DE102015101283A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie an einem Wechselstromnetz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie an einem Wechselstromnetz Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, an einem Wechselstromnetz mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Hochvoltbatterie wird mittels eines mehrere Spannungsschienen (L1, L2, L3) umfassenden Ladegerätes (OBC) an das Wechselstromnetz angeschlossen, wobei jeder Spannungsschiene (L1, L2, L3) ein Filterkondensator (Cy) zugeordnet ist; eine größtmögliche Ladeleistung des Wechselstromnetzes wird berechnet; mindestens eine für die berechnete Ladeleistung entbehrliche Spannungsschiene (L1, L2, L3) unter den Spannungsschienen (L1, L2, L3) wird ausgewählt; und die den entbehrlichen Spannungsschienen (L1, L2, L3) zugeordneten Filterkondensatoren (Cy) werden abgeschaltet. Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, an einem Wechselstromnetz. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • Fahrzeugseitige Ladevorrichtungen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind hinlänglich bekannt. Derartige elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen über eine Gleichstrom-Hochvoltbatterie, welche über ein fahrzeugseitiges Ladegerät mit dem stationären Wechselstromnetz verbunden werden kann, um die Gleichstrom-Hochvoltbatterie aufzuladen. Dabei umfasst das fahrzeugseitige Ladegerät einen Eingangsfilter zur Entstörung der leitungsgeführten Emissionen in Richtung des Wechselstromnetzes.
  • In Netzfiltern der beschriebenen Art werden mitunter spezielle Sicherheits-Entstörkondensatoren eingesetzt. Zur Unterdrückung sogenannter Gleichtaktstörungen, die in gleicher Phase auf Außenleiter und Neutralleiter gegenüber Erde auftreten, dienen dabei besonders sichere und überspannungsfeste Kondensatoren. Deren kapazitive Kopplung verursacht jedoch einen elektrischen Strom, der selbst unter üblichen Betriebsbedingungen in einem unerwünschten Strompfad über den Schutzleiter fließt. Ein solcher Strom ist dem Elektroingenieur gemäß IEV 195-05-15 als Ableitstrom bekannt und kann beispielsweise einen Fehlerstromschutzschalter auslösen.
  • Wenn nun fahrzeugseitig mehrere Ladegeräte elektrisch parallel geschaltet sind, um die elektrische Ladeleistung zu erhöhen, erhöht sich auch der Ableitstrom. Dadurch kann es zum Überschreiten der gesetzlichen Vorgaben kommen.
  • US 5,672,952 offenbart zur Minderung des Ableitstromes eine Batterieladesteuerung, die die Spannung über das Netzelement eines zugeordneten Ladegerätes überwacht und einen Schalter öffnet, der den Stromfluss durch die Steuerung hemmt, wenn die Spannung über dem Durchgangselement im Wesentlichen gleich Null ist.
  • US 2013/0308230 A1 hingegen schlägt eine Ladevorrichtung für eine Batterie eines Fahrzeugs vor, die eine Isolationswiderstand-Erfassungsschaltung, eine Ladeschaltung, eine Kriechstrom-Erfassungsschaltung und eine Entkopplungsschaltung umfasst. Die Isolationswiderstand-Erfassungsschaltung enthält einen Kopplungskondensator und ist zwischen der Batterie und einer Fahrzeugkarosserie zur Erfassung eines Isolationswiderstandes zwischen der Batterie und der Fahrzeugkarosserie angeordnet. Die Ladeschaltung wandelt einen von einer Wechselstromquelle zugeführten Wechselstrom in einen Gleichstrom und lädt die Batterie in einem Zustand, ohne den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss zu isolieren, und in einem Zustand, in dem die Fahrzeugkarosserie mit einer Masse gekoppelt ist. Die Kriechstrom-Erfassungsschaltung erfasst einen Kriechstrom zwischen der Ladeschaltung und der Masse. Die Entkopplungsschaltung entkoppelt die Isolationswiderstand-Erfassungsschaltung von der Batterie oder der Fahrzeugkarosserie während eines Ladens der Batterie.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie an einem Wechselstromnetz, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Der vorgeschlagene Ansatz fußt auf einer intelligenten Erkennung der verfügbaren und angeschlossenen AC-Infrastruktur. Diese vorangehende Bewertung der Randparameter ermöglicht eine aktive und adaptive AC-Filtersteuerung. Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der durch die präventive Trennung einzelner Spannungsschienen erzielte Verringerung des Ableitstromes.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann der die Spannungsschiene mit dem Schutzleiter des Wechselstromnetzes verbindende Filterkondensator als Y-Kondensator nach IEC 60384-1 ausgeführt sein. Ein derartiger Kondensator verringert bei begrenzter Kapazität die Gefahr eines Versagens durch Kurzschluss beträchtlich und verbessert so die elektrische und mechanische Sicherheit des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Vorzugsweise wird der besagte Y-Kondensator mittels eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors abgeschaltet, welcher den Y-Kondensator mit dem Schutzleiter verbindet. Entsprechende Leistungstransistoren zeichnen sich durch eine schnelle Schaltzeit und stabile Verstärkungs- und Antwortzeiten aus.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 verdeutlicht die grundlegende Funktionsweise der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert die Wirkung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung anhand des fahrzeugseitigen Ladegerätes OBC für die – selbst nicht dargestellte – Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges. Auf dem maschinenlesbaren Speichermedium eines geeigneten Steuergerätes des Fahrzeuges ist zu diesem Zweck ein Computerprogramm gespeichert, welches dazu eingerichtet ist, die nachfolgend beschriebenen methodischen Schritte auszuführen.
  • Die als Hochvoltbatterie ausgeführte Traktionsbatterie wird hierbei zunächst mittels des Ladegerätes OBC an das Wechselstromnetz angeschlossen. Zur Erhöhung der Störfestigkeit verfügt das Ladegerät OBC über einen drei Filterkondensatoren Cy umfassenden Netzfilter, wobei jeder der als Y-Kondensator Cy ausgebildeten Filterkondensatoren Cy die ihm zugeordnete Spannungsschiene L1, L2, L3 des Ladegerätes OBC mit dem Schutzleiter PE des Wechselstromnetzes verbinden kann. Wahlweise lässt sich jede der beschriebenen Verbindungen jedoch mittels eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors 10 unterbrechen, der zwischen dem jeweiligen Y-Kondensator Cy und dem Schutzleiter PE angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß wird nun zunächst im Wege einer Wechselspannungsmessung 22 durch ein – lediglich schematisch am unteren Rande der Abbildung wiedergegebenes – Ladeleistungsberechnungsmodul 12 die größtmögliche Ladeleistung des Wechselstromnetzes berechnet. Ein mit dem besagten Ladeleistungsberechnungsmodul 12 verbundenes Spannungsschienenauswahlmodul 14 wählt sodann unter den Spannungsschienen L1, L2, L3 gegebenenfalls eine oder mehrere Spannungsschienen L1, L2, L3 aus, die zur Erbringung der berechneten Ladeleistung nicht zwingend benötigt werden, und gibt diese Information an ein verbundenes Filterkondensatorabschaltmodul 16 weiter. Ladeleistungsberechnungsmodul 12, Spannungsschienenauswahlmodul 14 und Filterkondensatorabschaltmodul 16 sind hierbei jeweils bidirektional mit einem assoziierten Sicherheitsabfragemodul 18 verbunden.
  • Aufgrund der ihm vorliegenden Steueranweisungen wählt schließlich das Filterkondensatorabschaltmodul 16 eine geeignete Schaltmatrix aus, die zumindest teilweise durch den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor 10 implementiert wird, und trennt den Y-Kondensator Cy von dem Schutzleiter PE. Ein etwaiger Ableitstrom von dem Y-Kondensator Cy über den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor 10 in den Schutzleiter PE wird auf diese Weise unterbrochen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5672952 [0005]
    • US 2013/0308230 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • IEC 60384-1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie an einem Wechselstromnetz, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Hochvoltbatterie wird mittels eines mehrere Spannungsschienen (L1, L2, L3) umfassenden Ladegerätes (OBC) an das Wechselstromnetz angeschlossen, wobei jeder Spannungsschiene (L1, L2, L3) ein Filterkondensator (Cy) zugeordnet ist, – eine größtmögliche Ladeleistung des Wechselstromnetzes wird berechnet, – mindestens eine für die berechnete Ladeleistung entbehrliche Spannungsschiene (L1, L2, L3) unter den Spannungsschienen (L1, L2, L3) wird ausgewählt und – die den entbehrlichen Spannungsschienen (L1, L2, L3) zugeordneten Filterkondensatoren (Cy) werden abgeschaltet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einer Spannungsschiene (L1, L2, L3) zugeordnete Filterkondensator (Cy) die Spannungsschiene (L1, L2, L3) mit einem Schutzleiter (PE) des Wechselstromnetzes verbindet, wobei der Filterkondensator (Cy) ein Y-Kondensator (Cy) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Y-Kondensator (Cy) mittels eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (10) abgeschaltet wird, welcher den Y-Kondensator (Cy) mit dem Schutzleiter (PE) verbindet.
  4. Verfahren nach einem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Y-Kondensator (Cy) abgeschaltet wird, indem eine den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (10) umfassende Schaltmatrix des Ladegerätes (OBC) ausgewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Ladeleistung, das Auswählen der Spannungsschienen (L1, L2, L3) und das Abschalten der Filterkondensatoren (Cy) eine Sicherheitsabfrage umfassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Ladeleistung eine Wechselspannungsmessung (22) umfasst.
  7. Vorrichtung zum elektrischen Laden einer Hochvoltbatterie an einem Wechselstromnetz, insbesondere in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Vorrichtung ist einerseits an die Hochvoltbatterie und andererseits an das Wechselstromnetz anschließbar, – die Vorrichtung umfasst mehrere Spannungsschienen (L1, L2, L3) und Filterkondensatoren (Cy), wobei jeder Spannungsschiene (L1, L2, L3) ein Filterkondensator (Cy) zugeordnet ist, – die Vorrichtung umfasst ein Ladeleistungsberechnungsmodul (12) zum Berechnen einer größtmöglichen Ladeleistung des Wechselstromnetzes, – die Vorrichtung umfasst ein mit dem Ladeleistungsberechnungsmodul (12) verbundenes Spannungsschienenauswahlmodul (14) zum Auswählen einer für die berechnete Ladeleistung entbehrlichen Spannungsschiene (L1, L2, L3) unter den Spannungsschienen (L1, L2, L3) und – die Vorrichtung umfasst ein mit dem Spannungsschienenauswahlmodul (14) verbundenes Filterkondensatorabschaltmodul (16) zum Abschalten der den entbehrlichen Spannungsschienen (L1, L2, L3) zugeordneten Filterkondensatoren (Cy).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein mit dem Ladeleistungsberechnungsmodul (12), dem Spannungsschienenauswahlmodul (14) und dem Filterkondensatorabschaltmodul (16) verbundenes Sicherheitsabfragemodul (18).
  9. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
  10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.
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