vehicle, the stationary electrical winding of the charging station and the vehicle-side electrical winding together form a transformer, with the stationary electrical winding functioning as the primary winding and the vehicle-side electrical winding as the secondary winding of the transformer. The electrical windings can be designed, for example, as air-core coils and/or coils with a magnetic core, whereby the shape and cross-section of both the coils and any cores present can be adapted to the respective requirements regarding installation space, possible spacing between the coils, and the electrical power to be transmitted.
Die Komponenten des erfindungsgemäßen Ladesystems sind vorzugsweise zu einem Gerät zusammengefasst und von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben. Dabei können z.B. der erste Gleichrichter, der Zwischenkreis und die Laderegelschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sein, das mit einer ersten Steckverbindung zur elektrischen Kontaktierung mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz und mit einer zweiten Steckverbindung zur elektrischen Kontaktierung mit dem zweiten Gleichrichter versehen ist.The components of the charging system according to the invention are preferably combined into a single device and enclosed in a common housing. For example, the first rectifier, the intermediate circuit, and the charging control circuit can be housed in a common housing, which is provided with a first plug connection for electrical contact with the AC or three-phase power supply network and with a second plug connection for electrical contact with the second rectifier.
Da hier von unterschiedlichen Seiten hohe Spannungen eingespeist werden können, ist es zur Gewährleistung einer sicheren Handhabung vorteilhaft, diese beiden Steckverbindungen so zu gestalten, dass sowohl die stecker- als auch die buchsenseitigen Steckverbinderteile mit Schutzvorrichtungen gegen unbeabsichtigte Berührung versehen sind.Since high voltages can be supplied from different sides, it is advantageous to ensure safe handling by designing these two connectors in such a way that both the plug-side and socket-side connector parts are equipped with protective devices against unintentional contact.
Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem ist es einfach möglich, die fahrzeugseitigen Komponenten zur induktiven Energieübertragung als Nachrüstlösung vorzusehen.With the charging system according to the invention, it is easily possible to provide the vehicle-side components for inductive energy transfer as a retrofit solution.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladesystems ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung erläutert.Further advantageous embodiments and developments of the charging system according to the invention are set out in the dependent claims and are explained with reference to the drawing.
Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ladesystems. Dargestellt ist hier eine Ladestation 8, bei der sowohl eine galvanische Kopplung des fahrzeugseitigen Ladesystems mit einem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 vorgesehen ist, als auch eine galvanisch getrennte Kopplung mittels einer stationären elektrischen Wicklung 9. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ladesystems besteht darin, dass bereits das Vorhandendsein einer dieser Möglichkeiten bei einer Ladestation 8 ausreichend ist, um eine Ladung der Traktionsbatterie 1 vornehmen zu können. Dadurch wird das Ladesystem wesentlich flexibler nutzbar. So kann beispielsweise in der heimischen Garage ausschließlich eine induktive Übertragung vorgesehen sein, die bequem und ohne umständliche Handhabungsschritte zu nutzen ist, während zum Nachladen unterwegs auch jederzeit auf die Verbindung mittels Kabel und Steckverbinder zurückgegriffen werden kann, die etwa an öffentlich zugänglichen Ladestationen ggf. häufiger anzutreffen sein wird.The single figure, in a schematic representation, shows an embodiment of a charging system according to the invention. It depicts a charging station 8 in which both galvanic coupling of the vehicle-side charging system with an AC or three-phase power supply network 2 is provided, as well as galvanically isolated coupling by means of a stationary electrical winding 9. A significant advantage of the charging system according to the invention is that the mere presence of either of these options in a charging station 8 is sufficient to charge the traction battery 1. This makes the charging system considerably more flexible. For example, in a home garage, only inductive charging can be provided, which is convenient and requires no cumbersome handling, while for charging on the go, a connection via cable and connector, which is more commonly found at publicly accessible charging stations, can always be used.
Um zu verhindern, dass dort, wo an einer Ladestation 8 die Nutzung beider Übertragungswege möglich ist, versehentlich beide parallel aktiviert werden und damit ein Kurzschluss verursacht wird, ist es vorteilhaft, einen Mechanismus vorzusehen, der beispielsweise beim Herstellen der galvanischen Kopplung mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 eine automatische Trennung der elektrischen Verbindung mit dem induktiven Übertragungssystem bewirkt. Wenn die galvanische Kopplung des fahrzeugseitigen Ladesystems mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2, wie in der Zeichnung zu sehen, über eine Steckverbindung 10 erfolgt, so kann mit dem Steckvorgang beispielsweise ein - hier nicht dargestellter - Schalter betätigt werden, der die elektrische Verbindung zu dem zweiten Gleichrichter 6 unterbricht.To prevent accidental parallel activation of both transmission paths at charging station 8, thereby causing a short circuit, it is advantageous to provide a mechanism that... For example, when establishing galvanic coupling with the AC or three-phase power supply network 2, an automatic disconnection of the electrical connection with the inductive transmission system occurs. If the galvanic coupling of the vehicle-side charging system with the AC or three-phase power supply network 2 is achieved via a plug connection 10, as shown in the drawing, the plugging process can, for example, actuate a switch (not shown here) that interrupts the electrical connection to the second rectifier 6.
Zur induktiven Energieübertragung auf das Fahrzeug ist in der Ladestation 8 eine an das Kraftfahrzeug anfügbare Ankoppelvorrichtung vorhanden, die eine stationäre elektrische Wicklung 9 aufweist. Die zur Kooperation mit dieser stationären elektrischen Wicklung 9 vorgesehene fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 ist hinter einem Kennzeichenschild 12 des Kraftfahrzeugs angeordnet. An die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 ist eine Anlagefläche der Ankoppelvorrichtung der Ladestation 8 anfügbar, so dass die stationäre elektrische Wicklung 9 der Ladestation 8 als Primärwicklung und die fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 als Sekundärwicklung gemeinsam einen Transformator ausbilden. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Energieübertragung mittels dieses Transformators muss beim Anfügen der Anlagefläche der Ankoppelvorrichtung an die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 ein möglichst geringer Abstand zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erreicht werden. Der Transformator wird bei einer Frequenz in der Größenordnung von ca. 100 kHz betrieben, und der zweite Gleichrichter 6 ist dazu ausgelegt, die sekundärseitige Spannung dieser Frequenz in eine Gleichspannung umzuwandeln. Je nach Art des Versorgungsnetzes 2 auf der Primärseite, also insbesondere auch danach, ob es sich dabei um ein Wechselspannungs- oder ein Drehstrom-Versorgungsnetz 2 handelt, liegt die Höhe der Gleichspannung zwischen etwa 140 Volt und 350 Volt. Diese Gleichspannung wird der Eingangsseite des ersten Gleichrichters 3 zugeführt, der seinerseits dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung eben dieser Größe und mit einer Frequenz von 50 bis 60 Hz in eine entsprechende Gleichspannung umzuwandeln. Die diesem ersten Gleichrichter 3 „wechselspannungsseitig“ zugeführte AusgangsGleichspannung des zweiten Gleichrichters 6 passiert diesen - bis auf geringe Verluste - praktisch ungehindert.For inductive energy transfer to the vehicle, the charging station 8 includes a coupling device that can be attached to the vehicle and has a stationary electrical winding 9. The vehicle-side electrical winding 7, intended to cooperate with this stationary electrical winding 9, is located behind a license plate 12 of the vehicle. A contact surface of the coupling device of the charging station 8 can be attached to the outer surface of the license plate 12, so that the stationary electrical winding 9 of the charging station 8 (primary winding) and the vehicle-side electrical winding 7 (secondary winding) together form a transformer. To achieve a high efficiency of energy transfer using this transformer, the contact surface of the coupling device must be attached to the outer surface of the license plate 12 with the smallest possible distance between the primary and secondary windings. The transformer operates at a frequency on the order of approximately 100 kHz, and the second rectifier 6 is designed to convert the secondary-side voltage of this frequency into a DC voltage. Depending on the type of power supply network 2 on the primary side, and in particular whether it is an AC or three-phase power supply network 2, the DC voltage ranges between approximately 140 volts and 350 volts. This DC voltage is fed to the input side of the first rectifier 3, which is designed to convert an AC voltage of precisely this magnitude and with a frequency of 50 to 60 Hz into a corresponding DC voltage. The output DC voltage of the second rectifier 6, supplied to this first rectifier 3 on the AC side, passes through it—apart from minimal losses—virtually unimpeded.
Der erste Gleichrichter 3 ist ausgangsseitig mit dem Zwischenkreis 4 des Ladesystems verbunden, welcher selbst wiederum mit dem Eingang einer Laderegelschaltung 5 verbunden ist, die mit der ihr zugeführten elektrischen Energie die Traktionsbatterie 1 des Kraftfahrzeugs lädt. Eingangsseitig kann der erste Gleichrichter 3 sowohl über die Steckverbindung 10 direkt mit dem Wechselspannungs- oder Drehstrom-Versorgungsnetz 2 verbunden sein, als auch über die Steckverbindung 11 mit dem Ausgang des zweiten Gleichrichters 6, der selbst eingangsseitig mit der fahrzeugseitigen elektrischen Wicklung 7 verbunden ist.The first rectifier 3 is connected on its output side to the intermediate circuit 4 of the charging system, which in turn is connected to the input of a charging control circuit 5. This circuit uses the supplied electrical energy to charge the traction battery 1 of the vehicle. On its input side, the first rectifier 3 can be connected either directly to the AC or three-phase power supply network 2 via connector 10, or via connector 11 to the output of the second rectifier 6, which is itself connected on its input side to the vehicle's electrical winding 7.
Zum Laden der Traktionsbatterien 1 fährt der Fahrer des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an die Ladestation 8 heran und stellt manuell die galvanische Verbindung zur Ladestation 8 her, indem er ein Steckverbinderteil eines Ladekabels der Ladestation 8 mit einem an dem Kraftfahrzeug vorhandenen Gegensteckverbinderteil zur Bildung der Steckverbindung 10 koppelt.To charge the traction batteries 1, the driver of the electrically powered vehicle drives up to the charging station 8 and manually establishes the galvanic connection to the charging station 8 by coupling a connector part of a charging cable of the charging station 8 with a mating connector part present on the vehicle to form the plug connection 10.
Alternativ dazu, wenn etwa bei der betreffenden Ladestation 8 keine Verbindung über ein Kabel mit Steckverbinder vorgesehen ist, fügt er manuell die Ankoppelvorrichtung mit der stationären elektrischen Wicklung 9 an die Außenseite des amtlichen Kennzeichenschildes 12 an, hinter dem die fahrzeugseitige elektrische Wicklung 7 angeordnet ist. Je nach Ausgestaltung der Ladestation 8 kann das Anfügen der Ankoppelvorrichtung auch ohne menschliche Mitwirkung vollautomatisch erfolgen, wobei z.B. eine kameragestützte Positionierungsvorrichtung die genaue Lage des Kennzeichenschildes 12 erkennt. und die Ankoppelvorrichtung positionsgenau an die Außenfläche des Kennzeichenschildes 12 anlegt.Alternatively, if, for example, the charging station 8 in question does not provide a connection via a cable with a connector, the operator manually attaches the coupling device with the stationary electrical winding 9 to the outside of the official license plate 12, behind which the vehicle's electrical winding 7 is located. Depending on the design of the charging station 8, attaching the coupling device can also be fully automated without human intervention, whereby, for example, a camera-based positioning device detects the exact position of the license plate 12 and precisely positions the coupling device against the outer surface of the license plate 12.
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2012
- 2012-04-12 WO PCT/EP2012/056701 patent/WO2012143287A2/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
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