Fahrzeugladeschaltung mit zweistufiger Entladung über Gleichspannungswandler und passive Entladungsschaltung

Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Traktionsakkumulator auf, der mit hohen Spannungen betrieben wird, beispielsweise mit Spannungen von mehr als 200, 400 oder 600 Volt. Neben diesem Energiespeicher bestehen Zwischenkreiskondensatoren, das heißt Stützkondensatoren, die sich insbesondere eingangsseitig an Spannungswandlern oder Stromrichtern befinden. Insbesondere in Ladebordnetzzweigen sind derartige Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen, etwa an einer Gleichspannungsseite eines Gleichrichters, in den Wechselstrom zum Laden eingespeist werden kann, oder auch in Gleichspannungswandlern innerhalb eines Ladepfads.

Um Gefährdungen, insbesondere beim Laden, zu vermeiden, ist also nicht nur der Traktionsakkumulator abzutrennen und mit Sicherheitsmaßnahmen wie Isolierung vorzusehen, sondern es sind auch Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, um zu verhindern, dass eine Entladung ausgehend von einem Zwischenkreiskondensator zu einem gefährlich hohen Berührstrom beim Nutzer führt.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Zwischenkreiskondensatoren, insbesondere in einer Ladeschaltung eines Fahrzeugs, sicher und auf kostengünstige Weise entladen lassen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Fahrzeugladeschaltung nach Anspruch 1 . Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Es wird vorgeschlagen, den Entladeprozess zweistufig durchzuführen, das heißt mittels zweier verschiedener Schaltungen. Zum einen wird eine Entladeschaltung verwendet (die auch zum Vorladen dient), bei der ein erster Umschalter dazu dient, zu wählen zwischen einer direkten Anbindung des Zwischenkreiskondensators an einen ersten Gleichspannungsanschluss und der Anbindung von weiteren Vorlade-ZEntladekomponenten, die insbesondere zum Entladen des Zwischenkreiskondensators dienen. Diese Komponenten umfassen einen zweiten Umschalter, der dazu dient, zwischen Vor- und Entladen auszuwählen, das heißt mit dem ausgewählt werden kann, den Zwischenkreiskondensator strombegrenzt (mittels mindestens eines Widerstands) vorzuladen oder zu entladen. Ein weiteres Mittel zur Entladung ist ein ebenso an den Zwischenkreiskondensator angeschlossener Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler wird zum Entladen derart betrieben, dass dieser nur eine Verlustleistung in Form von Wärme, jedoch keinen (wesentlichen) Leistungsübertrag erzeugt.

Es wird vorgeschlagen, zunächst zum Entladen den Gleichspannungswandler zu verwenden, da dieser (aufgrund seiner weiteren Funktion als Gleichspannungswandler in einem Ladepfad) Bauelemente aufweist, die für hohe Ströme ausgelegt sind. In einer zweiten Phase des Entladens wird die beschriebene (passive) Entladeschaltung verwendet, mit der präziser und auch bei geringer Restspannung des Zwischenkreiskondensators zügig entladen werden kann. Dadurch kann in einer ersten Entladephase, in der das Entladen über den Gleichspannungswandler durchgeführt wird, die hohe Stromtragfähigkeit, gemäß der der Gleichspannungswandler ausgelegt ist, zur Entladung genutzt werden, insbesondere um hohe Entladeströme zu ermöglichen und auch um (noch) hohe Betriebsspannungen des Zwischenkreiskondensators verarbeiten zu können.

Mit der zweiten Phase, die mittels der Entladeschaltung und eines Widerstands durchgeführt wird, lässt sich auf einfache Weise und gezielt die weitere Entladung durchführen, wobei die Entladeschaltung und insbesondere der Widerstand nicht für besonders hohe Leistungen (beziehungsweise nicht besonders hohe Betriebsspannungen) ausgelegt sein muss, insbesondere nicht für Entladeleistungen, wie sie in der ersten Phase bei hohem Ladezustand des Kondensators auftreten können. Es ergeben sich Kostenersparnisse, da Widerstände und Schalter, die gemäß geringeren Leistungen ausgelegt sind, kostengünstiger sind als im Vergleich hierzu Bauteile, die für höhere Leistung ausgelegt sind. Insbesondere kann dadurch gegebenenfalls auf eine aufwändige Kühlung des Entladewiderstands verzichtet werden, da nur in der zweiten Entladephase der Widerstand erwärmt wird, nicht jedoch in der ersten. In der ersten Entladephase ist die Entladeschaltung eingerichtet, den Entladestrom vollständig mittels des Gleichspannungswandlers vorzusehen, wobei kein Entladestrom (d.h. kein für die Entladewiderstandserwärmung wesentlicher Entladestrom) durch den Entladewiderstand fließt. Die Entladeschaltung ist eingerichtet, den (oder die) Entladewiderstand in der ersten Entladephase von dem Zwischenkreiskondensator abzutrennen, vorzugsweise mittels der Schaltstellung mindestens eines Umschalters. Die insgesamt aufzunehmende Wärmemenge ist somit für den Entladewiderstand geringer als bei Schaltungen, die ausschließlich einen Widerstand zur Entladung vorsehen. Dies ist insbesondere relevant bei Entladeschaltungen, bei denen ein- und derselbe Widerstand zum Vorladen und zum Entladen verwendet wird, da der Widerstand bereits vom Vorladen erwärmt sein kann, und eine Entladung die Temperatur weiter erhöhen würde.

Eine Fahrzeugladeschaltung setzt wie folgt diese Vorgehensweise um. Die Fahrzeugladeschaltung hat einen ersten Gleichspannungsanschluss und einen zweiten Gleichspannungsanschluss. Der erste Gleichspannungsanschluss ist nicht notwendigerweise der Ladeanschluss, sondern es kann ein Gleichrichter dem ersten Gleichspannungsanschluss vorgeschaltet sein, sodass die Fahrzeugladeschaltung eine Ladeschaltung für Wechselstrom sein kann. Die Ladeschaltung weist einen Gleichspannungswandler auf, dem ein Zwischenkreiskondensator vorgeschaltet ist. Die Ladeschaltung weist ferner eine Vor-ZEntladeschaltung auf. Diese ist an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen. Insbesondere ist über die Vor-ZEntladeschaltung der erste Gleichspannungsanschluss mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Die Vor-ZEntladeschaltung ist insbesondere eingerichtet, diese Verbindung steuerbar zu trennen oder mit einem zwischengeschalteten (Vorlade-)Widerstand vorzusehen. Der zweite Gleichspannungsanschluss ist über den Gleichspannungswandler mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Mit anderen Worten hat die Ladeschaltung zwei Enden, die durch den ersten und den zweiten Gleichspannungswandler vorgesehen sind, wobei über die Vor-ZEntladeschaltung und den Gleichspannungswandler die beiden Gleichspannungsanschlüsse miteinander verbunden sind. Umfasst die Fahrzeugladeschaltung einen Gleichrichter, der dem ersten Gleichspannungsanschluss vorgeschaltet ist, dann bildet die Wechselstromseite des Gleichrichters ein erstes Ende und der zweite Gleichspannungsanschluss bildet ein zweites, entgegengesetztes Ende der Ladeschaltung.

Insbesondere sind der erste Gleichspannungsanschluss, die Vor-/Entladeschaltung, der Zwischenkreiskondensator und der Gleichspannungswandler, gefolgt von dem zweiten Gleichspannungsanschluss in dieser Reihenfolge hintereinander vorgesehen.

Die Vor-/Entladeschaltung hat mindestens einen ersten Umschalter. Der Umschalter ist eingerichtet, den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators entweder mit einem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses zu verbinden (um eine direkte Verbindung herzustellen) oder über einen Entladewiderstand und einen zweiten Umschalter mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators zu verbinden. Die erste Möglichkeit entspricht der ersten Stellung und die zweite Möglichkeit entspricht der zweiten Stellung. Die mögliche Verbindung des ersten Pols des Zwischenkreiskondensators über einen Entladewiderstand und einen zweiten Umschalter mit einem zweiten Pol kann zunächst über den Entladewiderstand und dann über den zweiten Umschalter führen, oder zunächst über den zweiten Umschalter und dann über den Entladewiderstand, bevor der zweite Pol des Zwischenkreiskondensators erreicht wird. Der erste Umschalter dient dazu, entweder durch die direkte Verbindung einen Leistungsfluss vom ersten Gleichspannungsanschluss zum Zwischenkreiskondensator beziehungsweise zum Gleichspannungswandler zu ermöglichen oder, in der anderen Schaltstellung, eine Vor- oder Entladefunktion zu realisieren (über den zweiten Umschalter).

Der zweite Umschalter verbindet den Entladewiderstand wahlweise mit dem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses oder mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators. Diese beiden Verbindungsmöglichkeiten können jeweils einzeln gewählt werden, jedoch nicht gleichzeitig. Der Zustand, in dem der zweite Umschalter den Entladewiderstand mit dem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses verbindet, entspricht einer ersten Schalterstellung (die auch als Vorladestellung bezeichnet werden kann). In dieser Schalterstellung wird über den Entladewiderstand vorgeladen, sodass die Bezeichnung Vorladewiderstand für diese Funktion ebenso zutreffend wäre. Die Bezeichnung als Entladewiderstand schränkt dessen Funktion nicht auf die reine Entladung ein, sondern bedeutet lediglich, dass der Widerstand zur Entladung verwendet werden kann. Wie erwähnt kann dieser Widerstand auch zum Vorladen verwendet werden, wobei die Bezeichnung Entladewiderstand dies nicht ausschließen soll. Anstatt „Entladewiderstand“ kann dieser auch als Strombegrenzungswiderstand bezeichnet werden. In der zweiten Schalterstellung des zweiten Umschalters verbindet dieser den Entladewiderstand mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators. Die zweite Schalterstellung kann als Entladestellung bezeichnet werden. Der zweite Pol des Zwischenkreiskondensators weist ein Potential auf, das dem zweiten Potential des Gleichspannungsanschlusses entspricht. Insbesondere verbindet der erste Umschalter nur in einer ersten Stromschiene, die das erste Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses mit dem ersten Pol des Zwischenkreiskondensators auf schaltbare Weise. Eine zweite Stromschiene der entgegengesetzten Polarität verbindet das zweite Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators, jedoch ohne Zwischenschaltung des ersten und/oder des zweiten Umschalters.

In der vorgenannten Verschaltung des zweiten Umschalters ist der Entladewiderstand dem ersten Umschalter nachgeschaltet, wobei der zweite Umschalter wiederum dem Entladewiderstand nachgeschaltet ist. Dies ermöglicht insbesondere die Verwendung ein- und desselben Widerstands zum Entladen und zum Vorladen, das heißt allgemein zur Spannungsbegrenzung (weshalb der betreffende Widerstand auch als Strom begrenzungswiderstand bezeichnet werden kann).

Eine weitere Möglichkeit sieht eine umgekehrte Reihenfolge des zweiten

Umschalters und des Entladewiderstands bezogen auf den ersten Umschalter vor. In dieser Variante ist dem ersten Umschalter direkt der zweite Umschalter nachgeschaltet, wobei der Entladewiderstand dem zweiten Umschalter nachgeschaltet ist. Es kann daher vorgesehen sein, dass der zweite Umschalter den ersten Umschalter wahlweise in einer ersten Schalterstellung über einen Vorladewiderstand mit dem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses verbindet und in einer zweiten Schalterstellung mit dem Entladewiderstand verbindet. In diesem Fall bestehen zwei verschiedene Widerstände, nämlich ein Vorladewiderstand und ein Entladewiderstand, die je nach Schalterstellung des zweiten Umschalters von dem zweiten Umschalter mit dem ersten Umschalter verbunden werden. Die Verwendung von zwei verschiedenen Widerstandselementen für die beiden Funktionen Entladen und Vorladen ermöglicht insbesondere eine passende Auslegung und hat auch Vorteile bei dem Thermomanagement, da ein Vorladeprozess den Entladewiderstand nicht erwärmt und umgekehrt.

Die Fahrzeugladeschaltung verfügt ferner über eine Ansteuerung (etwa eine Ansteuerschaltung), die eingerechnet ist, in einer ersten Entladephase den Gleichspannungswandler anzusteuern, die Spannung beziehungsweise Ladung des Zwischenkreiskondensators (teilweise) in Wärme umzuwandeln. Die erste Entladephase endet nicht mit der vollständigen Entladung des Zwischenkreiskondensators, sondern endet mit dem Beginn einer zweiten Ladephase. In dieser zweiten Ladephase steuert die Ansteuerung den ersten und den zweiten Umschalter um, jeweils die zweite Stellung einzunehmen. Mit anderen Worten steuert die Ansteuerung in der zweiten Entladephase den ersten Umschalter an, den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators mit dem zweiten Umschalter oder mit dem Entladewiderstand zu verbinden, und steuert den zweiten Umschalter an, eine Verbindung vom zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators über den Entladewiderstand zum ersten Umschalter herzustellen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass in der zweiten Entladephase der zweite Umschalter dem ersten Umschalter mit dem Entladewiderstand verbindet, der wiederum mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators verbunden ist, oder es kann vorgesehen sein, dass der Entladewiderstand über den zweiten Umschalter mit dem zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators verbunden wird. Anstatt des Begriffs „zweiter Pol des Zwischenkreiskondensators“ kann auch der Begriff „zweites Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses“ verwendet werden, da diese miteinander direkt verbunden sind und das gleiche Potential aufweisen.

Durch die Aufteilung in eine erste Entladephase, in der der Gleichrichter den Zwischenkreiskondensator entlädt und eine zweite Entladephase, in der die hier vorgestellte Entladeschaltung den Zwischenkreiskondensator passiv entlädt, sind auch bei hohen Energieinhalten des Zwischenkreiskondensators keine besonders hohen Leistungswerte für den Entladewiderstand erforderlich, da ein Teil der Energie des Zwischenkreiskondensators, vorzugsweise ein Großteil, von dem Gleichspannungswandler in Wärme umgewandelt wird. Wird beispielsweise die Steuerung des Gleichspannungswandlers von dessen Eingangsspannung gespeist, so kann ferner eine gesteuerte aktive Entladung mittels des Gleichspannungswandlers durchgeführt werden, ohne dass dieser in einen unsicheren Betrieb gerät, da ab einer gewissen Ladespannung des Zwischenkreiskondensators beim Entladen die passive Entladeschaltung übernimmt.

Der erste Umschalter, der zweite Umschalter oder beide Umschalter sind vorzugsweise eingerichtet, in einem ansteuerfreien Zustand die zweite Stellung einzunehmen. Fehlt somit das Ansteuersignal für den ersten Umschalter, so ist dieser eingerichtet, den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators von dem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses zu trennen (und dieses stattdessen mit dem zweiten Umschalter oder dem Entladewiderstand zu verbinden). Im ansteuerfreien Zustand sieht der zweite Umschalter vor, dass der erste Umschalter (direkt oder über den Entladewiderstand) mit dem zweiten Pol des Zwischenkreises verbunden ist, und insbesondere von dem ersten Potential des Gleichspannungsanschlusses getrennt ist.

Die Fahrzeugladeschaltung kann als Gleichstrom ladeschaltung ausgebildet sein. In diesem Fall ist der erste Gleichspannungsanschluss gleichrichterfrei mit einer Ladesteckbuchse verbunden (etwa einer Plug-In-Ladedose), oder bildet selbst eine derartige Ladedose. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Fahrzeugladeschaltung eine Wechselstrom-Ladeschaltung ist, etwa eine einphasige oder dreiphasige Ladeschaltung. In diesem Fall weist die Fahrzeugladeschaltung einen gesteuerten Gleichrichter oder einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC, Power Factor Correction) auf. Insbesondere weist die Fahrzeugladeschaltung einen gesteuerten Gleichrichter auf. Der Gleichrichter beziehungsweise der Leistungsfaktorkorrekturfilter weist eine Gleichstromseite auf, die (vorzugsweise wandlerfrei) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Der Gleichrichter beziehungsweise der Leistungsfaktorkorrekturfilter weist eine Wechselstromseite auf. Diese ist mit einem einphasigen oder dreiphasigen Wechselstromanschluss verbunden.

Der Gleichrichter kann einteilig ausgebildet sein oder auch zweiteilig ausgebildet sein. Der Gleichrichter kann zwei (oder mehr) gleichstromseitig seriell verbundene Gleichrichterschaltungen aufweisen. Die Gleichrichterschaltungen sind vorzugsweise identisch aufgebaut. Jede Gleichrichterschaltung hat gleichstromseitig einen positiven und einen negativen Anschluss. Der positive Anschluss einer ersten Gleichrichterschaltung ist mit dem negativen Anschluss der zweiten Gleichrichterschaltung verbunden, wodurch sich eine Reihenschaltung ergibt. Die beiden äußeren Anschlüsse, das heißt der positive Anschluss der zweiten Schaltung und der negative Anschluss der ersten Gleichrichterschaltung sind mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden beziehungsweise mit deren Potentiale. Mit anderen Worten sind die Gleichrichterschaltungen auf deren Gleichstromseite in Reihe verbunden, wobei die sich ergebende Reihenschaltung an den ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist.

Auch der Zwischenkreiskondensator ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, und umfasst somit zwei seriell miteinander verbundene Kondensatorelemente, wobei die sich ergebende Reihenschaltung an zwei verschiedene Potentiale des Zwischenkreises angeschlossen sind. Dies entspricht einem zweiteiligen Aufbau des Zwischenkreiskondensators, dessen erster und zweiter Pol gebildet wird von den äußeren Anschlüssen der beiden seriell verbundenen Kondensatorelementen. Der Zwischenkreiskondensator, der zwei serielle Kondensatorelemente aufweist, ist über den Gleichspannungswandler mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Insbesondere sind für jeden der Kondensatorelemente des Zwischenkreiskondensators (zwei oder mehr) die hier beschriebenen Vorbeziehungsweise Entladeschaltungen vorgesehen. Jede Vor- beziehungsweise Entladeschaltung umfasst hierbei den ersten und den zweiten Umschalter, einen Entladewiderstand und gegebenenfalls auch einen Vorladewiderstand. Hierbei sind die beiden Vor-/Entladeschaltungen spiegelbildlich bezogen auf den Verbindungspunkt der Reihenschaltungen aufgebaut. Die Reihenschaltungen betreffen hierbei die Reihenschaltungen der Gleichrichterschaltungen beziehungsweise der Kondensatorelemente des mehrteiligen Zwischenkreiskondensators. Bei Verwendung von mehreren verbundenen Gleichrichterschaltungen als Gleichrichter, das heißt bei mehrteiligen Gleichrichtern, kann für jede Gleichrichterschaltung ein Kondensatorelement vorgesehen werden. Dieses muss dann nur auf einen Bruchteil der Gesamtspannung des gesamten Zwischenkreiskondensators ausgelegt sein. Der Bruchteil ergibt sich durch den Kehrwert der Anzahl der Gleichrichterschaltungen, die seriell verbunden sind.

Der Gleichspannungswandler kann ein Resonanz-Gleichspannungswandler sein. Insbesondere ist der Gleichspannungswandler ein galvanisch nicht trennender Gleichspannungswandler. Ausführungsformen sehen vor, dass der Gleichspannungswandler einen Resonanzkreis und damit verbunden Schalter aufweist. Die Schalter sind beispielsweise in Form von zwei Halbbrücken miteinander verbunden, wobei die Halbbrücken jeweils zwei Transistoren aufweisen. Jede Halbbrücke ist mit den äußeren Enden mit den Polen des Zwischenkreiskondensators verbunden. Jede Halbbrücke hat einen Verbindungspunkt, wobei die Verbindungspunkte von zwei Halbbrücken verbunden sind über einen Resonanzkreis. Resonanzkreis weist beispielsweise einen Kondensator und eine Induktivität auf. Es ergibt sich ein Seriell-Resonanzkreis. Die Ansteuerung ist eingerichtet, in der ersten Entladephase den Gleichspannungswandler außerhalb der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises zu betreiben. Insbesondere liegt diese Betriebsfrequenz in der ersten Entladephase oberhalb der Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus den Induktivitäten des Resonanzkreises. Die Ansteuerung ist ferner eingerichtet, in der zweiten Entladephase den Gleichspannungswandler in einem inaktiven Zustand vorzusehen, das heißt in einem Zustand, in dem die Schalter offen sind. Die hier beschriebenen Schalter des Gleichspannungswandlers können auch als Arbeitsschalter bezeichnet werden.

Die Ansteuerung kann zudem eingerichtet sein, in einem Wandlerbetriebszustand die Schalter mit einem getakteten Signal getaktet zu öffnen und zu schließen, wobei die Frequenz dieses Signals im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises entspricht. Es ergibt sich eine Spannungswandlung, wobei der Resonanzkreis mit der Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Fahrzeugladeschaltung kann einen Wandleranschluss aufweisen, der mit den Verbindungspunkten der Halbbrücken verbunden ist beziehungsweise mit den Enden des Resonanzkreises. Dort erzeugt der Wandler eine Spannung in Wandlerzustand, die gespeist wird von der Spannung über den Zwischenkreiskondensator.

Die Schalter beziehungsweise Arbeitsschalter des Gleichspannungswandlers bilden zwei Halbbrücken mit jeweils einem Verbindungspunkt. Die Halbbrücken sind (parallel) an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen. Die Verbindungspunkte, die zwei Pole des zweiten Gleichspannungsanschlusses bilden, sind über den Resonanzkreis miteinander verbunden. Die Verbindungspunkte sind Wechselspannungspotentiale innerhalb des Wandlers und sind vorzugsweise über eine Wandler-Gleichrichterschaltung (gesteuert oder ungesteuert) mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Der zweite Gleichspannungsanschluss ist über den Gleichspannungswandler mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden. Dieser ist wiederum über die mindestens eine Vor-/Entladeschaltung mit dem Gleichrichter beziehungsweise mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden.

Der Gleichspannungswandler verfügt über eine Wandler-Gleichrichterschaltung, deren Gleichstromseite mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden ist, und dessen Wechselstromseite mit dem Resonanzkreis beziehungsweise den Verbindungspunkten des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Die Ansteuerung ist vorzugsweise eingerichtet, vor der ersten Entladephase eine Trenneinrichtung und/oder eine dem ersten Gleichspannungsanschluss vorgeschaltete steuerbare Gleichrichterschaltung in offener Schaltstellung anzusteuern. Die erste wie die zweite Entladephase werden vorzugsweise ausgeführt, während die Ansteuerung diese offene Schaltstellung ansteuert. Bei offener Schaltstellung ist der erste Gleichspannungsanschluss von einer Stromquelle getrennt, etwa eine Ladestromquelle, von der der erste Gleichspannungsanschluss beim Laden gespeist wird. In einem aktiven Wandlerzustand ist die die Trenneinrichtung geschlossen und die Gleichrichterschaltung wird getaktet angesteuert. In der ersten und in der zweiten Ladephase steuert die Ansteuerung die Gleichrichterschaltung mit einer durchgehenden offenen Schaltstellung an, während ein getakteter Betrieb in einer Wandlerphase beziehungsweise Ladephase vorgesehen ist.

Die Ansteuerung ist eingerichtet, von der ersten Entladephase in die zweite Entladephase zu wechseln, wenn die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Alternativ oder in Kombination hiermit ist die Ansteuerung eingerichtet, von der ersten Entladephase in die zweite Entladephase zu wechseln, wenn der Zwischenkreiskondensator nur noch einen vorgegebenen Bruchteil der maximal möglichen, nominellen oder ursprünglich bestehenden Ladung in den Zwischenkreiskondensator vorgesehen ist. Die Ansteuerung kann eingerichtet sein, die erste Entladephase für eine vorgegebene Zeitdauer auszuführen (und dann in die zweite Entladephase zu wechseln). Durch diese Zeitdauer unter Berücksichtigung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators und gegebenenfalls der Betriebsspannung (d.h. der ursprünglichen Betriebsspannung) des Zwischenkreiskondensators ergibt sich nach der vordefinierten Entladedauer in der ersten Entladephase eine verringerte Spannung am Zwischenkreiskondensator.

Die Ansteuerung kann eine Messeinrichtung aufweisen oder mit einer derartigen Messeinrichtung verbunden sein, die die Spannung über den Zwischenkreiskondensator erfasst, und die ermittelt, wenn ein vorgegebener Grenzwert unterschritten wird. Alternativ kann die Ansteuerung die Funktion aufweisen, die gemessene Spannung am Zwischenkreiskondensator mit dem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen. In beiden Fällen wechselt die Ansteuerung von der ersten in die zweite Ladephase, wenn der Grenzwert unterschritten wird. Der Grenzwert kann beispielsweise 50 Prozent, 15 Prozent oder fünf Prozent einer Nominalspannung am Zwischenkreiskondensator entsprechen, beispielsweise einer Nominalspannung von 800, 400 oder 600 Volt. Der Grenzwert kann beispielsweise größer als 60 Volt sein, insbesondere größer als 100 oder 200 Volt, und/oder vorzugsweise kleiner als 200 Volt, 100 Volt, 80 Volt oder 60 Volt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ansteuerung eingerichtet, in einer ersten Entladephase den ersten Umschalter in der zweiten Stellung anzusteuern, und den zweiten Umschalter in der ersten Stellung anzusteuern. Die Ansteuerung ist eingerichtet, in der ersten Entladephase den ersten Umschalter anzusteuern, den ersten Pol des Zwischenkreiskondensators (über einen Widerstand bzw. den Entladewiderstand zwischen den Umschaltern oder direkt) mit dem zweiten Umschalter zu verbinden. Die Ansteuerung ist eingerichtet, in der ersten Entladephase den zweiten Umschalter anzusteuern, den ersten Umschalter (über den genannten Widerstand oder über eine Direktverbindung zwischen den Umschaltern) mit dem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses zu verbinden. Dem ersten Gleichspannungsanschluss kann eine Diode vorgeschaltet sein oder ein Trennschalter, wobei die Steuerung vorzugsweise eingerichtet ist, den Trennschalter in der ersten (und vorzugsweise auch im zweiten) Entladephase in offenem Zustand vorzusehen. Dem ersten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses kann eine erste Diode vorgeschaltet sein und dem zweiten Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses kann eine zweite Diode vorgeschaltet sein. Deren Durchlassrichtung ist derart vorgesehen, dass ein Stromfluss vom ersten Gleichspannungsanschluss zum zweiten Gleichspannungsanschluss ermöglicht wird und in umgekehrter Richtung der Stromfluss gesperrt ist. Dem ersten Gleichspannungsanschlusses kann auch ein allpoliger Trennschalter vorgeschaltet sein, der von der Steuerung in den Entladephasen vorzugsweise allpolig geöffnet ist. Es kann ein Gleichspannungs-Zuführungsanschluss vorgesehen sein, der über die mindestens eine Diode oder über den (ein- oder allpoligen) Trennschalter mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Die mindestens eine Diode bzw. der mindestens eine Trennschalter dienen während der Entladephasen der Unterdrückung eines Stromflusses von einer externen Spannungsquelle (Ladestromquelle) in die Entladeschaltung hinein bzw. dienen zur Unterdrückung eines Stromflusses von dem Zwischenkreiskondensator bzw. eines Stromflusses über die Entladeschaltung an einen externen Ladeanschluss, um so dort gefährliche Berührspannungen zu unterdrücken. Ist dem ersten Gleichspannungsanschluss ein Gleichrichter vorgeschaltet, können die mindestens eine Diode bzw. der mindestens eine Trennschalter obsolet sein, da der Gleichrichter die Abtrennung der Entladeschaltung bzw. des Zwischenkreiskondensators gegenüber einem externen Anschluss realisieren kann.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen Ausführungsformen der hier beschriebenen Fahrzeugladeschaltungen und dienen zur Erläuterung von verschiedenen Ausführungsformen beziehungsweise Funktionen der Schaltung.

Die Figur 1 zeigt eine Fahrzeugladeschaltung mit einem Gleichrichter GR, dessen Wechselstromseite mit den Wechselstromanschlüssen L und N verbunden ist. N kann der Neutralleiteranschluss sein und L der Phasenanschluss. Der Gleichrichter ist insbesondere ein gesteuerter Gleichrichter. Als Gleichrichter werden hierin alle Schaltungen bezeichnet, die in der Lage sind, eine Wechselspannung gleichzurichten. Der Gleichrichter ist vorzugsweise ein Leistungsfaktorkorrekturfilter (das heißt eine Schaltung mit gleichrichtender und gleichspannungswandelnder Funktion). Die Gleichspannungsseite des Gleichrichters bildet den ersten Gleichspannungsanschluss +, -. Ein Zwischenkondensator C (in Figur 2 Komponente C1 ) ist über einen ersten Umschalter S1 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden. Insbesondere verbindet der erste Gleichrichter den positiven Pol U+ des Zwischenkreiskondensators C, C1 mit dem positiven Potential + des ersten Gleichspannungsanschlusses. Das negative Potential des ersten Gleichspannungsanschlusses - ist direkt, das heißt ohne über einen Umschalter, mit dem negativen Pol U- des Zwischenkreiskondensator C, C1 verbunden.

Es schließt sich an den Zwischenkreiskondensator ein Gleichspannungswandler W an, der vier Transistoren T1 bis T4 aufweist. Diese sind in zwei Halbbrücken miteinander verschaltet, sodass die Transistoren T1 , T2 eine erste Halbbrücke bilden und die Kondensatoren T3 und T4 eine zweite Halbbrücke des Gleichspannungswandlers W. Ein Resonanzkreis mit der Induktivität L und dem Kondensator C bilden einen seriellen Resonanzkreis. Es ist symbolisch dargestellt, dass ein zweiter Gleichspannungsanschluss V1 , V2 mit dem Resonanzkreis verbunden ist. Hierbei ist der Resonanzkreis CR, L über eine Wandler-Gleichrichterschaltung mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss V1 , V2 verbunden (dies ist nur symbolhaft dargestellt). Die Wandler-Gleichrichterschaltung kann eine gesteuerte oder ungesteuerte Gleichrichterschaltung sein, vorzugsweise eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung.

Schließlich ist eine Ansteuerung ST vorgesehen, die sowohl die Umschalter der Vor-/Entladeschaltung E1 , E2 und direkt oder indirekt die Transistoren T1 bis T4 des Gleichspannungswandlers W ansteuert. Das vorangehend zu Figur 1 Genannte gilt auch für die Figur 2. Im Folgenden sind die unterschiedlichen Ausprägungen der Vor-/Entladeschaltung E1 , E2 der Figuren 1 und 2 dargestellt.

In der Figur 2 ist ein zweiter Umschalter S2 vorgesehen, der dem Umschalter S1 nachgeschaltet ist. Der Umschalter S1 verbindet wahlweise entweder den positiven Pol U+ des Zwischenkreiskondensators C, mit dem positiven Pol des ersten Gleichspannungsanschlusses +, siehe Schalterstellung NO oder direkt mit dem zweiten Umschalter S2, siehe Schalterstellung NC. Im Gegensatz hierzu verbindet der Umschalter S1 der Figur 2 den positiven Pol U+ des Zwischenkreiskondensators C1 nicht direkt mit einem Umschalter, sondern mit einem Entladewiderstand PTC (allgemein: Strombegrenzungswiderstand PTC), der zu dem zweiten Umschalter S2 der Figur 2 führt. In der Figur 2 verbindet dann der zweite Umschalter S2 den Widerstand PTC entweder mit dem positiven Potential + des ersten Gleichspannungsanschlusses, siehe Schalterstellung NO, oder mit dem negativen Pol U- des Zwischenkreiskondensators C1 , siehe Schalterstellung NC. In der letztgenannten Schalterstellung verbindet der zweite Umschalter S2 den Widerstand PTC mit dem negativen Potential - des ersten Gleichspannungsanschlusses.

In der Figur 2 kann so in der Schalterstellung NO des Umschalters S2 eine Vorladung vorgesehen werden über den Widerstand PTC, entsprechend dem Stromfluss g, der über den ersten Umschalter S1 führt, der in der Schaltung NC ist. Befindet sich der Umschalter S1 in der Schalterstellung NC und der Umschalter S2 in der Schalterstellung NC, dann ergibt sich eine Parallelschaltung des Widerstands PTC zum Zwischenkreiskondensator C1 , um so eine Entladung gemäß dem Strompfad r auszuführen.

In der Figur 1 ist der Umschalter S2 direkt dem Umschalter S1 nachgeschaltet. Ist der Umschalter S1 in der Schalterstellung NC und der Umschalter S2 in der Schalterstellung NO ergibt sich eine Vorladeschaltung über den Widerstand PTC1 gemäß dem Strompfad g der Figur 1 . Befindet sich der Umschalter S1 in der Schalterstellung NC, jedoch der Umschalter S2 ebenso in der Schalterstellung NC, dann ergibt sich eine Entladefunktion über den Widerstand PTC2 gemäß dem Strompfad r der Figur 1 . Damit ist der Widerstand PTC1 ein Vorladewiderstand und führt insbesondere nur diese Funktion aus, während der Widerstand PTC2 ein Entladewiderstand ist, und insbesondere nur diese Funktion ausführen kann. In der Figur 2 hat jedoch der Widerstand PTC beide Funktionen und kann somit als Entlade- und Vorladewiderstand (alternativ: Strombegrenzungswiderstand) bezeichnet werden. Die Schalterstellung NO kann als erste Schalterstellung bezeichnet werden. Die Schalterstellung NC kann als zweite Schalterstellung bezeichnet werden. Ist der erste Umschalter in der ersten Schalterstellung NO, dann verbindet die jeweilige Vor-/Entladeschaltung E1 , E2 den ersten Gleichspannungsanschluss (das heißt dessen positives Potential) direkt mit dem positiven Potential U+ des Zwischenkreiskondensators C, C1 . Dies gilt für die Figuren 1 und 2. Befindet sich der erste Umschalter S1 in der zweiten Schalterstellung NC, dann kann durch den zweiten Umschalter S1 gewählt werden, ob eine Entladefunktion oder eine Vorladefunktion ausgeführt werden soll. Insbesondere in der Schalterstellung NC ergibt sich eine Verbindung über den Widerstand PTC2 und S1 beziehungsweise den Widerstand PTC und S2 (Figur 2), die den ersten Umschalter mit dem Potential - des ersten Gleichspannungsanschlusses verbindet beziehungsweise mit dem negativen Pol U- des Zwischenkreiskondensators C. Die Reihenfolge des Entladewiderstands und des zweiten Umschalters sind in Figur 1 und Figur 2 unterschiedlich. Befindet sich der zweite Umschalter S2 in der Schalterstellung NO, dann ergibt sich eine Verbindung über den zweiten Umschalter und den Entladewiderstand PTC1 beziehungsweise den Widerstand PTC, die den ersten Umschalter S1 mit dem positiven Potential + des ersten Gleichspannungsanschlusses verbindet.

Die Figur 3 zeigt einen Gleichrichter GR, der zweiteilig ausgeführt ist, wobei dadurch die Gleichspannungsseite ein positives Potential, ein negatives Potential und ein Zwischenpotential 0 aufweist. Das Zwischenpotential 0 ergibt sich durch die serielle Verbindung der Gleichrichterschaltungen des Gleichrichters GR. Es ist zu erkennen, dass in der positiven Spannungsschiene ein Vor-/Entladeschaltkreis E vorgesehen ist, bei dem der erste Umschalter das positive Potential + des ersten Gleichspannungsanschlusses mit dem positiven Pol U+ des Zwischenkreiskondensators C2 schaltbar verbindet. Gespiegelt hierzu sieht die Entladeschaltung E‘ vor, dass der dort vorhandene erste Umschalter das negative Potential - des ersten Gleichspannungsanschlusses mit dem negativen Pol U- des Zwischenkreiskondensators schaltbar verbindet. Es schließen sich in den Schaltungen E und E‘ jeweils an die ersten Umschalter die zweiten Umschalter an, entweder direkt (siehe Figur 1 ), oder über einen Widerstand (siehe Figur 2). Das Zwischenpotential 0 des mehrteiligen Gleichrichters GR bildet für den Aufbau der Schaltungen E, E‘ das Potential, das in der Figur 1 und 2 durch das Potential - dargestellt wird. Somit ist die Entladeschaltung E‘ vertikal gespiegelt, d.h. ist zu Potential 0 gespiegelt und gegenüber der Schaltung E vorgesehen. In der Figur 3 schließen sich zwei Kondensatorelemente C2 an, die in Reihe geschaltet sind, die zusammen den Zwischenkreiskondensator bilden. Der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatorelementen C2 ist mit dem Zwischenpotential 0 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatorelementen C2 der Figur 3 ist insbesondere mit einem Entladewiderstand verbunden, der zum zweiten Umschalter führt, oder ist mit dem zweiten Umschalter verbunden, der über den Entlade- beziehungsweise Vorladewiderstand zu dem ersten Umschalter führt, entsprechend der Figuren 1 und 2 in gespiegelter Weise. In die Figur 3 ist ferner ein Wandler W vorgesehen, der wie die Wandler W der Figuren 1 und 2 aufgebaut ist.

Für alle dargestellten Ausführungsformen gilt, dass die Steuerung ST sowohl die beiden Umschalter S1 , S2 als auch den Wandler W ansteuert, um so vorzusehen, dass in einer ersten Entladephase, die vor der zweiten Entladephase stattfindet, der Wandler W getaktet mit einer Frequenz angesteuert wird, die über der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises CR, L liegt, insbesondere mit einer Frequenz, die mehr als das Doppelte der Resonanzfrequenz beträgt. In der ersten Entladephase steuert die Ansteuerung ST den ersten Umschalter S1 gemäß der Schalterstellung NO oder gemäß der Schalterstellung NC an. Eventuell vorgesehen Trennschalter, die dem Gleichrichter vor- oder nachgeschaltet sein können, sind hierbei offen. Die Steuerung schaltet in die zweite Entladephase um, in der der Schalter S1 die Schalterstellung NC hat, wobei dies auch für den Umschalter S2 gilt. In der zweiten Entladephase wird der Wandler vorzugsweise mit offenen Schaltern (durchgehend offenen Schaltern) T1 bis T4 angesteuert.

In der ersten Entladephase ist der erste Umschalter S1 vorzugsweise in der Stellung NC. Der zweite Umschalter S2 ist in der ersten Entladephase vorzugsweise in der Stellung NO. Dadurch ist der Entladewiderstand nicht in dem Stromkreis, in dem der Entladestrom fließt.

In der zweiten Entladephase ist der erste Umschalter S1 vorzugsweise in der Stellung NC. Der zweite Umschalter S2 ist in der zweiten Entladephase vorzugsweise in der Stellung NC. Dadurch ergibt sich ein Stromkreis, in dem der Entladestrom durch den Entladewiderstand fließt.

Den Potentialen +, - kann eine Diode (oder für jedes Potential eine Diode) vorgeschaltet sein, die eingerichtet ist, während des Entladens einen Stromfluss in die Entladeschaltung E, E‘, E1 , E2 zu unterbinden. Die Diode kann dem ersten Potential + vorgeschaltet sein mit einer Durchflussrichtung, die zum Zwischenkreiskondensator / zur Entladeschaltung zeigt, und/oder kann dem zweiten Potential - vorgeschaltet sein mit einer Durchflussrichtung, vom Zwischenkreiskondensator / zur Entladeschaltung weg zeigt.

In den Entladephasen ist die Entladeschaltung getrennt von einer externen Ladespannungsquelle bzw. einem Anschluss hierfür, wobei diese Trennung realisiert ist durch einen Gleichrichter GR (und ggf. einer zugehörigen Steuerung) und/oder durch mindestens eine Diode oder mindestens einen Trennschalter, die bzw. der dem ersten Gleichspannungsanschluss vorgeschaltet ist.

In einer Rückspeise- oder Batterieaufladephase ist der ersten Umschalter vorzugsweise in der Stellung NO. Dadurch kann Strom vom ersten zum zweiten Gleichspannungsanschluss fließen, ohne dass dieser durch einen der Widerstände PTC1 , PTC2 oder PCT geführt wird.