DE102015224092B4 - Elektrisches Hochvoltsystem und Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrischen Hochvoltsystems - Google Patents

Elektrisches Hochvoltsystem und Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrischen Hochvoltsystems Download PDF

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Abstract

Elektrisches Hochvoltsystem (1), umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie (6) und ein Solarmodul (3), wobei die Hochvoltbatterie (6) über mindestens einen Schalter (9, 10) zwischen einem Pol (7, 8) der Hochvoltbatterie (6) und einem Spannungsanschluss (11, 12) galvanisch von dem Spannungsanschluss (11, 12) getrennt werden kann, wobei der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein Steuergerät (15) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass dieses mindestens Steuerbefehle für den Schalter (9, 10) generiert, wobei zwischen dem Solarmodul (3) und der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein DC/DC-Wandler (4, 13) angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie (6) von dem Solarmodul (3) geladen wird, wobeider mindestens eine DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (13) ausgebildet ist, wobei die Ausgänge des DC/DC-Wandlers (13) direkt mit der Hochvoltbatterie (6) verbunden sind,dadurch gekennzeichnet, dassder galvanisch getrennte DC/DC-Wandler (13) durch mindestens ein weiteres Steuergerät (16) ansteuerbar ist, das derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie (6) über den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler (13) geladen werden wird, während das der Hochvoltbatterie (6) zugeordnete Steuergerät (15) schläft, und das Hochvoltsystem (1) Mittel zur Erfassung oder Schätzung des in die Hochvoltbatterie (6) fließenden Stromes aufweist, wobei das Steuergerät (16) derart ausgebildet ist, dass abhängig von dem erfassten oder geschätzten Strom der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler (13) deaktiviert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hochvoltsystem und ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie eines elektrischen Hochvoltsystems.
  • Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet von elektrischen Hochvoltsystemen ist der elektrische Antriebsstrang von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, wo elektrische Spannungsquellen wie z.B. Hochvoltbatterien Spannungen von über 60 V bis zu 400 V und höher aufweisen. Den Hochvoltbatterien ist dabei mindestens ein Steuergerät zugeordnet. Aufgrund der Spannungen von über 60 V müssen diese Hochvoltsysteme abschaltbar sein. Hierzu sind Schalter vorgesehen, die mindestens einen Pol der Hochvoltbatterie galvanisch von einem Spannungsanschluss trennen können. Dieser Schalter wird von dem mindestens einen Steuergerät angesteuert.
  • Um die Reichweite bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, elektrische Energie eines Solarmoduls zum Aufladen einer Hochvoltbatterie eines elektrischen Hochvoltsystems zu verwenden. Dabei kann das Solarmodul beispielsweise in das Dach eines Kraftfahrzeugs integriert sein. Prinzipiell kann das Solarmodul aber auch auf einem Dach eines Stellplatzes angeordnet sein.
  • Aus der DE 10 2011 119 905 A1 ist ein elektrisches Hochvoltsystem bekannt, umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie und ein Solarmodul, wobei die Hochvoltbatterie über mindestens einen Schalter zwischen einem Pol der Hochvoltbatterie und einem Spannungsanschluss galvanisch von dem Spannungsanschluss getrennt werden kann, wobei der Hochvoltbatterie mindestens ein Steuergerät zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass dieses mindestens Steuerbefehle für den Schalter generiert. Dabei ist ein Transformator zwischen der Hochvoltbatterie und dem Solarmodul angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie von dem Solarmodul geladen werden kann.
  • Aus der DE 10 2013 209 954 A1 ist eine Ladesteuerung für ein Fahrzeug bekannt, das mit einer Drehmaschine, einer Hauptbatterie mit einer ersten maximalen Speicherkapazität zum Speichern einer elektrischen Leistung, die an die Drehmaschine zugeführt wird, einer Leistungsspeichereinrichtung mit einer zweiten maximalen Speicherkapazität, die kleiner ist als die erste maximale Speicherkapazität, und einem Solarleistungsgenerator ausgestattet ist. Die Ladesteuerung weist einen Leistungswandler auf, der zwischen dem Solarleistungsgenerator und der Leistungsspeichereinrichtung angeordnet ist. Weiter weist die Ladesteuerung einen ersten Ladeabschnitt auf, der dazu konfiguriert ist, den Leistungswandler zu steuern, um elektrische Leistung, die durch den Solarleistungsgenerator erzeugt wird, in der Leistungsspeichereinrichtung zu speichern. Die Ladesteuerung weist weiter einen Hochsetzabschnitt auf, der dazu konfiguriert ist, die Leistung, die in der Leistungsspeichereinrichtung gespeichert ist, hochzusetzen und an die Hauptbatterie auszugeben. Schließlich weist die Ladesteuerung einen zweiten Ladeabschnitt auf, der dazu konfiguriert ist, den Hochsetzabschnitt zu steuern, um die Hauptbatterie mit der Leistung, die in der Leistungsspeichereinrichtung gespeichert ist, zu laden.
  • Aus der US 2009 / 0 001 926 A1 ist ein weiteres elektrisches Hochvoltsystem bekannt, bei dem die Hochvoltbatterie über einen DC/DC-Wandler aus einem Solarmodul geladen werden kann.
  • Aus der DE 10 2009 027 685 A1 ist ein elektrisches Hochvoltsystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bekannt. Dabei weist das elektrische Hochvoltsystem eine Hochvoltbatterie und ein Solarmodul auf. Die elektrische Energie des Solarmoduls wird in einem Zwischenspeicher gespeichert und dann anschließend über DC/DC-Wandler zum Laden der Hochvoltbatterie und des Niederspannungsnetzes mit einer Bordnetzbatterie verwendet. Dabei wird das Problem behandelt, dass durch den Zwischenspeicher sowie den DC/DC-Wandler der Wirkungsgrad gering ist.
  • Daher offenbart die DE 10 2009 027 685 A1 eine weitere Alternative. Bei dieser weist die Vorrichtung eine Ansteuerungseinrichtung mit einer Anschlusseinrichtung zur Aufnahme einer von einem Solarmodul gelieferten Ladespannung auf, wobei die Ansteuerungseinrichtung angepasst ist, die vom Solarmodul gelieferte Ladespannung selektiv an einen oder mehrere der Zellenblöcke eines Hochvoltspeichers durchzuschalten. Dabei ist die Nennspannung der Zellblöcke geringer als die Nennspannung des Hochvoltspeichers. Weiter weist die Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Messen von einem oder mehreren Parametern der mehreren Zellblöcke des Hochvoltspeichers auf. Schließlich weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, um basierend auf dem einen oder mehreren Parametern die vom Solarmodul gelieferte Ladespannung selektiv an einen oder mehrere der Zellenblöcke durchzuschalten, um dadurch die einen oder mehreren Zellenblöcke selektiv aufzuladen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein alternatives elektrisches Hochvoltsystem zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad ebenfalls verbessert werden kann, sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das elektrische Hochvoltsystem umfasst mindestens eine Hochvoltbatterie und ein Solarmodul, wobei die Hochvoltbatterie über mindestens einen Schalter zwischen einem Pol der Hochvoltbatterie und einem Spannungsanschluss galvanisch von dem Spannungsanschluss getrennt werden kann. Der Schalter ist dabei vorzugsweise ein Relais, wobei weiter vorzugsweise das Hochvoltsystem zwei Schalter aufweist, um die Hochvoltbatterie allpolig trennen zu können. Der Hochvoltbatterie ist mindestens ein Steuergerät zugeordnet, das derart ausgebildet ist, dass dieses mindestens Steuerbefehle für den mindestens einen Schalter generiert. Weiter ist zwischen dem Solarmodul und der Hochvoltbatterie mindestens ein DC/DC-Wandler angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie von dem Solarmodul geladen wird. Dabei ist der mindestens eine DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet, wobei die Ausgänge des DC/DC-Wandlers direkt mit der Hochvoltbatterie verbunden sind. Der DC/DC-Wandler ist dabei beispielsweise ein transformatorischer DC/DC-Wandler. Anders ausgedrückt überbrückt der DC/DC-Wandler den mindestens einen Schalter, sodass die Hochvoltbatterie auch durch das Solarmodul geladen werden kann, wenn der Schalter offen und das Steuergerät der Hochvoltbatterie schläft. Dies spart erheblich an Energie für die Bestromung des Schalters sowie für den Betrieb des Steuergeräts ein, wobei durch die Ausbildung als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler die Hochvoltseite abgetrennt bleibt.
  • Dabei ist der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler durch mindestens ein weiteres Steuergerät ansteuerbar, wobei das Hochvoltsystem Mittel zur Erfassung oder Schätzung des in die Hochvoltbatterie fließenden Stromes aufweist, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, dass abhängig von dem erfassten oder geschätzten Strom der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler deaktiviert wird. Somit wird eine Überladung der Hochvoltbatterie verhindert. Dabei kann beispielsweise der Ladestrom anhand des Ausgangsstromes des dem Solarmodul zugeordneten DC/DC-Wandlers geschätzt werden. Es kann aber auch der Ausgangsstrom des galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers ermittelt werden oder aber auch direkt der Strom in die Hochvoltbatterie gemessen werden.
  • In einer Ausführungsform ist dem Solarmodul ein weiterer DC/DC-Wandler zugeordnet, dessen Ausgang mit dem Eingang des galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers verbunden ist, wobei vorzugsweise der dem Solarmodul zugeordnete DC/DC-Wandler eine MPPT-Funktionalität (Maximum Powerpoint Tracker) aufweist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad entsprechend optimiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Ausgang des dem Solarmodul zugeordneten DC/DC-Wandlers mit einem Niedervolt-Bordnetz verbunden. Somit kann das Solarmodul auch zum Laden des Niedervolt-Bordnetzes verwendet werden, beispielsweise um Verbraucher zu versorgen und/oder eine Niedervolt-Bordnetzbatterie zu laden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, dass dieses nach einer Deaktivierung des DC/DC-Wandlers das Steuergerät der Hochvoltbatterie aufweckt, wobei das Steuergerät der Hochvoltbatterie derart ausgebildet ist, dass es eine Bestimmung des Ladezustandes der Hochvoltbatterie vornimmt, sodass der tatsächliche Ladezustand ermittelt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät der Hochvoltbatterie derart ausgebildet, dass dieses einen erfassten Ladezustand der Hochvoltbatterie dem anderen Steuergerät mitteilt, wobei dieses in Abhängigkeit des übermittelten Ladezustandes der Hochvoltbatterie den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler freigibt, sodass die Hochvoltbatterie, wenn möglich, weiter aufgeladen werden kann, wobei vorzugsweise das Steuergerät der Hochvoltbatterie nach der Übermittlung des Ladezustandes in einen Schlaf-Modus übergeht.
  • Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist der Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Hochvoltsystems.
  • Das elektrische Hochvoltsystem 1 weist ein Hochvoltbatteriemodul 2, ein Solarmodul 3 mit nachgeschaltetem DC/DC-Wandler 4 und ein Niedervolt-Bordnetz 5 auf.
  • Das Hochvoltbatteriemodul 2 weist eine Hochvoltbatterie 6 mit einem Pluspol 7 und einem Minuspol 8 auf, die jeweils über einen Schalter 9, 10 an einen Spannungsanschluss 11, 12 geführt sind. Weiter weist das Hochvoltbatteriemodul 2 einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 13, einen Stromsensor 14 und ein Steuergerät 15 auf, das mit einem Steuergerät 16 des Niedervolt-Bordnetzes 5 über ein Bussystem 17 verbunden ist.
  • Im abgestellten Zustand sind die Schalter 9, 10 offen und das Steuergerät 15 schläft. Somit ist die Hochvoltseite des Hochvoltsystems 1 galvanisch abgetrennt und das Hochvoltbatteriemodul 2 verbraucht nur einen minimalen Ruhestrombedarf. Das Solarmodul 3 wandelt Sonnenlicht in eine elektrische Spannung um, die dann mittels des DC/DC-Wandlers 4 mit MPPT-Funktionalität auf eine konstante Ausgangsspannung von beispielsweise 12 V gewandelt wird und zur Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes 5 zur Verfügung steht. Ein Ausgang 18 des DC/DC-Wandlers 4 ist zusätzlich mit dem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 13 verbunden. Dabei ist der Einfachheit halber nur eine Spannungsleitung gezeigt, da auf der Niedervoltseite die negative Spannungsleitung z.B. die Fahrzeugmasse ist. Der DC/DC-Wandler 13 wird dabei durch das Steuergerät 16 des Niedervolt-Bordnetzes 5 angesteuert. Somit kann die Hochvoltbatterie 6 auch geladen werden, obwohl die Schalter 9, 10 offen sind und das Steuergerät 15 schläft. Das Steuergerät 16 verfügt über einen Ladezustand SOC der Hochvoltbatterie 6. Den Ladezustand SOC hat beispielsweise das Steuergerät 15 dem Steuergerät 16 übermittelt, bevor es in den Schlaf-Modus gewechselt ist. Das Steuergerät 16 schätzt während des Ladevorganges der Hochvoltbatterie 6, um wieviel diese geladen wurde. Hierzu greift das Steuergerät 16 auf die Daten des Stromsensors 14 oder auf Ausgangsstromdaten des DC/DC-Wandlers 13 zurück.
  • Wenn nach Auffassung des Steuergerätes 16 ein bestimmter Ladezustand SOC der Hochvoltbatterie 6 erreicht ist, wird der DC/DC-Wandler 13 deaktiviert, um eine Überladung zu verhindern. Das Steuergerät 16 kann darüber hinaus das Steuergerät 15 wecken, sodass diese eine genaue SOC-Messung vornimmt und gegebenenfalls ein Zellen-Balancing durchführt. Das Ergebnis der SOC-Messung kann dann das Steuergerät 15 an das Steuergerät 16 übermitteln, das dann abhängig vom Ladezustand gegebenenfalls den Ladevorgang durch Aktivierung bzw. Freigabe von dem DC/DC-Wandler 13 fortführt. Das Steuergerät 15 wird hierzu nicht benötigt und kann wieder in den Schlaf-Modus wechseln.

Claims (9)

  1. Elektrisches Hochvoltsystem (1), umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie (6) und ein Solarmodul (3), wobei die Hochvoltbatterie (6) über mindestens einen Schalter (9, 10) zwischen einem Pol (7, 8) der Hochvoltbatterie (6) und einem Spannungsanschluss (11, 12) galvanisch von dem Spannungsanschluss (11, 12) getrennt werden kann, wobei der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein Steuergerät (15) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass dieses mindestens Steuerbefehle für den Schalter (9, 10) generiert, wobei zwischen dem Solarmodul (3) und der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein DC/DC-Wandler (4, 13) angeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie (6) von dem Solarmodul (3) geladen wird, wobei der mindestens eine DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (13) ausgebildet ist, wobei die Ausgänge des DC/DC-Wandlers (13) direkt mit der Hochvoltbatterie (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler (13) durch mindestens ein weiteres Steuergerät (16) ansteuerbar ist, das derart ausgebildet ist, dass die Hochvoltbatterie (6) über den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler (13) geladen werden wird, während das der Hochvoltbatterie (6) zugeordnete Steuergerät (15) schläft, und das Hochvoltsystem (1) Mittel zur Erfassung oder Schätzung des in die Hochvoltbatterie (6) fließenden Stromes aufweist, wobei das Steuergerät (16) derart ausgebildet ist, dass abhängig von dem erfassten oder geschätzten Strom der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler (13) deaktiviert wird.
  2. Elektrisches Hochvoltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Solarmodul (3) ein weiterer DC/DC-Wandler (4) zugeordnet ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers (13) verbunden ist.
  3. Elektrisches Hochvoltsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (18) des dem Solarmodul (3) zugeordneten DC/DC-Wandlers (4) mit einem Niedervolt-Bordnetz (5) verbunden ist.
  4. Elektrisches Hochvoltsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Solarmodul (3) zugeordnete DC/DC-Wandler (4) eine MPPT-Funktionalität aufweist.
  5. Elektrisches Hochvoltsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) derart ausgebildet ist, dass dieses nach einer Deaktivierung des DC/DC-Wandlers (13) das Steuergerät (15) der Hochvoltbatterie (6) aufweckt, wobei das Steuergerät (15) der Hochvoltbatterie (6) derart ausgebildet ist, dass es eine Bestimmung des Ladezustandes der Hochvoltbatterie (6) vornimmt.
  6. Elektrisches Hochvoltsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) der Hochvoltbatterie (6) derart ausgebildet ist, dass dieses einen erfassten Ladezustand der Hochvoltbatterie (6) dem anderen Steuergerät (16) mitteilt, wobei dieses in Abhängigkeit des übermittelten Ladezustandes der Hochvoltbatterie (6) den DC/DC-Wandler (13) freigibt.
  7. Elektrisches Hochvoltsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15) der Hochvoltbatterie (6) derart ausgebildet ist, dass dieses nach Übermittlung des Ladezustandes in einen Schlaf-Modus übergeht.
  8. Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (6) eines elektrischen Hochvoltsystems (1) mittels eines Solarmoduls (3), wobei die Hochvoltbatterie (6) über mindestens einen Schalter (9, 10) zwischen einem Pol (7, 8) der Hochvoltbatterie (6) und einem Spannungsanschluss (11, 12) galvanisch von dem Spannungsanschluss (11, 12) getrennt werden kann, wobei der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein Steuergerät (15) zugeordnet ist, das mindestens Steuerbefehle für den Schalter (9, 10) generiert, wobei zwischen dem Solarmodul (3) und der Hochvoltbatterie (6) mindestens ein DC/DC-Wandler (4, 13) angeordnet ist, der von dem Solarmodul (3) geladen wird, wobei der mindestens eine DC/DC-Wandler als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (13) ausgebildet ist, wobei die Ausgänge des DC/DC-Wandlers (13) direkt mit der Hochvoltbatterie (6) verbunden sind, wobei das Laden der Hochvoltbatterie (6) bei geöffnetem Schalter (9, 10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch getrennte DC/DC-Wandler (13) durch mindestens ein weiteres Steuergerät (16) angesteuert wird und das Hochvoltsystem (1) Mittel zur Erfassung oder Schätzung des in die Hochvoltbatterie (6) fließenden Stromes aufweist, wobei das Steuergerät (16) abhängig von dem erfassten oder geschätzten Strom den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler (13) deaktiviert, wobei während des Ladevorgangs das Steuergerät (15) der Hochvoltbatterie (6) schläft.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand der Hochvoltbatterie (6) aufgrund des Ladevorganges geschätzt oder ermittelt wird und in Abhängigkeit des Ladezustandes der DC/DC-Wandler (13) deaktiviert wird.
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