DE102015101187A1 - Hochvolt-Lade-Booster und Verfahren zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule sowie entsprechendes Elektrofahrzeug - Google Patents

Hochvolt-Lade-Booster und Verfahren zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule sowie entsprechendes Elektrofahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt einen Hochvolt-Lade-Booster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule mit den folgenden Merkmalen bereit: einem Konverter (14) zum Transformieren der ersten Spannungslage in die zweite Spannungslage, wenn die erste Spannungslage von der zweiten Spannungslage abweicht, und einem Bypass (16) zum Überbrücken des Konverters (14) beziehungsweise Durchschalten einer Leistungsstufe, wenn die erste Spannungslage mit der zweiten Spannungslage übereinstimmt. Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Elektrofahrzeug, Verfahren, Computerprogramm und Speichermedium bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochvolt-Lade-Booster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Elektrofahrzeug, Verfahren, Computerprogramm und Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Der Stand der Technik umfasst Elektrofahrzeuge mit einer Gleichstrom-Traktionsbatterie, die beispielsweise eine Gleichstrom-Spannungslage von 800 V aufweisen. Um die Traktionsbatterie aufzuladen, wird das Elektrofahrzeug induktiv oder kabelgebunden über eine Ladesäule mit dem stationären Wechselstromnetz verbunden. Dann kann direkt mit Gleichstrom geladen werden, wobei ein in die Ladesäule integrierter AC/DC-Wandler zum Einsatz kommt. Alternativ wird mit Wechselstrom geladen, was einen im Elektrofahrzeug integrierten AC/DC-Wandler voraussetzt.
  • US 2008/0215200 A1 offenbart ein Steuersystem und Hybridfahrzeuge mit neukonfigurierbarem Multifunktionsumrichter. Die genannte Druckschrift beschreibt in diesem Zusammenhang insbesondere ein Ansteuerverfahren zum Laden mit Wechselstrom.
  • US 2010/0231169 A1 erörtert die allgemeine Energiewandlung anhand einer Ladespannung von beispielsweise 450 V bei unterschiedlichen Hochvolt-Spannungen in einem Elektrofahrzeug.
  • US 2011/0148353 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum schnellen Laden mittels geteilter Leistungselektronik und beschreibt vorrangig den Aufbau von Gleichstrom-Ladesäulen, deren Gleichstrombus im Wege der Energiewandlung von einem Wechselstrom gespeist wird.
  • US 2012/0049794 A1 offenbart ein AC-Ladegerät, das zwei Hochvoltbatterien versorgt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt einen Hochvolt-Lade-Booster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule, ein entsprechendes Elektrofahrzeug, Verfahren, Computerprogramm und Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Ein Vorzug dieser Lösung liegt in ihrer durch Nutzung bestehender 400-V-Infrastruktur erreichten Unabhängigkeit vom Aufbau einer 800-V-Infrastruktur und diesbezüglicher länderspezifischer und politischer Entscheidungen. Auf diese Weise vermag der vorgeschlagene Ansatz universell intelligent zu entscheiden, dass weltweit die Ladekompatibilität in den nächsten Jahren sichergestellt wird.
  • Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass automatisch zwischen einer Gleichspannung von 400 V und 800 V entschieden werden kann und, wenn 400 V vorliegen, automatisch mittels einer Schaltmatrix umgeschaltet und ein Konverter in Betrieb genommen wird. Alternativ kann parallel an neuer 800-V-Infrastruktur noch schneller geladen werden.
  • In Betracht kommt dabei insbesondere ein nicht galvanisch getrennter sogenannter bidirektionaler Konverter mit wählbarer Leistungsflussrichtung und einem Spannungsbereich der speisenden Gleichstrom-Infrastruktur zwischen 200 und 700 V, der bei Vorliegen einer 800-V-Infrastruktur umgangen oder durch Durchschalten der Leistungsstufe zugunsten eines unmittelbaren Ladevorgangs passiv gestellt werden kann. Die an der Hochvolt-Batterie anliegende Ausgangsspannung liegt dabei oberhalb der Eingangsspannung zwischen 450 und 950 V bei einer Welligkeit von unter 1 % und wird softwaremäßig mittels einer internen Spannungs- und Stromregelung gesteuert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So lässt sich der Konverter derart auslegen, dass der Booster bei einer Leistung von bis zu 200 kW und darüber die Traktionsbatterie mit einem Ausgangsstrom zwischen 175 A und 200 A lädt, wenn die Ladesäule den Booster mit einem Eingangsstrom zwischen 330 A und 350 A speist, die erste Spannungslage zwischen 200 V und 600 V und die zweite Spannungslage 700 bis 900 V beträgt, wobei zukünftige Ausführungsformen durchaus höhere Spannungslagen unterstützen mögen. Erreicht wird so eine maximale Ausnutzung der 400-V-Lade-Infrastruktur durch konstantes Laden mit bis zu 450 V bei entsprechender Reduzierung der Ladezeit gegenüber herkömmlichem AC-Laden. Dabei bleibt die Unabhängigkeit der Spannungsanhebung durch die Hochvoltbatterie über deren Ladestand erhalten, was bei einem Ladestrom von 350 A einem Leistungsvorteil von 25 kW entspricht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Booster einen Rauminhalt von weniger als 6 l auf. Der benötigte Bauraum entspricht somit jenem eines 11-kW-Bordladegerätes, was hinsichtlich entsprechend ausgerüsteter Fahrzeuge eine Vielzahl möglicher Angebotsoptionen eröffnet. Ein derartiges Fahrzeug ist insbesondere bei flächendeckend vorhandener 800-V-Infrastruktur bauraumneutral auf 22-kW-Wechselstromladen umrüstbar.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 zeigt den Schaltplan einer Vorrichtung zum Laden einer Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule bei einer Spannungslage von 400 V.
  • 2 zeigt die Systemübersicht eines 400-V-Boosters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt den Programmablaufplan eines Computerprogramms gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert die zum Laden einer Traktionsbatterie 12 an einer Gleichstrom-Ladesäule bei einer Spannungslage von 400 V gestellten Anforderungen an ein Elektrofahrzeug. Die einschlägigen Auslegungskriterien umfassen dabei eine Leistung von 150 kW zum Transformieren der ersten Spannungslage Vin von 450 V einer Gleichstrom-Ladesäule in eine zweite Spannungslage Vout zwischen 600 V und 900 V, insbesondere von 800 V. Auf der 450-V-Seite resultiert in diesem Fall ein Eingangsstrom von 333 A, was eine Auslegung auf 350 A nahelegt, während sich auf der 800-V-Seite ein Ausgangsstrom von 175 A einstellt.
  • Der in 1 gezeigte Konverter 14 genügt im Wesentlichen den genannten Anforderungen. Offen bleibt dabei die Frage nach der Realisierung eines Bypasses für 800 V.
  • Der erfindungsgemäße Hochvolt-Lade-Booster 10 gemäß 2 umfasst einen solchen Bypass 16, welcher den Konverter 14 elektrisch überbrückt, wenn die erste Spannungslage Vin der Ladesäule mit der zweiten Spannungslage Vout der Traktionsbatterie 12 übereinstimmt. Wenn die erste Spannungslage Vin hingegen von der zweiten Spannungslage Vout abweicht, wird der Konverter 14 nicht vom Bypass 16 überbrückt, sondern transformiert die erste Spannungslage Vin in die zweite Spannungslage Vout. Dies wäre beispielsweise in der abbildungsgemäßen Schalterstellung des Bypasses 16 anzunehmen, in welcher die Ladesäule den Booster 10 mit einem Eingangsstrom zwischen 330 A und 350 A speist, die erste Spannungslage Vin zwischen 400 V und 450 V und die zweite Spannungslage Vout 800 V beträgt. Der Booster 10 lädt die Traktionsbatterie 12 in diesem Szenario bei einer Leistung von 150 kW mit einem Ausgangsstrom von bis zu 200 A, sodass die Traktionsbatterie 12 den Elektromotor 18 des – in seiner Gesamtheit nicht abgebildeten – Elektrofahrzeuges 10, 12, 18, 19, 20, 22, 24 über dessen hintere Leistungselektronik 19 speist.
  • Neben den bereits genannten Komponenten umfasst das Elektrofahrzeug 10, 12, 18, 19, 20, 22, 24 zwei Bordladegeräte 20, 22, welche bei einer jeweiligen Leistung von 11 kW die Traktionsbatterie 12 mit einem Ausgangsstrom von 28 A laden, wenn eine entsprechend ausgelegte Wechselstrom-Ladesteckdose das Bordladegerät 20, 22 über dessen Ladebuchse 24 mit einem dreiphasigen Eingangsstrom von bis zu 32 A versorgt.
  • Das Verfahren zum Aufladen des erörterten Elektrofahrzeuges 10, 12, 18, 19, 20, 22, 24 an einer Gleichstrom-Ladesäule mit einer ersten Gleichstrom-Spannungslage von 400 V sei nunmehr anhand der durch 3 umrissenen Ablaufsteuerung erläutert, die gleichermaßen in dem Bordladegerät 20, 22 oder in dem Booster 10 verortet sein mag. Die entsprechende Softwarefunktion umfasst hierzu ein erstes Softwaremodul zur Booststeuerung, ein zweites Softwaremodul zur Erkennung und Plausibilisierung des Boostbetriebes, ein drittes Softwaremodul zur Bewertung des Istzustandes der relevanten Komponenten, ein viertes Softwaremodul zum Boost-Derating, ein fünftes Softwaremodul zur Betätigung des Boost-Schaltschützes, ein sechstes Softwaremodul zur PLC-Booststeuerung mit der Ladeinfrastruktur, ein siebtes Softwaremodul zur Plausibilisierung der Ladeströme, ein achtes Softwaremodul für Historienwerte sowie ein neuntes Softwaremodul zum Beenden des Boostes.
  • In einem ersten Verfahrensschritt 31 wird das Elektrofahrzeug 10, 12, 18, 19, 20, 22, 24 hierbei an eine 400-V-Gleichstrom-Infrastruktur angeschlossen. In einem zweiten Verfahrensschritt 32 bewertet das dritte Softwaremodul, ob der 800-V-Booster 10 betriebsbereit ist. Im Falle erwiesener Betriebsbereitschaft 43 bewertet sodann in einem dritten Verfahrensschritt 33 das sechste Softwaremodul, ob eine 400-V- oder 800-V-Ladesäule am Elektrofahrzeug 10, 12, 18, 19, 20, 22, 24 angeschlossen ist.
  • Führt diese Bewertung zur Erkennung einer ersten Spannungslage Vin von 400 V, so startet die PLC in einem vierten Verfahrensschritt 34 mit dem Austausch aller laderelevanten Informationen. In einem fünften Verfahrensschritt 35 berechnet das erste Softwaremodul alle Gleichstrom-laderelevanten Informationen und übermittelt diese der Infrastruktur. In Betracht kommen etwa ein Sollstrom oder eine Sollspannung. Das vierte Softwaremodul prüft nunmehr in einem sechsten Verfahrensschritt 36, ob die berechnete Leistung durch den 800-V-Booster 10 übertragen werden kann. Ergibt die ordnungsgemäße Prüfung, dass diese Leistung ohne Einschränkung 44 übertragen werden kann, so startet das vierte Softwaremodul in einem siebten Verfahrensschritt 37 den Ladevorgang.
  • In einem achten Verfahrensschritt 38 steuert das fünfte Softwaremodul die Umschaltung des Schaltschützes für die Aufschaltung von Leistung auf den 800-V-Booster 10 und unterliegt dabei der Überwachung 45 durch das vierte Softwaremodul. Während der durch den 800-V-Booster 10 vorgenommenen Wandlung 46 von Energie auf die zweite Spannungslage Vout von 800 V plausibilisiert das siebte Softwaremodul in einem neunten Verfahrensschritt 39 die durch das sechste Softwaremodul von der Infrastruktur gemeldeten Ladeströme angesichts der Istwerte des 800-V-Boosters 10. In einem zehnten Verfahrensschritt 40 startet das achte Softwaremodul und speichert alle Umweltdaten.
  • Das gleichsam mit einer „Watchdogfunktion“ betraute zweite Softwaremodul überwacht seinerseits in einem elften Verfahrensschritt 41 parallel den kompletten Ladebetrieb und verwaltet das erste Softwaremodul, dritte Softwaremodul, vierte Softwaremodul, fünfte Softwaremodul, sechste Softwaremodul, siebte Softwaremodul und achte Softwaremodul, bis schließlich das neunte Softwaremodul in einem zwölften Verfahrensschritt 42 den Ladevorgang durch Funkfernbedienung, Tasten- oder Touchfeld oder die Ladeinfrastruktur selbst beendet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Hochvolt-Lade-Booster (10) zum Laden einer Traktionsbatterie (12) an einer Gleichstrom-Ladesäule, wobei die Ladesäule eine erste Spannungslage (Vin) und die Traktionsbatterie (12) eine zweite Spannungslage (Vout) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – einen Konverter (14) zum Transformieren der ersten Spannungslage (Vin) in die zweite Spannungslage (Vout), wenn die erste Spannungslage (Vin) von der zweiten Spannungslage (Vout) abweicht, und – einen Bypass (16) zum Überbrücken des Konverters (14) beziehungsweise Durchschalten einer Leistungsstufe, wenn die erste Spannungslage (Vin) mit der zweiten Spannungslage (Vout) übereinstimmt.
  2. Hochvolt-Lade-Booster (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (14) vorzugsweise bidirektional und derart ausgelegt ist, dass der Booster (10) bei einer Leistung von bis zu 150 kW die Traktionsbatterie (12) mit einem Ausgangsstrom von bis zu über 200 A lädt, wenn die Ladesäule den Booster (10) mit einem Eingangsstrom zwischen 330 A und 350 A speist, die erste Spannungslage (Vin) zwischen 200 V und 450 V und die zweite Spannungslage (Vout) 800 V beträgt.
  3. Hochvolt-Lade-Booster (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Booster (10) einen Rauminhalt von annähernd 6 l aufweist.
  4. Elektrofahrzeug (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – einen Elektromotor (18) zum Antreiben des Elektrofahrzeuges (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24), – eine Traktionsbatterie (12) zum Speisen des Elektromotors (18), – mindestens ein Bordladegerät (20, 22) zum Laden der Traktionsbatterie (12) an einer Wechselstrom-Ladesteckdose, – einen Hochvolt-Lade-Booster (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Laden der Traktionsbatterie (12) an einer Gleichstrom-Ladesäule, – eine Verkabelung des Bypasses (16) und – einen mit dem Hochvolt-Lade-Booster (10) verkabelten Bordcomputer.
  5. Elektrofahrzeug (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Elektrofahrzeug (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24) umfasst zwei Bordladegeräte (20, 22) und – die Bordladegeräte (20, 22) sind derart ausgelegt, dass die Bordladegeräte (20, 22) bei einer jeweiligen Leistung von 11 kW die Traktionsbatterie (12) mit einem Ausgangsstrom von 28 A laden, wenn die Ladesteckdose das Bordladegerät (20, 22) mit einem dreiphasigen Eingangsstrom von bis zu 32 A speist und die zweite Spannungslage (Vout) 700 bis 900 V oder mehr beträgt.
  6. Verfahren zum Aufladen eines Elektrofahrzeuges (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24) nach einem der Ansprüche 4 oder 5 an einer Gleichstrom-Ladesäule mit einer ersten Spannungslage (Vin) von 400 V, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – ein Anschließen (31) des Elektrofahrzeuges (10, 12, 18, 19, 20, 22, 24) an die Ladesäule, – eine Bewertung (32) einer Betriebsbereitschaft des Boosters (10), – eine Erkennung (33) der ersten Spannungslage (Vin) bei gegebener Betriebsbereitschaft (43), – eine Einleitung (34) eines Informationsaustausches mit der Ladesäule bei erkannter erster Spannungslage (Vin), – eine Übermittlung (35) laderelevanter Informationen an die Ladesäule, – eine Verfügbarkeitsprüfung (36) einer benötigten Leistung des Boosters (10), – eine Aufnahme (37) eines Ladevorganges, – eine Aufschaltung (38) der Leistung auf den Booster (10), – eine Plausibilisierung (39) eines von der Ladesäule fließenden Ladestromes, – eine Speicherung (40) von Umweltdaten, – eine Überwachung (41) des Ladevorganges und – eine Beendigung (42) des Ladevorganges.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Übermittlung (35) der laderelevanten Informationen erfolgt durch ein erstes Softwaremodul zum Steuern des Ladevorganges, – die Überwachung (41) des Ladevorganges erfolgt durch ein zweites Softwaremodul zum Erkennen und Plausibilisieren des Ladevorganges, – die Bewertung (32) der Betriebsbereitschaft erfolgt durch ein drittes Softwaremodul zum Bewerten eines Istzustandes, – die Verfügbarkeitsprüfung (36) der Leistung und Aufnahme des Ladevorganges erfolgt durch ein viertes Softwaremodul zum Drosseln des Ladevorganges, – die Aufschaltung (38) der Leistung erfolgt durch ein fünftes Softwaremodul zum Umschalten eines Schaltschützes, – die Erkennung (33) der ersten Spannungslage (Vin) erfolgt durch ein sechstes Softwaremodul zum Kommunizieren mit der Ladesäule, – die Plausibilisierung (39) der Ladeströme erfolgt durch ein siebtes Softwaremodul zum Plausibilisieren der Ladeströme, – die Speicherung (40) der Umweltdaten erfolgt durch ein achtes Softwaremodul zum Speichern von Historiendaten und – die Beendigung (42) des Ladevorganges erfolgt durch ein neuntes Softwaremodul zum Beenden des Ladevorganges.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Bordladegerät (20, 22) oder in dem Booster (10) verortete Softwarefunktion die Softwaremodule umfasst.
  9. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8 durchzuführen.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.
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