DE102014219395B4

DE102014219395B4 - Fahrzeug mit einer Vorladeschaltung und Verfahren zur Steuerung des Vorladens

Info

Publication number: DE102014219395B4
Application number: DE102014219395.8A
Authority: DE
Inventors: Hasdi R. Hashim; Bruce Carvell Blakemore; Arnold Kweku Mensah-Brown
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: DE102014219395A1; US9925878B2; CN104518547B; CN104518547A; US20150084404A1

Abstract

Fahrzeug (2), umfassend:eine Traktionsbatterie (40);einen Schütz (42), der konfiguriert ist, die Traktionsbatterie (40) und eine elektrische Impedanz (72) zu verbinden; undeine Vorladeschaltung (44), die einen Stromsensor (56) umfasst und die konfiguriert ist, um (i) als Reaktion auf ein Schließsignal für den Schütz (42), den Stromfluss von der Traktionsbatterie (40) durch die Vorladeschaltung (44) zu der elektrischen Impedanz (72) zu steuern, um eine Spannung (60) an der elektrischen Impedanz (72) so zu vergrößern, dass, wenn sich die Spannung (60) einer Spannung der Traktionsbatterie (40) nähert, sich ein Auslastungsgrad der Vorladeschaltung (44) 100 % nähert und sich der Strom durch die Vorladeschaltung (44) Null nähert, und (ii) als Reaktion darauf, dass die Stromstärke unter einen vorbestimmten Wert fällt, den Schütz (42) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dassdas Fahrzeug (2) mindestens eine Steuereinheit (54) umfasst, die programmiert ist, als Reaktion darauf, dass sich eine gemessene Zeit außerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, einen Diagnosecode einzustellen, wobei die gemessene Zeit eine Zeitdauer ist, die der Strom (IL) durch die Vorladeschaltung (44) benötigt, um unter einen vorbestimmten Wert zu fallen,wobei der Stromsensor (56) einen Bereich aufweist, bei dem der durch die Vorladeschaltung (44) fließende Strom, der kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz (72), verursacht, dass der Stromsensor (56) auf einem Maximalwert in eine Sättigung geht.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf das Vorladen einer elektrischen Last eines Fahrzeugs aus einer Traktionsbatterie, um die Lebensdauer eines Schützes zu verlängern.
Fahrzeuge, die einen Hochvoltbatteriesatz verwenden, umfassen im Allgemeinen einen Hauptschütz, um den Batteriestrom auf die elektronischen Leistungskomponenten zu schalten. Im Allgemeinen gehört zu den elektronischen Leistungsschaltungen ein gewisses Maß einer Kapazität. Diese Kapazität kann große Einschaltströme erzeugen, wenn der Hauptschütz geschlossen wird. Diese großen Einschaltströme können einen Lichtbogen über die Kontakte erzeugen, der Schäden an den Kontakten verursachen oder ihre Lebensdauer verringern und einen Funkenschlag erzeugen kann. Um die großen Einschaltströme zu beseitigen und den Hauptschütz zu schützen, wird oftmals parallel zum Hauptschütz eine Vorladeschaltung verwendet.
Eine typische Vorladeschaltung kann aus einem mit einem Widerstand in Reihe geschalteten Schütz bestehen, der über den Hauptschütz geschaltet ist. Während des Startens des Fahrzeugs, wird der Vorladeschütz geschlossen und Strom fließt durch den Vorladeschütz und den Widerstand. Der Widerstand wird so gewählt, dass die fließende Strommenge begrenzt wird. Wenn der Bus die gewünschte Spannung erreicht hat oder sich in einem gewünschten Spannungsbereich befindet, kann der Hauptschütz eingeschaltet werden und der Vorladeschütz kann ausgeschaltet werden. Obwohl die Vorladeschaltungen die Spannung über dem Hauptschütz während des Einschaltens verringern können, kann immer noch eine geringe Spannung über dem Hauptschütz anliegen, die den Schütz im Laufe der Zeit beschädigt.
Ein typisches Vorladeereignis wird beendet, indem die Spannungsdifferenz zwischen dem Batterieausgang und dem Hauptschützausgang mithilfe einer Spannungsteilerschaltung gemessen wird. Um bei einer Hochspannung in typischen Autotemperaturbereichen eine Spannung in der Nähe einer Nullspannung zu messen, ist eine hochgenaue Spannungsteilerschaltung erforderlich. Außerdem kann diese Art von Schaltung am Batterieausgang und am Hauptschützausgang erforderlich sein, was zusätzliche Kosten für das Fahrzeug verursacht.
Die US 2013 / 0 063 087 A1 offenbart eine Ladeschaltung mit zwei Eingangsanschlüssen, die jeweils eine Schaltung mit einem Versorgungsanschluss einer Gleichstromquelle verbinden.
Die DE 10 2006 016 745 A1 offenbart einen Stromsensor mit hoher Dynamik, der einen stromdurchflossenen Leiter und eine weichmagnetische Kernanordnung umfasst, wobei die Kernanordnung einen Kernanteil mit hoher Sättigung und einen Kernanteil mit niedriger Sättigung enthält.
Zu einem Fahrzeug gehört eine Traktionsbatterie, ein Schütz, der konfiguriert ist, die Traktionsbatterie und eine elektrische Impedanz zu verbinden, und eine Vorladeschaltung. Als Reaktion auf ein Schließsignal für den Schütz ist die Vorladeschaltung konfiguriert, den Stromfluss von der Traktionsbatterie durch die Vorladeschaltung zu der elektrischen Impedanz zu steuern, um die Spannung an der elektrischen Impedanz so zu vergrößern, dass sich, wenn sich diese Spannung der Spannung der Traktionsbatterie nähert, ein Auslastungsgrad der Vorladeschaltung 100 % und der Strom durch die Vorladeschaltung Null nähert. Als Reaktion darauf, dass die Stromstärke unter einen vorbestimmten Wert fällt, ist die Vorladeschaltung konfiguriert, den Schütz zu schließen. Die Vorladeschaltung kann konfiguriert sein, den Stromfluss durch die Vorladeschaltung zu messen und den Strom durch die Vorladeschaltung in einen vorbestimmten Bereich zu steuern, der auf der Strommessung beruht. Die Vorladeschaltung kann außerdem konfiguriert sein, den Strom durch die Vorladeschaltung in einen Bereich zu steuern, der wesentlich kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz. Zu der Vorladeschaltung kann ein Stromsensor gehören, der einen Bereich aufweist, bei dem ein Strom, der kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz, verursacht, dass der Stromsensor auf einem Maximalwert in eine Sättigung geht. Zu der Vorladeschaltung können eine Induktivität und eine Schalteinheit gehören, die konfiguriert ist, die Traktionsbatterie mit der Induktivität zu verbinden, und wobei die Induktivität die Schalteinheit mit der elektrischen Impedanz verbindet. Das Fahrzeug kann außerdem mindestens eine Steuereinheit umfassen, die programmiert ist, den Auslastungsgrad der Vorladeschaltung auf der Grundlage einer Differenz zwischen einem gemessenen Strom durch die Vorladeschaltung und einem gewünschten Strom auszugeben. Die Vorladeschaltung kann außerdem konfiguriert sein, den Stromfluss so zu steuern, dass sich, wenn sich die Spannung der Spannung der Traktionsbatterie nähert, eine Frequenz der Vorladeschaltung Null nähert.
Ein Fahrzeug umfasst einen Schütz, der konfiguriert ist, eine Traktionsbatterie und eine elektrische Impedanz zu verbinden, und eine Vorladeschaltung. Die Vorladeschaltung ist konfiguriert, um (i) als Reaktion auf ein Schließsignal für den Schütz, den Stromfluss durch die Vorladeschaltung so zu steuern, dass, wenn sich eine Spannung an der elektrischen Impedanz einer Spannung der Traktionsbatterie nähert, sich eine Frequenz der Vorladeschaltung Null nähert und sich ein Strom durch die Vorladeschaltung einem Minimalwert nähert, und (ii) als Reaktion darauf, dass der Strom unter einen vorbestimmten Wert fällt, den Schütz zu schließen. Die Vorladeschaltung kann außerdem konfiguriert sein, den Stromfluss durch die Vorladeschaltung zu messen und einen Strom durch die Vorladeschaltung auf der Grundlage der Messung in einen vorbestimmten Bereich zu steuern. Die Vorladeschaltung kann außerdem konfiguriert sein, den Stromfluss so zu steuern, dass sich, wenn sich die Spannung an der elektrischen Impedanz der Spannung der Traktionsbatterie nähert, ein Auslastungsgrad der Vorladeschaltung 100 % nähert. Zu dem Fahrzeug gehört mindestens eine Steuereinheit, die programmiert ist, als Reaktion darauf, dass sich eine gemessene Zeit außerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, einen Diagnosecode einzustellen, wobei die gemessene Zeit eine Zeitdauer ist, die der Strom durch die Vorladeschaltung benötigt, um unter einen vorbestimmten Wert zu fallen. Zu der Vorladeschaltung kann ein Stromsensor gehören, der einen Maximalwert aufweist, bei dem ein Strom, der kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz, verursacht, dass der Stromsensor auf dem Maximalwert in eine Sättigung geht. Zu der Vorladeschaltung können eine Induktivität und eine Schalteinheit gehören, die konfiguriert ist, die Traktionsbatterie mit der Induktivität zu verbinden, und wobei die Induktivität die Schalteinheit mit der elektrischen Impedanz verbindet.
Ein Verfahren für ein Vorladen einer elektrischen Last aus einer Batterie umfasst ein Empfangen eines Signals, um einen Schütz zu schließen, ein Messen eines Stroms durch eine Induktivität, die über den Schütz geschaltet ist, ein Betreiben einer Schalteinheit, um den Strom durch die Induktivität auf der Grundlage des gemessenen Stroms zu steuern, und ein Schließen des Schützes als Reaktion darauf, dass der gemessene Strom unter einen vorbestimmten Wert fällt, während die Schalteinheit aktiviert wird. Zu dem Betreiben der Schalteinheit, um den Strom durch die Induktivität zu steuern, kann ein Erzeugen einer Frequenz und eines Auslastungsgrads der Schalteinheit auf der Grundlage eines Fehlers zwischen einem gewünschten Strom und dem gemessenen Strom gehören. Um den Strom durch die Induktivität zu steuern, kann zu dem Betreiben der Schalteinheit ein Erzeugen einer Frequenz und eines Auslastungsgrads für die Schalteinheit gehören, um den gemessenen Strom in einem vorbestimmten Bereich zu steuern. Der vorbestimmte Bereich kann auf einer Kapazität einer elektrischen Last und einer gewünschten Vorladezeit beruhen. Der Strom durch die Induktivität kann auf einen Wert gesteuert werden, der wesentlich geringer ist als ein Nennstrom der elektrischen Last. Um den Strom durch die Induktivität zu steuern, können zu dem Betreiben der Schalteinheit ein Einschalten der Schalteinheit, wenn der gemessene Strom unter einen ersten vorbestimmten Schwellenwert fällt, und ein Ausschalten der Schalteinheit gehören, wenn der gemessene Strom einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, der größer ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert, sodass sich ein Auslastungsgrad und eine Schaltfrequenz für die Schalteinheit ergeben. Das Verfahren gehört außerdem ein Messen einer Zeit, die der gemessene Strom benötigt, um unter den vorbestimmten Wert zu fallen, und ein Speichern eines Diagnosecodes, wenn die gemessene Zeit eine erste vorbestimmte Zeit überschreitet oder unter einer zweiten vorbestimmten Zeit liegt.

1 ist ein Schaubild eines Steckdosenhybridelektrofahrzeugs, das typische Antriebs- und Energiespeicherkomponenten zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild einer möglichen Anordnung für das Verbinden eines Hochvoltbatteriesatzes mit den elektrischen Lasten in einem Fahrzeug.
3 ist ein Schaltbild einer möglichen Vorladeschaltung.
4 ist ein Ablaufplan eines möglichen Stromsteuerschemas einer Vorladeschaltung.

1 zeigt ein typisches Hybridelektrofahrzeug. Ein typisches Hybridelektrofahrzeug 2 kann einen oder mehrere Elektromotoren 4 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 6 verbunden sind. Das Hybridgetriebe 6 ist außerdem mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 8 verbunden. Das Hybridgetriebe 6 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 10 verbunden sein, die ihrerseits mechanisch mit den Rädern 12 verbunden ist. Die Elektromotoren 4 können eine Antriebs- und Bremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 8 an- oder ausgeschaltet wird. Die Elektromotoren 4 können auch als Generatoren dienen und sie können die Vorzüge einer Kraftstoffeinsparung bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise als Wärme in dem Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die Elektromotoren 4 können auch verringerte Schadstoffemissionen bereitstellen, da das Hybridelektrofahrzeug 2 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus betrieben werden kann.
Der Batteriesatz 14 speichert Energie, die von den Elektromotoren 4 verwendet werden kann. Auf den Batteriesatz 14 wird oftmals als Traktionsbatterie Bezug genommen. Ein Fahrzeugbatteriesatz 14 stellt typischerweise einen Ausgang mit einer Hochvoltgleichspannung bereit. Der Batteriesatz 14 ist elektrisch mit mindestens einem Leistungselektronikmodul 16 verbunden. Das Leistungselektronikmodul 16 ist auch elektrisch mit den Elektromotoren 4 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie in beiden Richtungen zwischen dem Batteriesatz 14 und den Elektromotoren 4 zu übertragen. Ein typischer Batteriesatz 14 kann zum Beispiel eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromotoren 4 einen Dreiphasenwechselstrom benötigen können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 16 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasenwechselstrom wandeln, wie er von den Elektromotoren 4 benötigt wird. In einem Rückspeisemodus wandelt das Leistungselektronikmodul 16 den Dreiphasenwechselstrom von den Elektromotoren 4, die als Generatoren dienen, in die Gleichspannung, die von dem Batteriesatz 14 benötigt wird. Die hier beschriebenen Verfahren sind in gleicher Weise auf reine Elektrofahrzeuge anwendbar.
Außer dem Bereitstellen von Energie für den Antrieb, kann der Batteriesatz 14 auch Energie für andere elektrische Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Zu einem typischen System kann ein DC/DC-Wandlermodul 18 gehören, das den Ausgang mit einer Hochvoltgleichspannung des Batteriesatzes 14 in eine Niedrigvoltgleichspannungsversorgung wandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochvoltlasten wie zum Beispiel Heizungen und Verdichter können direkt ohne die Verwendung des DC/DC-Wandlermoduls 18 angeschlossen werden. Bei einem typischen Fahrzeug 2 sind die Niedrigvoltsysteme elektrisch mit einer 12-V-Batterie 20 verbunden. Ein reines Elektrofahrzeug kann eine ähnliche Architektur aufweisen, aber ohne den Verbrennungsmotor 8.
Das Fahrzeug 2 kann ein Steckdosenhybridfahrzeug sein, bei dem der Batteriesatz 14 mittels einer externen Stromquelle 26 wieder aufgeladen werden kann. Die externe Stromquelle 26 kann dem Fahrzeug 2 einen Wechsel- oder Gleichstrom bereitstellen, indem es elektrisch mit einem Ladeanschluss 24 verbunden wird. Der Ladeanschluss 24 kann eine beliebige Art eines Anschlusses sein, um Strom von der externen Stromquelle 26 an das Fahrzeug 2 zu übertragen. Der Ladeanschluss 24 kann elektrisch mit einem Stromwandlermodul 22 verbunden werden. Das Stromwandlermodul 22 kann den Strom von der externen Stromquelle 26 aufbereiten, um dem Batteriesatz 14 die geeigneten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Bei einigen Anwendungen kann die externe Stromquelle 26 konfiguriert sein, um dem Batteriesatz 14 die geeigneten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen und das Stromwandlermodul 22 muss nicht erforderlich sein. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf jedes Fahrzeug 2, das einen Batteriesatz 14 verwendet.
2 zeigt eine Steuerarchitektur eines Busses mit einer Hochvoltgleichspannung für ein Fahrzeug. Die Hochvoltbatterie 40 kann aus jeder beliebigen chemische Zusammensetzung wie zum Beispiel NiMH, Blei oder Lithiumionen bestehen. Die Hochvoltbatterie 40 kann elektrisch mit einem Hauptschütz 42 verbunden sein. Der Hauptschütz 42 kann standardmäßig in einer offenen Position sein, sodass die Hochvoltbatterie 40 nicht mit einer Lastimpedanz 72 verbunden ist. Die Lastimpedanz 72 kann dargestellt werden, indem sie einen kapazitiven Anteil 48 und einen ohmschen/induktiven Anteil 46 aufweist. In der offenen Position kann die Hochvoltbatterie 40 der Lastimpedanz 72 keinen Strom bereitstellen.
Eine typische elektrische Impedanz 72 in einem Fahrzeug wird immer eine Kapazität 48 enthalten. Zu der Impedanz 72 können alle Einheiten (z.B. Wechselrichter, DC/DC-Wandler usw.) gehören, die mit dem Hochvoltbus verbunden sind. Die Impedanz 72 kann aus separaten Leistungselektronikeinheiten bestehen, die jeweils ihre eigene ihnen zugehörige Kapazität 48 aufweisen. Die Kapazität 48 kann tatsächlich aus mehreren Kapazitäten bestehen, die in Reihenschaltung oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Die Kapazität 48 kann auch zum Glätten und Filtern der Busspannung hinzugefügt werden. Die Kapazität 48 kann eine äquivalente Kapazität für die gesamte Lastseite des elektrischen Systems repräsentieren. Die Lastimpedanz 72 repräsentiert die gesamte Impedanz von allen Modulen, die mit dem Hochvoltbus verbunden werden können.
Ein Signal oder eine Anfrage, den Hauptschütz 42 zu schließen, kann ausgegeben werden als Reaktion auf eine Zündungsanforderung durch den Fahrer. Das Signal, den Hauptschütz 42 zu schließen, kann auch als Reaktion auf das Anschließen eines Ladegeräts ausgegeben werden. Im Allgemeinen kann eine Anforderung, den Hauptschütz 42 zu schließen, immer dann ausgegeben werden, wenn es erforderlich ist, die Hochvoltbatterie 40 mit anderen Einheiten zu verbinden. Im Fall eines Verkehrsunfalls kann eine Anforderung, den Hauptschütz 42 zu öffnen, ausgegeben werden, um eine Hochvoltgefährdung der Fahrzeuginsassen und der Rettungskräfte einzuschränken. Die Signale zum Öffnen und Schließen des Hauptschützes 42 können von einer oder mehreren Steuereinheiten 54 empfangen werden, die den Betrieb des Hauptschützes 42 und der Vorladeschaltung 44 steuern. Die Datenübertragung der Signale zum Öffnen und Schließen kann über einen diskreten Signalbus oder einen seriellen Übertragungsbus (z.B. CAN) erfolgen.
Die einfachste Umsetzung eines Hauptschützes 42 wäre ein manuell betriebener Schalter. Diese Art wird aus mehreren Gründen praktisch nicht verwendet. Der Hauptschütz 42 kann außerdem einen Steuermechanismus wie zum Beispiel ein Relais umfassen, das, wenn es aktiviert wird, den Hauptschütz 42 schließen kann. Wenn zum Beispiel ein Relais aktiviert wird, kann dieses den Hauptschütz 42 veranlassen, sich in die geschlossene Position zu bewegen und dem Strom erlauben, durch den Hauptschütz 42 zu fließen. Wenn der Hauptschütz 42 geschlossen wird, wird die Hochvoltbatterie 40 elektrisch mit der elektrischen Impedanz 72 verbunden. Wenn der Hauptschütz 42 geschlossen wird, kann die elektrische Impedanz 72 einen Strom durch den Hauptschütz 42 aus der Hochvoltbatterie 40 beziehen.
Der Steuermechanismus des Hauptschützes 42 kann mit einer Steuereinheit 54 verbunden werden. Zum Beispiel kann eine Spule des Relais, das den Hauptschütz 42 steuert, elektrisch mit der Steuereinheit 54 verbunden sein (dargestellt durch die 68). Die Steuereinheit 54 kann konfiguriert sein, die Spule zu aktivieren und zu deaktivieren, um den Hauptschütz 42 zu veranlassen, sich zu öffnen oder zu schließen. Die Steuereinheit 54 kann auch konfiguriert sein, verschiedene Systemspannungen zu messen. Die Spannung über die Last 60 kann mithilfe einer Spannungsmessschaltung 52 gemessen werden, die konfiguriert sein kann, die Hochvoltspannung von der Steuereinheit 54 zu trennen und die Spannung 60 auf einen geeigneten Pegel für die Steuereinheit 54 anzupassen. Auf eine ähnliche Weise kann auch die Spannung über der Hochvoltbatterie 58 gemessen werden. Eine separate Spannungsmessschaltung 50 kann verwendet werden, um die Hochvoltspannung von der Steuereinheit 54 zu trennen und die Spannung 58 auf einen geeigneten Pegel für die Steuereinheit 54 anzupassen.
Probleme können auftreten, wenn der Hauptschütz 42 geschlossen wird, während eine Spannung über dem Hauptschütz 42 anliegt. Die Spannung über dem Hauptschütz kann als V_mc 64 bezeichnet werden. In einer typischen Situation, in der die Kapazität 48 vollständig entladen ist, kann eine große V_mc 64 vorhanden sein, bevor der Hauptschütz 42 eingeschaltet wird. Eine Eigenschaft einer kapazitiven Last 48 ist, dass die Spannung sich nicht unmittelbar ändern kann. Der Strom durch die kapazitive Last 48 kann sich jedoch schnell ändern. Ein großer Einschaltstrom kann erzeugt werden, sobald eine Hochvoltspannung auf die kapazitive Last 48 geschaltet wird. Der große Einschaltstrom kann während des Schaltens einen Lichtbogen über den Hauptschütz 42 erzeugen. Diese Funkenbildung kann den Hauptschütz 42 beschädigen. Im Idealfall ist ein Mittel zum Begrenzen dieser Funkenbildung erwünscht.
Um die Funkenbildung des Hauptschützes 42 auf ein Mindestmaß herabzusetzen, kann eine Vorladeschaltung 44 über den Hauptschütz 42 eingerichtet werden. Die Vorladeschaltungen aus dem Stand der Technik bestehen typischerweise aus einem Vorladeschütz, der mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, wobei der Widerstand ausgewählt wird, um die Strommenge zu steuern, die fließen kann, wenn der Vorladeschütz geschlossen ist. Die Systeme aus dem Stand der Technik verwenden typischerweise die über die Last und die Batterie (60 und 58) gemessene Spannung, um zu ermitteln, wann der Vorladevorgang beendet ist und der Hauptschütz 42 geschlossen werden muss. Wenn die Differenz zwischen den beiden Spannungen (60 und 58) unter einen Schwellenwert fällt, kann der Hauptschütz 42 geschlossen werden. Ein Nachteil dieser Technik ist, dass die Spannungsdifferenz typischerweise nicht auf Null reduziert wird. Jede Spannungsdifferenz über dem Hauptschütz 42 erlaubt, dass ein Einschaltstrom fließt, der nur durch den niedrigen Widerstand der Traktionsbatterie und des elektrischen Verteilersystems begrenzt wird, wenn der Schütz geschlossen wird, was die Lebensdauer des Schützes verringern kann. Wenn in der Vorladeschaltung ein Widerstand verwendet wird, kann die Spannung 64 über dem Hauptschütz aufgrund des Widerstandes niemals Null sein. Außerdem können Messfehler eingeschleppt werden, da zwei Sensorwerte gemessen und verarbeitet werden müssen. In Abhängigkeit von der Auflösung der Spannungsmessung, kann es technisch unmöglich sein, eine Differenz zu bestimmen, die in der Nähe von Null liegt. Um eine geeignete Auflösung zu erhalten, sind alternativ A/D-Wandler mit einer höheren Auflösung erforderlich, die zusätzliche Kosten für das System verursachen. Diese Messfehler können sich unter bestimmten Bedingungen aufsummieren und erlauben, dass der Hauptschütz 42 mit einer Spannungsdifferenz, die größer als Null ist, geschlossen wird, was zu einer niedrigeren Lebensdauer des Schützes führt.
Die Vorladeschaltung 44 kann parallel zum Hauptschütz 42 angebracht werden. Eine Seite der Vorladeschaltung 44 kann elektrisch mit der Hochvoltbatterie 40 verbunden werden. Eine andere Seite der Vorladeschaltung 44 kann elektrisch mit der elektrischen Impedanz 72 verbunden werden. Eine Steuereinheit 54 kann konfiguriert sein, den Betrieb der Vorladeschaltung 44 zu steuern. Die Vorladeschaltung 44 kann den Stromfluss in die elektrische Impedanz 72 begrenzen, wenn die Hochvoltbatterie 40 angeschlossen wird. Die Steuereinheit 54 kann ein oder mehrerer Steuersignale 70 bereitstellen, um den Betrieb der Vorladeschaltung 44 zu steuern. Das Steuersignal 70 kann ein Signal ein, um eine Schalteinheit (z.B. die Ansteuerung eines MOSFET - 3 108) zu steuern. Der gewünschte Effekt der Vorladeschaltung 44 ist es, den Einschaltstrom durch den Hauptschütz 42 auf ein Mindestmaß herabzusetzen, wenn der Hauptschütz 42 eingeschaltet wird, indem die Spannung V_mc 64 auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
Ein Stromsensor 56 kann den Strom durch die Vorladeschaltung 44 messen. Der Stromsensor 56 kann der Steuereinheit 54 ein Signal bereitstellen, das die Strommenge anzeigt, die durch die Vorladeschaltung 44 fließt. Der Stromsensor 56 oder die Steuereinheit 54 kann einen Signalaufbereitungsschaltkreis enthalten, der notwendig sein kann, um das Stromsignal anzupassen und aufzubereiten. Dieses Signal kann verwendet werden, um den Betrieb der Vorladeschaltung 44 so zu steuern, dass die Strommenge begrenzt wird, die während des Vorladevorgangs zu der elektrischen Impedanz 72 fließt. Der Stromsensor 56 kann jede bestehende Technologie wie zum Beispiel potenziometrische Sensoren, eine Spannungsdifferenzialschaltung oder einen Hall-Sensor umfassen. Der Stromsensor 56 kann einen niedrigen Widerstand aufweisen, um möglich Spannungsabfälle über dem Sensor auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
Das Anordnen des Stromsensors 56 an dem Ausgang der Vorladeschaltung 44 kann einige Vorteile gegenüber anderen Positionen aufweisen. Andere mögliche Positionen können das Messen des Stroms am Eingang zur Last 66 und das Messen am Ausgang 62 der Hochvoltbatterie 40 und dem Eingang zum Hauptschütz 42 sein. Die Stromsensoren 62 und 66 können auch der Steuereinheit 54 Signale zu Steuer- und Überwachungszwecken bereitstellen. Standorte wie zum Beispiel 62 und 66 haben einen Nachteil bei niedrigen Strömen, da diese Sensoren im Allgemeinen dafür benötigt werden, Ströme bis zu dem Nennstrom der elektrischen Last 72 zu messen. Der Maximalbereich, der für diese Sensoren benötigt wird, kann auf einer Skala von mehreren Hundert Ampere liegen. Der hohe Maximalbereich dieser Sensoren bedeutet, dass die Auflösung gering sein wird und somit, dass sie nicht fähig sind, kleine Ströme zu messen. Um alternativ die Auflösung dieser Stromsensoren zu verbessern, können A/D-Wandler mit hoher Auflösung erforderlich sein, die höhere Kosten verursachen und die Messungen empfindlicher gegenüber Rauschsignalen machen.
Die Steuereinheit 54 kann den Strom messen, der durch die Vorladeschaltung 44 fließt. Durch das Begrenzen der Stromstärke, die durch die Vorladeschaltung 44 fließt, kann der erforderliche maximale Messwert des Stromsensors 56 geringer sein. Eine Anforderung für einen geringeren Maximalwert erlaubt es, dass ein Stromsignal mit einer höheren Auflösung gemessen werden kann. Ein Signal mit einer höheren Auflösung kann hilfreich sein für das Steuern des Stroms und kann eine genauere Stromsteuerung erlauben. Außerdem kann die Vorladeschaltung 44 auch kleinere Komponenten erforderlich machen, da aufgrund der niedrigeren Ströme weniger Wärme erzeugt wird. Ein Vorteil eines Stromsensors mit hoher Auflösung 56 ist, dass kleine Ströme gemessen werden können und dass die Vorladeschaltung 44 einen Stromfluss besser vermeiden kann, wenn der Hauptschütz 42 geschlossen wird. Dies kann zu einer Vorladeschaltung 44 mit niedrigeren Kosten führen, da die Komponenten keine hohen Ströme zu bewältigen haben. Während des normalen Betriebs, wenn der Hauptschütz 42 geschlossen ist, kann ein weiterer Stromsensor (z.B. 62 oder 66) erforderlich sein, da kein Strom durch die Vorladeschaltung 44 fließt. Der hauptsächliche Vorteil aus dem Sicherstellen, dass kein Strom fließt, ist, dass die Lebensdauer des Hauptschützes 42 verlängert wird, da kein Strom fließt, wenn er eingeschaltet wird. Die Genauigkeit des Vorladeprozesses wird gegenüber den bekannten Verfahren auch verbessert, da nur ein Sensor für die Steuerung verwendet wird. Rauschen und Toleranzen der Messung betreffen nur diesen einen Sensor. Außerdem kann der einzige Sensor eine höhere Auflösung aufweisen als bekannte Konfigurationen.
Die Vorladeschaltung 44 kann eine Halbleiterschalteinheit umfassen, die von einer Steuereinheit 54 gesteuert wird. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Vorladeschaltung 44. Die Halbleiterschalteinheit kann ein MOSFET 100 sein. Die Source 106 des MOSFET kann elektrisch mit der positiven Klemme der Hochvoltbatterie 40 verbunden sein. Der Drain 110 des MOSFET kann mit einer Induktivität verbunden sein. Eine Diode 104 ist auf einer Seite mit der negativen Klemme der Hochvoltbatterie (40 2) verbunden und auf der anderen Seite ist sie mit dem MOSFET-Drain 110 verbunden und die Induktivität 102 kann vorhanden sein. Die Induktivität 102 kann dann mit der elektrischen Last 72 verbunden sein. Die Ansteuerung 108 des MOSFET 100 kann mit einer Steuereinheit (54 2) verbunden sein. Die Schaltung kann als eine Abwärtswandlerschaltung beschrieben werden.
Die Vorladeschaltung 44 kann auch einen Strommesswiderstand 112 umfassen. Der Strommesswiderstand 112 kann einen kleinen Widerstandswert aufweisen, um den Spannungsabfall über der Vorladeschaltung 44 auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Der Strommesswiderstand 112 kann an einem Ende mit der Induktivität 102 und am anderen Ende mit der elektrischen Impedanz 72 verbunden sein. Die Spannung 114 über dem Strommesswiderstand ist proportional zu dem Strom, der durch den Widerstand 112 fließt. Eine Steuereinheit (54 2) kann die Spannung V_rc 114 über dem Strommesswiderstand 112 überwachen, um den Strom durch die Vorladeschaltung 44 zu steuern. Andere Strommessschemen können in Abhängigkeit von der ausgewählten Strommesstechnologie möglich sein.
Die Schalteinheit 100 kann gesteuert werden, um den Strom zu begrenzen, der durch die Vorladeschaltung 44 fließt. Der Strom kann auf einen relativ kleinen Wert begrenzt werden, um die negativen Effekte eines großen Einschaltstroms zu vermeiden. Der Strom, der durch die Vorladeschaltung 44 fließt, kann auf einen Wert begrenzt werden, der erheblich geringer ist als ein Nennstrom der elektrischen Last 72, die vorgeladen wird. Der Strom kann zum Beispiel auf einen Wert von 5 A oder weniger begrenzt werden, während der Nennstrom der Last Hunderte von Ampere betragen kann. Das Begrenzen des Stroms beeinträchtigt die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs in der elektrischen Last 72. Das Begrenzen des Stroms auf einen im Allgemeinen konstanten Wert kann verursachen, dass die Lastspannung 60 linear bis zur Batteriespannung 58 ansteigt. Die Zeit, die erforderlich ist für das Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last 72 auf die Batteriespannung 58 kann auf eine vorbestimmte Zeitdauer eingestellt werden. Um die gewünschte Anstiegszeit zu erreichen, können die Induktivität 102 und die Schaltfrequenz der Schalteinheit 100 der Vorladeschaltung 44 passend gewählt werden. Im Allgemeinen kann der kapazitive Anteil der elektrischen Last 72 bekannt sein und die Vorladeschaltung 44 kann ausgelegt werden, um die gewünschte Spannungsanstiegszeit zu erreichen.
Der Auslastungsgrad und die Schaltfrequenz der Schalteinheit 100 können auf der Grundlage des Stroms angepasst werden. Der Strom und die Frequenz können auf Null abfallen, wenn die Zielspannung der Source-Spannung angeglichen wird. Die Stromschwellenwerte können zum Beispiel ungefähr um einen gewünschten durchschnittlichen Induktivitätsstrom I_av definiert werden. Ein Schwellenwert über dem gewünschten durchschnittlichen Induktivitätsstrom kann als I_TH definiert werden. Ein weiterer Schwellenwert unter dem gewünschten durchschnittlichen Induktivitätsstrom kann als I_TL definiert werden. Wenn der gemessene Strom unter I_TH liegt, kann die Schalteinheit 100 eingeschaltet werden. Wenn der gemessene Strom über I_TH liegt, kann die Schalteinheit 100 ausgeschaltet werden. Wenn die Schalteinheit 100 ausgeschaltet wird, nimmt der Strom durch die Induktivität ab. Wenn der gemessene Strom unter I_TL fällt, kann die Schalteinheit 100 wieder eingeschaltet werden. Dieser Zyklus kann kontinuierlich fortgesetzt werden. Da sich die Spannung über der Vorladeschaltung und der Strom durch die Vorladeschaltung ändern, kann sich als Reaktion darauf der Arbeitszyklus des Steuersignals ändern. Mit der Zeit wird die Spannung über der Schalteinheit 100 abnehmen und die Schaltfrequenz kann abnehmen, da der Strom langsamer ansteigt. Da sich die Spannungen über dem Hauptschütz angleichen, kann es mehr Zeit in Anspruch nehmen bis der Strom I_TH überschreitet. Dies hat die Neigung, dass die Schaltfrequenz natürlich abnimmt und der Auslastungsgrad größer wird. Irgendwann wird die Schalteinheit 100 eingeschaltet und der Strom wird tatsächlich auf Null abfallen. Wenn der Strom durch die Induktivität auf Null abgefallen ist, ist das Vorladen abgeschlossen und die Spannungen auf beiden Seiten des Hauptschützes sind ausgeglichen. In diesem Moment kann der Hauptschütz geschlossen werden.
Der im Allgemeinen konstante Stromwert der Busladung kann auf der Grundlage der Buskapazität und einer gewünschten Busladezeit ausgewählt werden. Der Strom durch die Last kann dargestellt werden als: $I = C * dV/dt + V/R$
wobei C die Buskapazität, dV/dt die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs und V die Spannung über der Last ist. Während der Vorladezeit kann ein im Allgemeinen konstanter Strom angewandt werden, sodass die Spannung mit einer gewünschten Geschwindigkeit ansteigt. Während des Vorladens kann erwartet werden, dass der Lastwiderstand R einen großen Wert aufweist, sodass V/R einen minimalen Einfluss auf die Stromaufnahme hat. Für die kapazitive Last kann der gewünschte Strom auf I = C * dV/dt beruhen. Die gewünschte dV/dt kann ermittelt werden als die Batteriespannung dividiert durch die gewünschte Busladezeit (V_max/T_des). Sollte der Lastwiderstand R während des Vorladens einen Wert aufweisen, der die Stromaufnahme beeinträchtigt, kann der Strom entsprechend verändert werden.
Da ein im Allgemeinen konstanter Strom angewandt wird, sollte eine erwartete Spannungsanstiegszeit innerhalb eines vorbestimmten Bereichs um den erwarteten Wert beobachtet werden. Eine Steuereinheit kann die Zeit überwachen, die erforderlich ist, damit der Strom unter einen vorbestimmten Wert fällt. Eine Diagnosebedingung kann erkannt werden, wenn sich der Spannungsanstieg außerhalb eines erwarteten Bereichs um die erwartete Anstiegszeit befindet. Wenn die Last zum Beispiel kurzgeschlossen wird, steigt die Spannung schnell an, da der kapazitive Anteil durch den Kurzschluss überbrückt werden kann. Ein schnelles Ansteigen auf die Batteriespannung kann eine Kurzschlussbedingung signalisieren und von der Steuereinheit kann ein Diagnosecode eingestellt werden. Wenn außerdem die Zeit, um die Batteriespannung zu erreichen, länger als erwartet ist, kann ein Problem mit kurzgeschlossenen Komponenten oder mit Kapazitätsänderungen vorliegen. Wenn der Lastwiderstand R zum Beispiel geringer als erwartet ist, kann mehr Strom zu dem Widerstandsanteil gehen anstatt zur Änderung der Kapazität. Ein Ansteigen auf die Batteriespannung, die mehr als die erwartete Zeit erfordert, kann die Steuereinheit veranlassen, einen Diagnosecode einzustellen.
Als eine Diagnoseprüfung kann die erforderliche Zeit für das Vorladen überwacht werden. Da das System ausgelegt sein kann, eine vorhersagbare Vorladezeit aufzuweisen, können Abweichungen von der vorhergesagten Vorladezeit Fehlerbedingungen in der Last anzeigen. Ein Diagnosecode kann gespeichert werden, wenn der Vorladevorgang in einem Zeitraum abgeschlossen wird, der kürzer ist als der erwartete Ausführungszeitraum. Ein Diagnosecode kann außerdem gespeichert werden, wenn der Vorladevorgang in einem Zeitraum abgeschlossen wird, der länger ist als der erwartete Ausführungszeitraum. Ein Diagnosecode kann eingestellt werden, wenn der Vorladevorgang nicht innerhalb eines vorbestimmten Vorladezeitlimits abgeschlossen wird.
4 zeigt eine mögliche Umsetzung für das beschriebene System. Die Vorladeschaltung kann ein Freigabesignal von einer anderen Steuereinheit oder einem anderen Modul in dem Fahrzeug 200 empfangen. Die Vorladeschaltung kann in 202 eingeschaltet werden. Dies kann ein Sicherstellen beinhalten, dass für erforderliche Einheiten in der Steuereinheit, die für das Vorladen notwendig sind, eine entsprechende Stromversorgung aktiviert wird. Die Schalteinheit kann in 204 geschlossen werden, um die Batteriespannung mit der elektrischen Impedanz zu verbinden. Der Strom durch die Induktivität (I_L) kann in 206 gemessen werden und ein durchschnittlicher Strom (I_av) kann in 206 berechnet werden. Der gemessene Strom durch die Induktivität kann verglichen werden mit Schwellenwertgrenzen oberhalb und unterhalb des erwarteten durchschnittlichen Stroms, um sicherzustellen, dass sich der Strom in einem geeigneten Bereich befindet. Der Strom durch die Induktivität kann in 208 mit dem oberen Schwellenwert verglichen werden. Wenn der Strom durch die Induktivität über dem oberen Schwellenwert liegt, kann die Schalteinheit in 210 geöffnet werden. Wenn der Strom durch die Induktivität unter dem oberen Schwellenwert liegt, kann der Strom durch die Induktivität in 212 mit dem unteren Schwellenwert verglichen werden. Wenn der Strom durch die Induktivität unter dem unteren Schwellenwert liegt, kann die Schalteinheit in 214 geschlossen werden. Wenn der Strom durch die Induktivität über dem unteren Schwellenwert liegt, kann der aktuelle Zustand der Schalteinheit in 216 beibehalten werden. Eine Prüfung kann ausgeführt werden, um zu ermitteln, ob die Kapazität des Fahrzeugbusses aufgeladen ist, indem in 218 der Strom durch die Induktivität mit einem minimalen Schwellenwert verglichen wird. Wenn der Bus nicht aufgeladen ist, kann der Prozess des Messens des Stroms durch die Induktivität in 206 und das Anwenden der PWM-Logik (208 bis 216) wiederholt werden. Wenn der Bus aufgeladen ist, kann die Schalteinheit in 220 geöffnet werden und in 222 ist das Vorladen beendet. Der Hauptschütz kann eingeschaltet werden.
Ein Vorteil der offenbarten Vorladeschaltung 44 ist, dass die Lastspannung 60 der Spannung des Batteriesatzes 58 angeglichen werden kann. Eine herkömmliche Vorladeschaltung, die einen Widerstand verwendet, kann aufgrund eines Spannungsabfalls über dem Widerstand nur eine bestimmte Lastspannung 60 erreichen. Eine Zehn-Volt-Differenz über dem Hauptschütz 42 kann immer noch Schäden an dem Hauptschütz 42 verursachen, wenn er eingeschaltet wird, da im Moment der Herstallung des Kontakts ein wenig Strom fließt. Dieser Stromfluss kann die Tendenz haben, im Laufe der Zeit eine Abnutzung am Hauptschütz 42 zu verursachen. Die offenbarte Vorladeschaltung 44 und das Steuerschema erlauben, dass die Lastspannung 60 näher an die Spannung des Batteriesatzes 58 ansteigt, wodurch die Spannungsdifferenz V_mc 64 über dem Hauptschütz 42 beim Einschalten auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Durch das Herabsetzen der Größe des Widerstands in der Vorladeschaltung 44 auf ein Mindestmaß wird der Spannungsabfall 64 über dem Hauptschütz auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass es durch das Steuern des Stroms anstelle der Spannung wahrscheinlicher ist, dass der Schütz bei einem Null-Strom geschlossen wird. Dies bedeutet, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Batteriespannung 58 und der elektrischen Impedanz 60 auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Eine Steuereinheit, welche die Spannung über der Lastimpedanz steuert, verringert ein Steuersignal, wenn sich die Ausgangsspannung 60 der Batteriespannung 58 annähert. Dies hat den Effekt, dass der Stromfluss begrenzt wird und die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs am Ende des Vorladevorgangs verlangsamt wird. Die offenbarte Vorladeschaltung 44 versucht, einen konstanten Ladestrom anzuwenden, der auf Null geht, wenn die Spannungen sich angleichen. Die offenbarte Vorladeschaltung 44 wird tatsächlich ein maximales Steuersignal anwenden, wenn die Spannungen sich angleichen, wodurch sichergestellt wird, dass die Ausgangsspannung 60 so nahe wie möglich an der Batteriespannung 58 liegt. Eine Kenntnis des internen Widerstands der Batterie ist nicht erforderlich, um den Hauptschütz zu schließen, da der Vorladezyklus nicht durch die Spannungsmessung beendet wird.
Ein anderer Weg den Vorladevorgang zu beenden, kann es sein, zu beobachten, wann sich die Lastspannung 60 auf einem gewissen Maximalwert stabilisiert hat. Dieser Maximalwert kann sowohl von dem Widerstand der Vorladeschaltung 44 als auch von dem internen Widerstand der Hochvoltbatterie 40 abhängig sein. Der Maximalwert muss nicht unbedingt die Spannung der Hochvoltbatterie 58 sein, sondern stattdessen kann er ein erheblicher Prozentsatz der Spannung der Hochvoltbatterie 58 sein. Wenn der Vorladevorgang beendet ist, kann der Hauptschütz 42 eingeschaltet werden und die Vorladeschaltung 44 kann ausgeschaltet werden. Nach dem Einschalten des Hauptschützes 42 können sich die Lastspannung 60 und die Spannung des Batteriesatzes 58 einander angleichen und es kann ein Strom durch den Hauptschütz 42 fließen. Alternativ können die Lastspannung 60 und die Batteriespannung 58 verglichen werden, um zu ermitteln, ob sie in einem bestimmten Abstand voneinander liegen. Dieses Verfahren weist typischerweise eine Spannung 64 über dem Hauptschütz auf, wenn er geschlossen wird.
Die offenbarte Vorladeschaltung 44 kann mit unterschiedlichen Batterien verwendet werden. Unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der Batterie weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. Die chemische Zusammensetzung der Batterie hat Einfluss auf den internen Widerstand einer Hochvoltbatterie. Im Allgemeinen wird ein niedriger Widerstand bevorzugt, um die Wärmeverluste in der Batterie auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Wenn der Widerstand jedoch verringert wird, kann es sein, dass die Vorladeschaltung 44 für ein Kompensieren neu ausgelegt werden muss. Wenn der Widerstand der Vorladeschaltung 44 groß ist im Vergleich zum internen Widerstand des Batteriesatzes, kann nach dem Vorladen eine größere Spannungsdifferenz über dem Hauptschütz 42 vorhanden sein. Das offenbarte Schema setzt diese Effekte auf ein Mindestmaß herab, da das Vorladen aktiv gesteuert wird, um die Spannung über dem Hauptschütz auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Strom durch die Vorladeschaltung 44 auf einen konstanten Wert oder innerhalb eines Bereichs gesteuert werden. Das Steuern des Stroms auf einen im Allgemeinen konstanten Wert kann verursachen, dass die Lastspannung 60 mit der Zeit linear bis auf einen Maximalwert ansteigt. Eine Steuereinheit (54 2) kann das Steuern des Stroms während des Vorladens ausführen, indem die Ansteuerung der Schalteinheit 108 gesteuert wird. Eine Steuereinheit (54 2) kann dieses Steuern des Stroms mithilfe eines elektronischen Schaltkreises oder einer Kombination aus einem elektronischen Schaltkreis und mikroprozessorgestützten Softwaresteuerungen ausführen. Eine einfache Hysteresesteuereinheit kann als Hardware oder Hardware/Software umgesetzt werden. Ein gewünschter Ausgangsstrombereich kann aus einem unteren Wert und einem oberen Wert bestehen. Der Strom, der durch die Vorladeschaltung fließt, kann gemessen werden. Wenn der Ausgangsstrom geringer ist als der gewünschte untere Wert, kann die Schalteinheit eingeschaltet werden. Wenn der Ausgangsstrom größer ist als der gewünschte obere Wert, kann die Schalteinheit ausgeschaltet werden. Das Maß der Variation oder die Welligkeit des Stroms hängt von der Differenz zwischen dem oberen Wert und dem unteren Wert ab. Eine größere Differenz kann zu einer niedrigeren Schaltfrequenz führen, während eine kleinere Differenz zu einer höheren Schaltfrequenz führen kann. Durch das Schalten zwischen dem oberen und dem unteren Wert kann ein durchschnittlicher Strom über der Zeit beibehalten werden.
Das Steuern kann ausgeführt werden, indem der Auslastungsgrad des Gates der Schalteinheit 108 gesteuert wird. Der Auslastungsgrad kann definiert werden als der Zeitraum in einer gegebenen Zeitdauer, in dem die Einheit eingeschaltet ist. Ein Wert von 100 % kann anzeigen, dass die Schalteinheit durchgehend eingeschaltet ist. In der Praxis kann der maximale Auslastungsgrad zu Diagnosezwecken auf einen niedrigeren Wert verringert werden. Ein maximaler Auslastungsgrad von 90 % kann festgelegt werden, um Prüfungen für Kurzschlüsse während des Intervalls zu erlauben, in dem erwartet wird, dass die Schalteinheit ausgeschaltet wird.
Die einfache Hysteresesteuereinheit kann als ein elektronischer Schaltkreis umgesetzt werden oder die Logik kann in einem Mikroprozessor ausgeführt werden, dessen Ausgang die Ansteuerung einer Schalteinheit 108 ist. Differenziertere Steuerverfahren können eingesetzt werden. Eine mit einer Steuereinheit umgesetzte Lösung kann den oberen und den unteren Stromwert variieren, um die Schaltfrequenz während des Vorladens zu ändern. Der Vorladestrom kann auch variiert werden, um die Vorladezeit zu verkürzen oder zu verlängern. Die Steuereinheit kann auch den Vorladestrom und die Systemspannungen überwachen, um sicherzustellen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert.
Da die Spannung über der Last 60 auf den Pegel der Batteriespannung 58 ansteigt, beginnt der Stromfluss abzunehmen. In einer Steuereinheit, die einen spezifischen Stromwert steuert, wächst der Auslastungsgrad, um den Strom auf dem spezifischen Wert zu prüfen und beizubehalten. Wenn dies passiert, kann der Auslastungsgrad bis zu dem maximal erlaubten Wert ansteigen. Der Maximalwert des Auslastungsgrads kann 100 % oder durchgehend eingeschaltet sein. An einem bestimmten Punkt kann die Stromsteuereinheit nicht mehr in der Lage sein, den gewünschten Stromwert zu erreichen, selbst wenn sich die Einheit an dem maximal erlaubten Wert befindet. Diese Situation zeigt an, dass der Vorladevorgang sich dem Ende nähert. Wenn ein Strom nicht mehr auf den Zielwert gesteuert werden kann, kann die Stromsteuerung gestoppt werden und der Hauptschütz kann geschlossen werden. Der Vorladevorgang kann beendet werden, wenn der Strom unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt. Ein Vorteil davon ist, dass die Spannungen auf jeder Seite der Vorladeschaltung nicht zu Vorladezwecken überwacht werden müssen.
Ein Vorteil der offenbarten Vorladeschaltung ist, dass die Komponentenkosten auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden können. Eine spezifische Vorladezeit kann festgelegt werden, die den gewünschten Strompegel definieren kann. Eine Induktivität 102 kann ausgewählt werden, die auf den gewünschten Strompegel bemessen wird. Typischerweise werden die Kosten gesenkt, wenn die Strombelastbarkeit verringert wird. Außerdem ist die Schaltung so flexibel, dass für unterschiedliche Situationen mehrere Vorladezeiten definiert werden können. Eine Strombelastbarkeit der Induktivität 102 kann ausgewählt werden, um die schnellste geforderte Vorladezeit zu unterstützen. Die Schaltung kann auf verschiedene Strompegel gesteuert werden, die auf der spezifischen geforderten Vorladezeit beruhen. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass das Vorladen mit niedrigeren Stromwerten erfolgen kann und dass der Stromsensor ausgelegt sein kann, eine vollständige Auflösung über den Vorladestrombereich anstatt über den Laststrombereich bereitzustellen. Dies erlaubt, dass während des Vorladens eine genaue Stromsteuerung ausgeführt wird.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können weitergegeben werden an oder umgesetzt werden von einer Verarbeitungseinheit, einer Steuereinheit oder einem Computer, zu denen eine vorhandene programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine zweckbestimmte elektronische Steuereinheit gehören können. Auf ähnliche Weise können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Befehle gespeichert werden, die in vielen Formen einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, als Informationen, die dauerhaft auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie zum Beispiel ROM-Einheiten gespeichert werden, und als Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie zum Beispiel Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Einheiten oder andern magnetischen und optischen Medien gespeichert werden, durch eine Steuereinheit oder einen Computer ausführbar sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem Element zur Ausführung von Software umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren und Algorithmen als Ganzes oder in Teilen mithilfe geeigneter Hardwarekomponenten wie zum Beispiel anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), anwenderprogrammierbarer Gate-Arrays (Field Programmable Gate Arrays, FPGAs), Zustandsautomaten, Steuereinheiten oder anderer Hardwarekomponenten oder Einheiten oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten verkörpert werden.

Claims

Fahrzeug (2), umfassend: eine Traktionsbatterie (40); einen Schütz (42), der konfiguriert ist, die Traktionsbatterie (40) und eine elektrische Impedanz (72) zu verbinden; und eine Vorladeschaltung (44), die einen Stromsensor (56) umfasst und die konfiguriert ist, um (i) als Reaktion auf ein Schließsignal für den Schütz (42), den Stromfluss von der Traktionsbatterie (40) durch die Vorladeschaltung (44) zu der elektrischen Impedanz (72) zu steuern, um eine Spannung (60) an der elektrischen Impedanz (72) so zu vergrößern, dass, wenn sich die Spannung (60) einer Spannung der Traktionsbatterie (40) nähert, sich ein Auslastungsgrad der Vorladeschaltung (44) 100 % nähert und sich der Strom durch die Vorladeschaltung (44) Null nähert, und (ii) als Reaktion darauf, dass die Stromstärke unter einen vorbestimmten Wert fällt, den Schütz (42) zu schließen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (2) mindestens eine Steuereinheit (54) umfasst, die programmiert ist, als Reaktion darauf, dass sich eine gemessene Zeit außerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, einen Diagnosecode einzustellen, wobei die gemessene Zeit eine Zeitdauer ist, die der Strom (I_L) durch die Vorladeschaltung (44) benötigt, um unter einen vorbestimmten Wert zu fallen, wobei der Stromsensor (56) einen Bereich aufweist, bei dem der durch die Vorladeschaltung (44) fließende Strom, der kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz (72), verursacht, dass der Stromsensor (56) auf einem Maximalwert in eine Sättigung geht.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die Vorladeschaltung (44) außerdem konfiguriert ist, den Stromfluss durch die Vorladeschaltung (44) zu messen und den Strom durch die Vorladeschaltung (44) auf der Grundlage der Messung in einen vorbestimmten Bereich zu steuern.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die Vorladeschaltung (44) außerdem konfiguriert ist, den Strom durch die Vorladeschaltung (44) in einen vorbestimmten Bereich zu steuern, der wesentlich kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Impedanz (72).
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die Vorladeschaltung (44) eine Induktivität (102) und eine Schalteinheit (100) umfasst, die konfiguriert ist, die Traktionsbatterie (40) mit der Induktivität (102) zu verbinden, und wobei die Induktivität (102) die Schalteinheit (100) mit der elektrischen Impedanz (72) verbindet.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (54) programmiert ist, den Auslastungsgrad der Vorladeschaltung (44) auf der Grundlage einer Differenz zwischen einem gemessenen Strom durch die Vorladeschaltung (44) und einem gewünschten Strom auszugeben.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die Vorladeschaltung (44) außerdem konfiguriert ist, den Stromfluss so zu steuern, dass sich, wenn sich die Spannung (60) der Spannung der Traktionsbatterie (40) nähert, eine Frequenz der Vorladeschaltung (44) Null nähert.
Verfahren für das Vorladen einer elektrischen Last (72) aus einer Batterie (40), umfassend folgende Schritt: durch eine Steuereinheit (54), Empfangen eines Signals, um einen Schütz (42) zu schließen; unter Verwendung eines Stromsensors (56), Messen (206) eines Stroms (I_L) von der Traktionsbatterie (40) durch eine Induktivität (102) zu der elektrischen Impedanz (72), wobei die Induktivität (102) parallel zum Schütz (42) geschaltet ist; Betreiben (210, 214) einer Schalteinheit (100), um einen Strom (I_L) durch die Induktivität (102) auf der Grundlage des gemessenen Stroms (I_L) zu steuern; und Schließen des Schützes (42) als Reaktion darauf, dass der gemessene Strom (I_L) unter einen vorbestimmten Wert (I_TL) fällt, während die Schalteinheit (100) aktiviert wird, wobei der Stromsensor (56) einen Maximalwert aufweist, bei dem der durch die Impedanz (102) fließende Strom (I_L), der kleiner ist als ein Nennstrom der elektrischen Last (72), verursacht, dass der Stromsensor (56) auf dem Maximalwert in eine Sättigung geht, gekennzeichnet durch ein Messen einer Zeit, die der gemessene Strom (I_L) benötigt, um unter den vorbestimmten Wert zu fallen, und ein Speichern eines Diagnosecodes, wenn die gemessene Zeit eine erste vorbestimmte Zeit überschreitet oder unter einer zweiten vorbestimmten Zeit liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Betreiben der Schalteinheit (100), um den Strom (I_L) durch die Induktivität (102) zu steuern, ein Erzeugen einer Frequenz und eines Auslastungsgrads der Schalteinheit (100) auf der Grundlage eines Fehlers zwischen einem gewünschten Strom und dem gemessenen Strom (I_L) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Betreiben der Schalteinheit (100), um den Strom (I_L) durch die Induktivität (102) zu steuern, ein Erzeugen einer Frequenz und eines Auslastungsgrads der Schalteinheit (100) umfasst, um den gemessenen Strom (I_L) in einen vorbestimmten Bereich zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorbestimmte Bereich auf einer Kapazität (48) einer elektrischen Last (72) und einer gewünschten Vorladezeit beruht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Strom (I_L) durch die Induktivität (102) auf einen Wert gesteuert wird, der wesentlich geringer ist als ein Nennstrom der elektrischen Last (72).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Betreiben der Schalteinheit (100), um den Strom (I_L) durch die Induktivität (102) zu steuern, ein Einschalten der Schalteinheit (100), wenn der gemessene Strom (I_L) unter einen ersten vorbestimmten Schwellenwert (I_TL) fällt, und ein Ausschalten der Schalteinheit (100) umfasst, wenn der gemessene Strom (I_L) einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert (I_TH) überschreitet, der größer ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert(I_TL), sodass sich ein Auslastungsgrad und eine Schaltfrequenz für die Schalteinheit (100) ergeben.