DE102014216020A1 - Monitoring a power supply when charging an electrical energy storage of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung eines Ladegeräts beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein erster Spannungswert einer an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst, bevor ein Ladevorgang gestartet wird. Weiterhin wird ein Ladevorgang gestartet und während des Ladevorgangs ein zweiter Spannungswert der an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst. Auf Basis der erfassten Spannungswerte wird eine Netzimpedanz ermittelt. Es werden auch eine Überwachungseinrichtung und ein Ladegerät beschrieben.A method for monitoring a power supply of a charger is described. In the method, a first voltage value of an electrical voltage applied to the charger is detected before a charging process is started. Furthermore, a charging process is started and a second voltage value of the electrical mains voltage applied to the charger is detected during the charging process. Based on the recorded voltage values, a network impedance is determined. A monitoring device and a charger are also described.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung beim Aufladen eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Überwachungseinrichtung. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Ladegerät.The invention relates to a method for monitoring a power supply when charging an electrical energy storage device of a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a monitoring device. Finally, the invention relates to a charger.
Elektrofahrzeuge oder Plug-in-Hybridfahrzeuge besitzen als Energiespeicher eine aufladbare Batterie, die je nach Batterietyp über ein elektrisches Ladegerät mit einer bestimmten Ladekennlinie geladen werden muss. Elektrische Ladegeräte zum Aufladen von Batterien von Elektrofahrzeugen oder Plug-In-Hybridfahrzeugen werden beim Aufladen an ein AC-Netz angeschlossen und beziehen die elektrische Energie zum Aufladen der Batterie aus dem AC-Netz. Solche Ladegeräte sind üblicherweise im Elektrofahrzeug integriert und werden zum Aufladen über ein meist etwa 5 m langes hochflexibles Ladekabel und einen Stecker für eine Haushaltssteckdose oder einen Stecker vom Typ 1 oder Typ 2 oder einen CEE-Stecker mit einer Stromtankstelle verbunden. Je nach Fahrzeugtyp und Leistungsaufnahme ist eine 1-Phasen-Verbindung oder eine 3-Phasenverbindung möglich. Das Ladekabel bzw. die Versorgungsleitung weist selbst einen Widerstand auf, an dem während des Aufladens der Batterie eine Spannung abfällt. Durch den Spannungsabfall kommt es zu einer Erwärmung der Versorgungsleitung. Ist die Versorgungsleitung nicht entsprechend dimensioniert, kann es zu Defekten oder gar Unfällen kommen. Insbesondere bei alten oder gealterten und nicht normgerechten Installationen oder der Verwendung von Verlängerungsleitungen oder Mehrfachsteckdosen können an den Leitungs- und Übergangswiderständen höhere Spannungsabfälle und damit Verlustleistungen auftreten, wodurch es zu Überhitzungen und sogar Bränden kommen kann.Electric vehicles or plug-in hybrid vehicles have as energy storage a rechargeable battery that has to be charged depending on the type of battery via an electric charger with a specific charging characteristic. Electric chargers for charging batteries of electric vehicles or plug-in hybrid vehicles are connected to an AC mains when charging and receive the electric power for charging the battery from the AC mains. Such chargers are usually integrated in the electric vehicle and are connected to a charging station via a usually about 5 m long highly flexible charging cable and a plug for a household socket or a plug type 1 or type 2 or a CEE plug with a charging station. Depending on the vehicle type and power consumption, a 1-phase connection or a 3-phase connection is possible. The charging cable or supply line itself has a resistance at which a voltage drops during charging of the battery. The voltage drop leads to a heating of the supply line. If the supply line is not dimensioned accordingly, it can lead to defects or even accidents. In particular, in old or aged and non-standard installations or the use of extension cables or multiple sockets may occur at the line and contact resistances higher voltage drops and thus power losses, which can lead to overheating and even fires.
In
Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen ein sicheres Aufladen von Batterien von elektrischen Energiespeichern von Kraftfahrzeugen ermöglicht ist.It is therefore an object of the invention to develop a method and a device with which a safe charging of batteries of electrical energy storage of motor vehicles is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Überwachungseinrichtung gemäß Patentanspruch 7 sowie ein Ladegerät gemäß Patentanspruch 9 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1, a monitoring device according to claim 7 and a charger according to claim 9.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen einer Stromzuführung eines Ladegeräts wird zunächst ein erster Spannungswert einer an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst, bevor ein Ladevorgang gestartet wird. Als erster Messwert wird also die Netzspannung ohne Belastung mit einem Verbraucher gemessen. Dann wird der Ladevorgang gestartet und gleichzeitig, genauer gesagt, während des Erhöhens des Ladestroms, ein zweiter Spannungswert der an dem Ladegerät anliegenden elektrischen Netzspannung erfasst. Unter Belastung ist der gemessene Spannungswert um die an der Stromzuführung bzw. dem Ladekabel abfallende Spannung vermindert. Schließlich wird eine Netzimpedanz auf Basis der erfassten Spannungswerke erfasst. Die Netzimpedanz gibt Auskunft über den Zustand der Stromzuführung, sodass bei einer nicht im Nennbereich liegenden Netzimpedanz Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Aus der Netzimpedanz kann auf eine bei dem aktuellen Ladestrom vorliegende Verlustleistung geschlossen werden. Zu hohe Werte der Netzimpedanz lassen auf einen Defekt oder zumindest eine Verschlechterung der Leitfähigkeit des Ladekabels schließen.In the method according to the invention for monitoring a power supply of a charger, a first voltage value of an electrical mains voltage applied to the charger is first detected before a charging process is started. The first measured value is therefore the mains voltage measured without load on a consumer. Then, the charging process is started and, at the same time, more precisely, during the increase of the charging current, a second voltage value of the electrical mains voltage applied to the charger is detected. Under load, the measured voltage value is reduced by the voltage drop across the power supply or the charging cable. Finally, a network impedance is detected on the basis of the detected voltage plants. The grid impedance provides information about the status of the power supply, so that countermeasures can be taken if the grid impedance is outside the nominal range. From the network impedance can be concluded that there is a power loss at the current charging current. Too high values of the network impedance indicate a defect or at least a deterioration in the conductivity of the charging cable.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung weist eine Spannungserfassungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Spannungswert einer an einem Ladegerät anliegenden Netzspannung vor dem Start eines Ladevorgangs und einen zweiten Spannungswert der an dem Ladegerät anliegenden Netzspannung während des Ladevorgangs zu erfassen. Es können auch mehrere Spannungswerte während des Ladevorgangs gemessen werden. Beispielsweise können Spannungswerte der Netzspannung in vorbestimmten regelmäßigen Zeitintervallen gemessen werden. Zudem weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Ermittlungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, auf Basis der erfassten Spannungswerte eine Netzimpedanz zu ermitteln. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Vergleichseinheit, die dazu eingerichtet ist, die ermittelte Netzimpedanz mit einem Maximalwert der Impedanz zu vergleichen. Die Ermittlungseinheit und Vergleichseinheit können analog oder digital arbeiten. Beispielsweise können die Messwerte direkt mit Hilfe von Operationsverstärkern oder ähnlich arbeitenden analogen Schaltungen analog verarbeitet werden, d. h. die Ermittlungseinheit und/oder die Vergleichseinheit können analoge Datenverarbeitungseinheiten sein. Alternativ ist auch eine Wandlung der Messwerte in digitale Daten mittels eines Digital/Analog-Wandlers möglich. Der Digital/Analog-Wandler kann zum Beispiel zwischen die Spannungserfassungseinheit und die Ermittlungseinheit geschaltet sein oder Teil einer der genannten Einheiten, d. h. der Spannungserfassungseinheit, der Ermittlungseinheit oder der Vergleichseinheit sein, wobei in diesem Fall die dem Digital/Analog-Wandler nachgeschalteten Einheiten digital arbeiten. Schließlich umfasst die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung eine Ausgangsschnittstelle, die dazu eingerichtet ist, eine Warnmeldung oder einen Steuerbefehl auf Basis eines von der Vergleichseinheit ermittelten Vergleichsergebnisses auszugeben. Die genannten Einheiten können auch als Softwarelösung in eine bestehende Hardwareeinheit implementiert sein, so dass der Aufwand für die Realisierung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung minimiert wird.The monitoring device according to the invention has a voltage detection unit which is set up to detect a first voltage value of a mains voltage applied to a charger before the start of a charging process and a second voltage value of the mains voltage applied to the charger during the charging process. It is also possible to measure several voltage values during the charging process. For example, voltage values of the mains voltage can be measured at predetermined regular time intervals. In addition, the monitoring device according to the invention has a determination unit which is set up to determine a network impedance on the basis of the detected voltage values. Furthermore, the monitoring device according to the invention comprises a comparison unit, which is set up to compare the determined network impedance with a maximum value of the impedance. The determination unit and comparison unit can work analog or digital. For example For example, the measured values can be processed analogously directly with the aid of operational amplifiers or similarly operating analog circuits, ie the determination unit and / or the comparison unit can be analogous data processing units. Alternatively, a conversion of the measured values into digital data by means of a digital / analog converter is possible. The digital-to-analog converter may, for example, be connected between the voltage detection unit and the detection unit or be part of one of the units, ie the voltage detection unit, the detection unit or the comparison unit, in which case the units connected downstream of the digital / analog converter operate digitally , Finally, the monitoring device according to the invention comprises an output interface, which is set up to output a warning message or a control command on the basis of a comparison result determined by the comparison unit. The units mentioned can also be implemented as a software solution in an existing hardware unit, so that the expense for the realization of the monitoring device according to the invention is minimized.
Das erfindungsgemäße Ladegerät weist die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung sowie eine Stromsteuereinrichtung auf. Die Stromsteuereinrichtung umfasst eine Empfangseinheit, die dazu eingerichtet ist, einen von der Überwachungseinrichtung übermittelten Steuerbefehl zu empfangen, und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Steuerbefehl den Ladestrom zu reduzieren oder zu beschränken.The charger according to the invention has the monitoring device according to the invention and a current control device. The current control device comprises a receiving unit that is configured to receive a control command transmitted by the monitoring device, and a control unit that is configured to reduce or limit the charging current in dependence on the control command.
Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Möglichkeit besteht, die Ansprüche einer Kategorie entsprechend den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weiterzubilden.The dependent claims relate to advantageous developments of the invention, in particular the possibility exists to develop the claims of one category according to the dependent claims of another category of claims.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die ermittelte Netzimpedanz mit einem vorbestimmten Maximalwert der Netzimpedanz verglichen. Der Maximalwert kann beispielsweise von bestimmten Spezifika der Stromzuführung, wie zum Beispiel dem Leitungsdurchmesser, der Leitungslänge und dem Leitungsmaterial, abhängen, Weiterhin kann der Maximalwert der Impedanz auch in Abhängigkeit von einer maximalen Verlustleistung, einem maximalen Ladestrom und einer mit den genannten Größen korrelierten Temperatur des Ladekabels bei dem maximalen Ladestrom festgelegt werden. Der Maximalwert kann als absoluter Maximalwert anhand dieser physikalischen Größen festgelegt sein.In a preferred variant of the method according to the invention, the determined network impedance is compared with a predetermined maximum value of the network impedance. The maximum value may, for example, depend on certain specifics of the power supply, such as the cable diameter, the cable length and the line material. Furthermore, the maximum value of the impedance may also depend on a maximum power loss, a maximum charging current and a temperature correlated with the variables mentioned Charging cable are set at the maximum charging current. The maximum value can be set as the absolute maximum value based on these physical quantities.
In einer besonders leicht zu realisierenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Warnmeldung an einen Betreiber ausgegeben, falls der Maximalwert der Impedanz überschritten wird. Der Betreiber kann in Antwort auf die Warnmeldung beispielsweise den Ladevorgang abbrechen oder ein Stromzuführungskabel austauschen.In a particularly easy-to-implement embodiment of the method according to the invention, a warning message is issued to an operator if the maximum value of the impedance is exceeded. For example, in response to the alert, the operator may cancel the charging process or replace a power supply cable.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls der Maximalwert überschritten wird, ein Ladestrom auf einen Wert reduziert, bei dem eine mit dem Maximalwert korrespondierende maximale Verlustleistung nicht überschritten wird. Beispielsweise kann eine maximale Verlustleistung aufgrund der an dem Ladekabel abfallenden Spannung als Schwellwert vorab ermittelt werden. Dann kann auf Basis der Spannungsmesswerte und der zugehörigen Stromstärken ermittelt werden, ob diese maximale Verlustleistung überschritten ist, und falls das der Fall ist, der Stromfluss beim Aufladen der Batterie auf einen Wert reduziert bzw. beschränkt werden, bei dem der Schwellwert für die Verlustleistung unterschritten wird.In an alternative embodiment of the method according to the invention, if the maximum value is exceeded, a charging current is reduced to a value at which a maximum power loss corresponding to the maximum value is not exceeded. For example, a maximum power loss due to the voltage drop across the charging cable as a threshold value can be determined in advance. Then, based on the voltage measurements and the associated currents, it may be determined if this maximum power dissipation is exceeded, and if so, the current flow when charging the battery is reduced or limited to a value below the power dissipation threshold becomes.
Alternativ kann zur Reduktion des Ladestroms durch die Stromzuführung auch ein Regelungsverfahren angewandt werden, womit eine Verlustleistung unterhalb eines vorbestimmten Maximalwerts einer Verlustleistung erreicht wird. Beispielsweise kann eine schrittweise Erhöhung des Ladestroms jeweils um einen vorbestimmten Wert erfolgen und bei Überschreitung des Maximalwerts der Verlustleistung die letzte Erhöhung des Ladestroms wieder zurückgenommen werden. Eventuell kann im Anschluss die Schrittweite der Erhöhung des Ladestroms angepasst, d. h. reduziert werden und der Ladestrom erneut erhöht werden, falls der Maximalwert der Verlustleistung unterschritten wird.Alternatively, a control method can be used to reduce the charging current through the power supply, whereby a power loss is achieved below a predetermined maximum value of power loss. For example, a stepwise increase of the charging current can be carried out in each case by a predetermined value and the last increase of the charging current can be withdrawn if the maximum value of the power loss is exceeded. Eventually, the step size of the charging current increase can be adjusted afterwards, ie. H. can be reduced and the charging current can be increased again, if the maximum value of the power loss is exceeded.
Die Netzimpedanz bzw. der Wert der Netzimpedanz ergibt sich aus dem Quotient aus der Differenz des ersten Spannungswerts und des zweiten Spannungswerts und dem Ladestrom. Als zweiter Spannungswert kann auch ein beliebiger nach dem zweiten Spannungswert gemessener Spannungswert verstanden werden. Der erste Spannungswert wird bevorzugt nicht nur vor dem Start des Ladevorgangs gemessen, sondern auch im weiteren Verlauf des Ladeprozesses, wobei kurze Ladeunterbrechungen vorgenommen werden. Damit werden eventuelle Veränderungen in der Ruhespannung erfasst und verhindert, dass der Wert für die Impedanz sich unbemerkt ändert.The network impedance or the value of the network impedance results from the quotient of the difference between the first voltage value and the second voltage value and the charging current. The second voltage value can also be understood to be an arbitrary voltage value measured according to the second voltage value. The first voltage value is preferably measured not only before the start of the charging process, but also in the further course of the charging process, wherein short charge interruptions are made. This detects any changes in the quiescent voltage and prevents the value for the impedance from changing unnoticed.
Zudem kann die Überwachungseinrichtung eine Steuerbefehlerzeugungseinheit aufweisen, die einen Steuerbefehl in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis, welches von der Vergleichseinheit ermittelt wurde, erzeugt. Der Steuerbefehl wird an die Ausgangsschnittstelle weitergeleitet, welche den Steuerbefehl ausgibt. In addition, the monitoring device can have a control command generation unit which generates a control command as a function of the comparison result which was determined by the comparison unit. The control command is forwarded to the output interface, which issues the control command.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the invention is shown. Show it:
In
In
Bei dem Schritt
Der Maximalwert Zmax ist also abhängig von der Stärke eines vorbestimmten maximal zu erreichenden Ladestroms IL,max. Falls der ermittelte Wert der Netzimpedanz ZNetz den Maximalwert Zmax überschreitet, was in
Anschließend wird zu dem Schritt
In
In
In
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem in den Figuren dargestellten Verfahren bzw. der detailliert beschriebenen Überwachungseinrichtung und dem detailliert beschriebenen Ladegerät lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche in vielerlei Hinsicht modifiziert werden können. Weiterhin wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein, eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese auch aus mehreren Untereinheiten besteht.It is finally pointed out once again that the method illustrated in the figures or the monitoring device described in detail and the charger described in detail are merely exemplary embodiments which can be modified in many ways. Furthermore, for the sake of completeness, it is also pointed out that the use of indefinite Article "one, one" does not exclude that the characteristics in question may also exist multiple times. Similarly, the term "unit" does not exclude that it also consists of several subunits.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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