DE102015209081A1

DE102015209081A1 - Elektrisches System und Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators eines elektrischen Systems

Info

Publication number: DE102015209081A1
Application number: DE102015209081.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Fleischer; Jan Steiner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System (1), umfassend mindestens eine Hochvolt-Batterie (2), mindestens eine Niedervolt-Batterie (3), einen zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und der Niedervolt-Batterie (3) angeordneten DC/DC-Wandler (4), mindestens ein Leistungsrelais (8) zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und dem DC/DC-Wandler (4) und mindestens einen Zwischenkreiskondensator (5), wobei das elektrische System (1) mindestens eine Schaltung zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators (5) aufweist, wobei die Schaltung als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (4, 14) ausgebildet ist, der mit einer Spannungsquelle im elektrischen System (1) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (4, 14) derart ausgebildet ist, dass dieser elektrische Energie zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators (5) auf eine Hochvoltseite (HVS) mit dem Zwischenkreiskondensator (5) übertragen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System und ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators eines elektrischen Systems.
Aus der DE 10 2007 047 619 A1 ist ein elektrisches System bekannt, umfassend mindestens eine Hochvolt-Batterie, mindestens eine Niedervolt-Batterie und einen zwischen der Hochvolt-Batterie und der Niedervolt-Batterie angeordneten DC/DC-Wandler. Dabei ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, d.h. dieser kann als Hochsetz- oder Tiefsetzsteller arbeiten. Weiter weist das elektrische System zwei Leitungsrelais auf, mittels derer die Hochvolt-Batterie allpolig galvanisch abgetrennt werden kann. Zwischen der Hochvolt-Batterie und dem DC/DC-Wandler ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet. Schließlich weist das elektrische System noch eine Schaltung zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators auf, die aus einem Widerstand und einem Leistungsrelais besteht, die parallel zu dem einen Leistungsrelais zur Trennung der Hochvolt-Batterie angeordnet ist. Im Ruhezustand sind alle Relais offen. Soll dann die Hochvolt-Batterie zugeschaltet werden, so wird das Relais in der Minus-Leitung und das Relais der Schaltung geschlossen. Dadurch fließt zunächst ein durch den Widerstand begrenzter Strom, der den Zwischenkreiskondensator auflädt. Anschließend kann das Relais in der Plus-Leitung geschlossen werden, wodurch die Schaltung kurzgeschlossen wird und das Relais der Schaltung kann geöffnet werden. Nachteilig an dieser Art der Vorladung ist es, dass es zu Verlusten am Widerstand kommt. Des Weiteren ist diese Lösung bauraumintensiv, da die Relais eine nicht unerhebliche Größe aufweisen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein elektrisches System sowie ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators eines elektrischen Systems zu schaffen, mittels derer eine Schaltung zum Vorladen mittels Widerstand und Relais ersetzt werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein elektrisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das elektrische System umfasst mindestens eine Hochvolt-Batterie und mindestens eine Niedervolt-Batterie. Zwischen der Hochvolt-Batterie und der Niedervolt-Batterie ist ein DC/DC-Wandler angeordnet. Zwischen der Hochvolt-Batterie und dem DC/DC-Wandler ist mindestens ein Leistungsrelais angeordnet, um die Hochvolt-Batterie galvanisch abzutrennen. Weiter ist parallel zwischen Hochvolt-Batterie und DC/DC-Wandler mindestens ein Zwischenkreiskondensator angeordnet. Weiter weist das elektrische System eine Schaltung zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators auf, die als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Der DC/DC-Wandler ist mit einer Spannungsquelle im elektrischen System verbunden und derart ausgebildet, dass dieser elektrische Energie zum Aufladen bzw. Verladen des Zwischenkreiskondensators auf eine Hochvoltseite übertragen kann. Hierdurch kann auf die Reihenschaltung von Widerstand und Relais verzichtet werden. Der Vorteil ist, dass die Vorladung besser gesteuert werden kann und durch die Verwendung galvanisch getrennter (transformatorischer) DC/DC-Wandler auch eine galvanische Trennung gewährleistet bleibt. Die Spannungsquelle kann dabei die Hochvolt-Batterie, die Niedervolt-Batterie oder eine andere Spannungsquelle sein. Das elektrische System ist beispielsweise Bestandteil eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, kann aber auch in anderen Bereichen angewendet werden. Der DC/DC-Wandler zur Vorladung wird dabei vorzugsweise durch ein Steuergerät gesteuert, das die Zuschaltung der Hochvolt-Batterie steuert.
In einer ersten Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler zwischen der Hochvolt-Batterie und der Niedervolt-Batterie als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet, der dann den DC/ DC-Wandler für die Vorladung des Zwischenkreiskondensators bildet. Bei dieser Ausführungsform ist dann die Niedervolt-Batterie die Spannungsquelle. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der Bauteileaufwand auf ein Minimum beschränkt ist, insbesondere da es ohnehin im Stand der Technik Ausführungen des DC/DC-Wandlers gibt, wo der DC/DC-Wandler aus anderen Gründen bereits bidirektional ausgebildet ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler zum Vorladen als Tiefsetzsteller ausgebildet, der mit der Hochvolt-Batterie verbunden ist und parallel zu dem mindestens einen Leistungsrelais angeordnet ist. In diesem Fall ist die Spannungsquelle die Hochvolt-Batterie. In diesem Fall kann dann der DC/DC-Wandler zwischen Hochvolt- und Niedervolt-Batterie auch wieder als uni-direktionaler DC/DC-Wandler ausgebildet sein.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler zum Vorladen in einer Hochvolt-Komponente integriert, wobei der DC/DC-Wandler mit der Niedervolt-Batterie vorhanden ist. Der Grundgedanke dabei ist, dass viele Hochvolt-Komponenten bereits Schaltungen aufweisen, die durch geringe Modifikationen zu einem DC/DC-Wandler ertüchtigt werden können. Beispielsweise weisen einige Hochvolt-Komponenten Controller auf, denen ein DC/DC-Wandler zugeordnet ist, um die Spannung der Niedervolt-Batterie auf die Betriebsspannung des Controllers herunterzusetzen. Diese Tiefsetzsteller können dann leicht durch entsprechende Zusatzbeschaltung zu Hochsetzstellern umgebaut werden.
In einer Ausführungsform ist die Hochvolt-Komponente als Wechselrichter ausgebildet, der zwischen der Hochvoltseite und einem Elektromotor angeordnet ist. Alternativ kann die Hochvolt-Komponente ein Ladegerät oder ein Klimakompressor sein.
In einer Ausführungsform weist das elektrische System mindestens eine Diagnoseeinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass die Energieübertragung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators ermittelt wird und daraus ein Zustand der Hochvoltseite ermittelt wird. Beispielsweise kann ein zu großer Stromfluss ermittelt werden, der dann auf einen Kurzschluss hinweist, sodass beispielsweise als Reaktion die Zuschaltung der Hochvolt-Batterie unterbunden wird.
In einer Ausführungsform weist das elektrische System eine Leistungs-Diagnoseeinheit auf, mittels derer ermittelbar ist, ob die elektrische Spannungsquelle zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators ausreichend Energie übertragen kann, um den Zwischenkreiskondensator ausreichend vorzuladen. Ergibt die Diagnose, dass nicht ausreichend Energie vorhanden ist, so wird die Inbetriebnahme des Fahrzeugs, insbesondere das Schließen des oder der Leistungsrelais, verhindert. Der Nutzer des Fahrzeugs kann dann beispielsweise über eine Warnmeldung entsprechend informiert werden, dass eine Fremd-Starthilfe benötigt wird. Die Leistungs-Diagnoseeinheit kann dabei auch in die Diagnoseeinheit zur Ermittlung der Energieübertragung integriert werden.
Vorzugsweise weist das elektrische System zwei Leistungsrelais auf, um die Hochvolt-Batterie allpolig galvanisch zu trennen.
Hinsichtlich des Verfahrens kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Systems in einer ersten Ausführungsform und
2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Systems in einer weiteren Ausführungsform.
In der 1 ist ein elektrisches System 1 dargestellt, umfassend eine Hochvolt-Batterie 2 und eine Niedervolt-Batterie 3. Beispielsweise beträgt die Spannung der Hochvolt-Batterie 2 mehrere Hundert Volt und die der Niedervolt-Batterie 3 12 V oder 24 V. Die Niedervolt-Batterie 3 ist hierbei eine Bordnetzbatterie und versorgt insbesondere die elektrischen Verbraucher wie beispielsweise Controller und Steuergeräte. Zwischen der Hochvolt-Batterie 2 und der Niedervolt-Batterie 3 ist ein DC/DC-Wandler 4 angeordnet, der bidirektional ausgebildet ist. Zwischen der Hochvolt-Batterie 2 und dem DC/DC-Wandler 4 ist ein Zwischenkreiskondensator 5 angeordnet. Dieser kann auch als Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren ausgebildet sein. Der DC/DC-Wandler 4 trennt dabei die Hochvoltseite HVS von der Niedervoltseite NVS. In einer Plusleitung 6 und einer Minusleitung 7 der Hochvolt-Batterie 2 ist jeweils ein Leistungsrelais 8 angeordnet. Weiter umfasst das elektrische System 1 ein Ladegerät 9 zum Laden der Hochvolt-Batterie 2 mittels einer externen Wechselspannung, einen Wechselrichter 10 und einen Elektromotor 11 bzw. genauer eine Elektromaschine, da der Elektromotor 11 auch generatorisch betreibbar ist. Die Elektronik im Ladegerät 9 bzw. im Wechselrichter 10 wird von der Niedervolt-Batterie 3 mit Spannung versorgt. Des Weiteren umfasst das elektrische System 1 mindestens ein Steuergerät 12 mit einer Diagnoseeinheit 13.
Soll nun die Hochvolt-Batterie 2 durch Schließen der Leistungsrelais 8 zugeschaltet werden, wird zunächst der Zwischenkreiskondensator 5 vorgeladen. Dies verhindert zu große Stromflüsse aus der Hochvolt-Batterie 2. Hierzu steuert das Steuergerät 12 den DC/DC-Wandler 4 an, sodass dieser als Hochsetzsteller arbeitet und die Eingangsspannung der Niedervoltbatterie 3 auf eine höhere Ausgangsspannung hochsetzt, um den Zwischenkreiskondensator 5 vorzuladen. Dabei erfasst das Steuergerät 12 Ausgangsspannung und -strom und kann so über die Zeit die elektrische Energie ermitteln, die übertragen wird. Die Werte werden von der Diagnoseeinheit 13 ausgewertet. Bei Unregelmäßigkeiten kann dann die Zuschaltung der Hochvolt-Batterie 2 unterbunden werden. Ist der Zwischenkreiskondensator 5 ausreichend vorgeladen, so kann der DC/DC-Wandler 4 abgeschaltet werden und über ein Steuersignal S des Steuergeräts 12 die Leistungsrelais 8 geschlossen werden.
Alternativ zur Vorladung über den bidirektionalen DC/DC-Wandler 4 kann auch ein Hochsetzsteller in das Ladegerät 9 oder den Wechselrichter 10 integriert werden, wo dann jeweils die Spannung der Niedervolt-Batterie 3 hochgesetzt wird. In diesen Fällen ist das Steuergerät 12 dem jeweiligen Hochsetzsteller zugeordnet.
Dabei erfolgt vorzugweise vorab eine Leistungsdiagnose der Niedervolt-Batterie 3 mittels einer Leistungs-Diagnoseeinheit, die beispielsweise im Steuergerät 12 bzw. der Diagnoseeinheit 13 integriert ist. Die Leistungs-Diagnoseeinheit überprüft vorab, ob die Niedervolt-Batterie 3 ausreichend geladen ist und somit ausreichend Energie besitzt, um den Zwischenkreiskondensator 5 ausreichend aufzuladen. Nur wenn der Ladezustand ausreichend ist, wird die Inbetriebnahme zugelassen. Andernfalls wird der Nutzer informiert, dass eine Inbetriebnahme nicht möglich ist.
In der 2 ist eine weitere alternative Bauform dargestellt, wobei aus Übersichtsgründen Ladegerät 9, Wechselrichter 10 und Elektromotor 11 nicht dargestellt sind. Der DC/DC-Wandler 4 kann in dieser Ausführungsform uni- oder bidirektional ausgebildet sein. Zusätzlich weist das elektrische System einen DC/DC-Wandler 14 auf, der als galvanisch getrennter Tiefsetzsteller ausgebildet ist, der mit der Hochvolt-Batterie 2 und der Hochvoltseite HVS verbunden ist. Soll nun die Hochvolt-Batterie 2 zugeschaltet werden, so steuert das Steuergerät 12 zunächst den DC/DC-Wandler 14 an, der den Zwischenkreiskondensator 5 mit einer im Vergleich zur Spannung der Hochvolt-Batterie 2 reduzierten Spannung vorlädt. Ist die Vorladung abgeschlossen, werden die Leistungsrelais 8 geschlossen und der DC/DC-Wandler 14 abgeschaltet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007047619 A1 [0002]

Claims

Elektrisches System (1), umfassend mindestens eine Hochvolt-Batterie (2), mindestens eine Niedervolt-Batterie (3), einen zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und der Niedervolt-Batterie (3) angeordneten DC/DC-Wandler (4), mindestens ein Leistungsrelais (8) zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und dem DC/DC-Wandler (4) und mindestens einen Zwischenkreiskondensator (5), wobei das elektrische System (1) mindestens eine Schaltung zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (4, 14) ausgebildet ist, der mit einer Spannungsquelle im elektrischen System (1) verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler (4, 14) derart ausgebildet ist, dass dieser elektrische Energie zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators (5) auf eine Hochvoltseite (HVS) mit dem Zwischenkreiskondensator (5) übertragen kann.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (4) zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und der Niedervolt-Batterie (3) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (4) ausgebildet ist und den DC/DC-Wandler (4) zum Laden des Zwischenkreiskondensators (5) bildet.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (14) als Tiefsetzsteller ausgebildet ist, der mit der Hochvolt-Batterie (2) verbunden ist und parallel zum Leistungsrelais (8) geschaltet ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler als Hochsetzsteller ausgebildet ist, der in eine Hochvolt-Komponente integriert ist, wobei der DC/DC-Wandler mit der Niedervolt-Batterie (2) verbunden ist.
Elektrisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltkomponente als Wechselrichter (10) ausgebildet ist, der zwischen der Hochvoltseite (HVS) und einem Elektromotor (11) angeordnet ist.
Elektrisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltkomponente als Ladegerät (9) ausgebildet ist.
Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Diagnoseeinheit (13) vorhanden ist, die derart ausgebildet ist, dass die Energieübertragung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators (5) ermittelt wird und daraus ein Zustand der Hochvoltseite (HVS) ermittelt wird.
Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungs-Diagnoseeinheit vorhanden ist, die derart ausgebildet ist, dass die mögliche Energieübertragung von der elektrischen Spannungsquelle zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators (5) ermittelt oder geschätzt wird und die Inbetriebnahme nur erfolgt, wenn eine ausreichende Vorladung des Zwischenkreiskondensators (5) möglich ist.
Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators (5) eines elektrischen Systems (1), mittels mindestens einer Hochvolt-Batterie (2), mindestens einer Niedervolt-Batterie (3), einem zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und der Niedervolt-Batterie (3) angeordneten DC/DC-Wandler (4), mindestens einem Leistungsrelais (8) zwischen der Hochvolt-Batterie (2) und dem DC/DC-Wandler (4), mindestens einem Zwischenkreiskondensator (5) und einer Schaltung zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators (5), wobei vor einer Zuschaltung der Hochvolt-Batterie (2) über das Leistungsrelais (8) der Zwischenkreiskondensator (5) über die Schaltung vorgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (4, 14) ausgebildet ist, der mit einer Spannungsquelle im elektrischen System (1) verbunden ist, wobei über den DC/DC-Wandler (4, 14) elektrische Energie zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators (5) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragung zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators (5) ermittelt wird und daraus ein Zustand der Hochvoltseite (HVS) ermittelt wird.