DE102010063126A1 - Device for charging high volt battery of motor vehicle e.g. electric vehicle, has monitoring device monitoring hazardous condition of device, and separating and/or discharge device transmitting control signal based on hazardous condition - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer Fahrzeughochvoltbatterie nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, wie aus der
Technischer HintergrundTechnical background
In der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge spielt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs eine immer wichtigere Rolle. Eine Maßnahme, um den Verbrauch eines Kraftfahrzeugs zu senken, ist es, den Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antrieb in einem Hybridfahrzeug zu kombinieren. Der elektrische Antrieb in Hybridfahrzeugen besteht üblicherweise aus einem Elektroantrieb, welcher auch als Generator betrieben werden kann, einem Hochvoltenergiespeicher, aus welchem der Elektroantrieb versorgt wird und aus einer Steuerelektronik.In the development of modern motor vehicles, a reduction of the fuel consumption of the motor vehicle plays an increasingly important role. One measure to reduce the consumption of a motor vehicle is to combine the internal combustion engine with an electric drive in a hybrid vehicle. The electric drive in hybrid vehicles usually consists of an electric drive, which can also be operated as a generator, a high-voltage energy storage, from which the electric drive is supplied and an electronic control system.
Man unterscheidet drei wesentliche Arten von Hybridfahrzeugen. In einem sogenannten Mildhybrid unterstützt der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor hauptsächlich zur Leistungssteigerung und die Bremsenergie kann teilweise wiedergewonnen werden. Als elektromotorische Leistungen werden etwa 6–14 kW angegeben.There are three main types of hybrid vehicles. In a so-called mild hybrid, the electric drive mainly supports the combustion engine to increase performance and the braking energy can be partially recovered. As electromotive powers about 6-14 kW are given.
Die sogenannten Vollhybridfahrzeuge sind mit einer elektromotorischen Leistung von mehr als 20 kW in der Lage, auch rein elektromotorisch zu fahren.The so-called full hybrid vehicles with an electromotive power of more than 20 kW are able to drive purely by electric motor.
Bei den bisher genannten Hybrid-Varianten werden die Hochvoltenergiespeicher durch eine Energierückgewinnung, mit Hilfe des als Generator betriebenen Elektroantriebs geladen. Ein Aufladen der Hochvoltenergiespeicher über eine externe Energiequelle ist nicht vorgesehen.In the hybrid variants mentioned so far, the high-voltage energy storage devices are charged by means of energy recovery using the electric drive operated as a generator. Charging the high-voltage energy storage via an external power source is not provided.
Zur weiteren Senkung des Kraftstoffverbrauchs bieten die sogenannten Plug-In-Hybride die Möglichkeit den Hochvoltenergiespeicher über eine externe Energiequelle zu laden. Dabei kann die externe Energiequelle das öffentliche Stromversorgungsnetz, eine Solar- und/oder Windanlage oder dergleichen sein.To further reduce fuel consumption, the so-called plug-in hybrids offer the possibility of charging the high-voltage energy storage via an external energy source. In this case, the external energy source may be the public power grid, a solar and / or wind turbine or the like.
Eine Alternative zu Kraftfahrzeugen mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren stellen Elektrofahrzeuge dar. Im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen verfügen Elektrofahrzeuge nicht über einen Verbrennungsmotor, welcher das Kraftfahrzeug antreiben kann. Daher ist bei diesen Kraftfahrzeugen eine Aufladung der Hochvoltenergiespeicher über eine externe Energiequelle notwendig. Der Hochvoltenergiespeicher ist heute üblicherweise als Fahrzeughochvoltbatterie ausgebildet.An alternative to vehicles with conventional internal combustion engines are electric vehicles. Unlike hybrid vehicles, electric vehicles do not have an internal combustion engine that can drive the motor vehicle. Therefore, in these vehicles charging the high-voltage energy storage via an external power source is necessary. The high-voltage energy storage is usually designed today as a vehicle high-voltage battery.
Zum Aufladen der Fahrzeughochvoltbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs über zum Beispiel ein öffentliches Stromnetz ist eine Ladevorrichtung notwendig.To charge the vehicle high-voltage battery of a hybrid or electric vehicle via, for example, a public power grid, a charging device is necessary.
Die Ladevorrichtung verbindet einen Zwischenkreis des Fahrzeugs, an den die Hochvoltverbraucher des Fahrzeugs und die Hochvoltbatterie des Fahrzeugs angeschlossen sind, mit dem Versorgungsnetz über welches das Fahrzeug geladen werden soll.The charging device connects an intermediate circuit of the vehicle, to which the high-voltage consumers of the vehicle and the high-voltage battery of the vehicle are connected, to the supply network via which the vehicle is to be charged.
Bekannte Ladevorrichtungen für Fahrzeughochvoltbatterien bestehen meist aus einem Gleichrichter mit Netzfilter, einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC, Power-Factor-Correction) sowie einer Potentialtrennungsvorrichtung. In Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen wird bei Deaktivierung des Fahrzeugs, Abtrennen eines Steckers der Hochvoltverkabelung des Fahrzeugs oder Öffnen eines Deckels der Ladevorrichtung der Zwischenkreis abgeschaltet und entladen. Die Ladevorrichtung sowie die zwischen der Ladevorrichtung und dem Versorgungsnetz liegenden Komponenten des Fahrzeugs bleiben weiterhin über das Versorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgt.Known charging devices for vehicle high-voltage batteries usually consist of a rectifier with line filter, a power factor correction circuit (PFC, Power Factor Correction) and a potential separation device. In electric and / or hybrid vehicles, the DC link is switched off and discharged when the vehicle is deactivated, disconnecting a plug of the high-voltage cabling of the vehicle or opening a lid of the charging device. The charging device and the components of the vehicle lying between the charging device and the supply network continue to be supplied with electrical energy via the supply network.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß Anspruch 1 eine Ladevorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einer schaltbaren Trennvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, alle stromführenden Leiter eines Ladekabels, welches die Ladevorrichtung mit einem Versorgungsnetz koppelt, zu öffnen und/oder zu schließen, mit einer Entladevorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Kapazität zu entladen, wobei die Kapazität in dem Bereich zwischen der Trennvorrichtung und einer Potentialtrennungsvorrichtung der Ladevorrichtung ausgebildet ist und mit einer Überwachungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Ladevorrichtung auf einen Gefahrenzustand zu überwachen, welcher die Gefahr eines Stromschlags hervorruft, und der Trennvorrichtung und/oder der Entladevorrichtung in Abhängigkeit des Gefahrenzustands jeweils ein Steuersignal zu übermitteln.The present invention provides according to
Weiterhin schafft die Erfindung gemäß Anspruch 9 ein Ladeverfahren, inbesondere zum Laden einer Fahrzeughochvoltbatterie mit einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung mit den Schritten: Überwachen der Ladevorrichtung auf einen Gefahrenzustand, welcher die Gefahr eines Stromschlags hervorruft, Übermitteln eines Steuersignals zum Öffnen an eine Trennvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, alle stromführenden Leiter des Ladekabels, welches die Ladevorrichtung mit einem Versorgungsnetz koppelt, zu öffnen und/oder zu schließen, falls der Gefahrenzustand erkannt wurde und Öffnen der Trennvorrichtung, falls der Trennvorrichtung ein Steuersignal zum Öffnen übermittelt wurde.Furthermore, the invention according to
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Öffnen eines Deckels der Ladevorrichtung oder anderweitige Eingriffe in die Hochvoltverkabelung eines Fahrzeugs die Gefahr eines Stromschlags für Personen, aber auch elektrische Fahrzeugkomponenten, hervorrufen können und ein Deaktivieren und Entladen des Zwischenkreises des Fahrzeugs keinen ausreichenden Schutz vor einem Stromschlag darstellt, da die Ladevorrichtung selbst weiterhin mit dem Versorgungsnetz verbunden ist und nicht entladen wird.The realization of the present invention is that the opening of a lid of the charging device or other interference with the high-voltage cabling of a vehicle can cause the risk of electric shock to persons, but also electrical vehicle components, and disabling and discharging the DC bus of the vehicle is not sufficient protection represents an electric shock, since the charging device itself is still connected to the supply network and is not discharged.
Die Idee der Erfindung besteht nun darin, die Ladevorrichtung und die Hochvoltverkabelung des Fahrzeugs auf das Vorhandensein eines Gefahrenzustands, welcher einen Stromschlag hervorrufen kann, zu überwachen. Wird ein solcher Gefahrenzustand erkannt, wird die Ladevorrichtung des Fahrzeugs von der elektrischen Versorgung getrennt.The idea of the invention is now to monitor the charging device and the high-voltage wiring of the vehicle for the presence of a dangerous condition, which may cause an electric shock. If such a dangerous condition is detected, the charging device of the vehicle is disconnected from the electrical supply.
Die elektrischen Komponenten der Ladevorrichtung weisen eine Kapazität auf, welche nach einem Verbinden der Ladevorrichtung mit einem Versorgungsnetz elektrisch geladen ist. Auch wenn die Ladevorrichtung von dem Versorgungsnetz getrennt wird, bleibt die elektrische Ladung dieser Kapazität weiterhin erhalten. Daher wird zusätzlich zu dem Trennen der Ladevorrichtung von dem Versorgungsnetz eine Entladevorrichtung aktiviert, welche die elektrische Ladung der Kapazität entlädt. Damit ist das Öffnen und Berühren von Komponenten der Ladevorrichtung gefahrlos möglich.The electrical components of the charging device have a capacity which is electrically charged after connecting the charging device to a supply network. Even if the charging device is disconnected from the supply network, the electrical charge of this capacity is maintained. Therefore, in addition to disconnecting the charging device from the supply network, a discharger is activated which discharges the electrical charge of the capacitor. This is the opening and touching of components of the charger safely possible.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.Advantageous embodiments and further developments will become apparent from the other dependent claims and from the description with reference to the figures of the drawing.
In einer Ausführungsform weist die Trennvorrichtung mindestens einen zweipoligen Wechselstromschütz zum Trennen der Ladevorrichtung von dem Versorgungsnetz auf. Wird ein Wechselstromschütz geöffnet, fließt durch diesen kein Reststrom. Durch den Einsatz eines Wechselstromschützes ist daher sichergestellt, dass die Ladevorrichtung vollständig von dem Versorgungsnetz getrennt wird.In one embodiment, the disconnect device includes at least one two-pole AC contactor for disconnecting the charging device from the utility grid. If an AC contactor is opened, no residual current flows through it. The use of an AC contactor therefore ensures that the charging device is completely disconnected from the supply network.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Trennvorrichtung als Komponente eines RCD-Schutzschalters in dem Stecker eines Ladekabels, welches die Ladevorrichtung mit einem Versorgungsnetz koppelt, und/oder als separate Einheit in dem Ladekabel und/oder als eine an den Hochvolteingang des Fahrzeugs gekoppelte Trennvorrichtung vorgesehen. Wird die Trennvorrichtung an unterschiedlichen Stellen zwischen dem Versorgungsnetz und der Kapazität der Ladevorrichtung vorgesehen, so ist eine flexible Anpassung der Ladevorrichtung an unterschiedliche Gegebenheiten möglich. Sieht ein Steckerkonzept zum Beispiel keinen RCD-Schutzschalter in dem Stecker eines Ladekabels vor, so kann eine der beiden weiteren Varianten zur Unterbringung der Trennvorrichtung gewählt werden.In a further embodiment, the separation device is provided as a component of an RCD circuit breaker in the plug of a charging cable which couples the charging device to a supply network and / or as a separate unit in the charging cable and / or as a disconnecting device coupled to the high-voltage input of the vehicle. If the separation device is provided at different points between the supply network and the capacity of the charging device, a flexible adaptation of the charging device to different conditions is possible. If, for example, a connector concept does not include an RCD circuit breaker in the plug of a charging cable, then one of the other two variants can be selected to accommodate the disconnecting device.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Entladevorrichtung als ein Entladewiderstand ausgebildet und/oder ist die Entladevorrichtung als Bestandteil einer Schnellentladung eines Fahrzeugzwischenkreises ausgebildet, wobei die Kapazität in den Fahrzeugzwischenkreis entladen wird, und/oder ist die Entladevorrichtung als Bestandteil einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung der Ladevorrichtung ausgebildet. Verschiedene Möglichkeiten vorzusehen, um die Entladevorrichtung auszugestalten, erhöht die Flexibilität der Ladevorrichtung und vereinfacht die Integration der Ladevorrichtung in vorhandene Fahrzeugsysteme. Die Nutzung eines Entladewiderstands stellt eine einfache und günstig einzusetzende Variante einer Entladevorrichtung dar.In a further embodiment, the discharge device is designed as a discharge resistor and / or the discharge device is formed as part of a rapid discharge of a vehicle intermediate circuit, wherein the capacity is discharged into the vehicle intermediate circuit, and / or the discharge device is formed as part of a power factor correction circuit of the charging device. Providing various ways to design the unloader increases the flexibility of the loader and simplifies integration of the loader into existing vehicle systems. The use of a discharge resistor represents a simple and inexpensive variant of a discharge device.
Ist in einem Fahrzeug bereits ein Fahrzeugzwischenkreis vorhanden, welcher die Ladevorrichtung mit den elektronischen Komponenten und der Hochvoltbatterie des Fahrzeugs verbindet, so kann eine in diesem Fahrzeugzwischenkreis vorhandene Schnellentladung genutzt werden um die Kapazität, welche in dem Bereich zwischen der Trennvorrichtung und einer Potentialtrennungsvorrichtung der Ladevorrichtung ausgebildet ist, zu entladen. Eine weitere Möglichkeite ist es, eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung dazu zu benutzen, die Kapazität zu entladen. Dazu wird die Leistungsfaktorkorrekturschaltung derart angesteuert, dass in der Leistungsfaktorkorrekturschaltung und in der Potentialtrennungsvorrichtung elektrische Verluste entstehen, welche die Kapazität entladen. Falls der Fahrzeugzwischenkreis des Fahrzeugs noch integer ist, kann die Energie der Kapazitäten über die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und die Potentialtrennungsvorrichtung in den Fahrzeugzwischenkreis übertragen werden.If a vehicle intermediate circuit is already present in a vehicle, which connects the charging device to the electronic components and the high-voltage battery of the vehicle, a rapid discharge present in this vehicle intermediate circuit can be used by the capacitance which is formed in the region between the disconnecting device and an electrical isolation device of the charging device is to unload. Another possibility is to use a power factor correction circuit to discharge the capacitance. For this purpose, the power factor correction circuit is controlled such that electrical losses occur in the power factor correction circuit and in the potential separation device, which discharge the capacitance. If the vehicle intermediate circuit of the vehicle is still integer, the energy of the capacity can be transmitted via the power factor correction circuit and the potential separation device in the vehicle intermediate circuit.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Gefahrenzustand ein Öffnen eines Deckels der Ladevorrichtung, ein Ausstecken eines Hochvoltsteckers einer Fahrzeugverkabelung. an der Ladevorrichtung, ein Unterschreiten eines Mindestisolationswiderstand und/oder einen Unfall auf. Werden alle möglichen Ursachen, welche die Gefahr eines Stromschlags hervorrufen können, überwacht, so ist ein sicherers Erkennen einer Gefahrensituation im Fahrzeug möglich.In a further embodiment, the dangerous state comprises opening a lid of the charging device, unplugging a high-voltage plug of a vehicle cabling. on the charging device, falls below a minimum insulation resistance and / or an accident. If all possible causes, which can cause the risk of electric shock, are monitored, a safe detection of a dangerous situation in the vehicle is possible.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet, der Trennvorrichtung bei Vorhandensein eines Gefahrenzustands ein Steuersignal zum Öffnen zu übermitteln. Reagiert die Überwachungsvorrichtung bei Erkennen eines Gefahrenzustands, indem sie der Trennvorrichtung ein Steuersignal zum Öffnen übermittelt, so ist ein sicheres und rechtzeitiges Trennen der Ladevorrichtung und der Hochvoltverkabelung des Fahrzeugs von dem Versorgungsnetz gewährleistet.In a further embodiment, the monitoring device is designed to be Disconnecting device in the presence of a dangerous condition to transmit a control signal to open. If the monitoring device responds to a dangerous condition by transmitting a control signal to the disconnecting device for opening, safe and timely disconnection of the charging device and the high-voltage cabling of the vehicle from the supply network is ensured.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet, der Entladevorrichtung bei Vorhandensein eines Gefahrenzustands ein Steuersignal zum Entladen der Kapazität zu übermitteln. Wird bei Vorhandensein eines Gefahrenzustands nicht nur die Trennvorrichtung geöffnet, sondern auch die Kapazität, welche sich in dem Bereich zwischen der Trennvorrichtung und einer Potentialtrennungsvorrichtung der Ladevorrichtung ausbildet, entladen, wird die Gefahr eines Stromschlags schnellstmöglich beseitigt.In a further embodiment, the monitoring device is designed to transmit to the unloading device, in the presence of a dangerous condition, a control signal for discharging the capacity. If, in the presence of a dangerous condition, not only the disconnecting device is opened but also the capacity which is formed in the area between the disconnecting device and a potential separating device of the charging device is discharged, the risk of electric shock is eliminated as quickly as possible.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung als diskrete Schaltung, als Mikrocontroller, als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder als eine Kombination der genannten Möglichkeiten ausgebildet ist. Dadurch wird eine flexible Anpassung der Überwachungsvorrichtung an unterschiedliche Fahrzeugkonfigurationen möglich.In another possible embodiment, the monitoring device is embodied as a discrete circuit, as a microcontroller, as an application-specific integrated circuit (ASIC) or as a combination of the named options. This allows a flexible adaptation of the monitoring device to different vehicle configurations.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren. der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention is described below with reference to the schematic figures. the drawings specified embodiments explained in more detail. It shows:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit den selben Bezugszeichen versehen worden.In all figures, identical or functionally identical elements and devices have been provided with the same reference numerals, unless stated otherwise.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
In einem ersten Schritt S1 wird die Ladevorrichtung
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung
In dem Fahrzeugzwischenkreis
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens ist die Entladevorrichtung
Die Ladevorrichtung
Die in
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Fahrzeug
Ein Fahrzeug
In einer weiteren möglichen Ausführungsform wird das Fahrzeug
In weiteren möglichen Ausführungsformen kann das Fahrzeug
Die Trennvorrichtung
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Entladen der Kapazität
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Funktion der Überwachungsvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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