DE102018110621A1

DE102018110621A1 - Hochgeschwindigkeitsentladesystem für einen Hochspannungsenergiespeicher

Info

Publication number: DE102018110621A1
Application number: DE102018110621.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Utz
Original assignee: Innofas GmbH
Current assignee: Innofas GmbH
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2019-11-07
Also published as: EP3787922A1; WO2019211172A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher (10) über einen Netzanschluss (N) in ein Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapazität umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter (20), der über eine Anschlussleitung (2) mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher (10) angeordneten Junction-Box (61) verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zwischen dem Wechselrichter (20) und dem Hochspannungsenergiespeicher (10) eine Zwischenkreisspannung U_ZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung (30) vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung U_Netz des Stromnetzes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entladesystem für eine Hochspannungsquelle.
Diese Offenbarung betrifft elektrisch betriebene Fahrzeuge und insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Entladevorrichtung für eine Hochspannungsquelle bzw. einen Hochspannungsenergiespeicher zum gezielten Entladen von Energie, die in einer Hochspannungsquelle eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeichert ist.
Hybridelektrofahrzeuge (HEVs für engl. hybrid electric vehicles), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs für engl. plug-in electric hybrid vehicle), batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs für engl. battery electric vehicles), Brennstoffzellenfahrzeuge und andere bekannte elektrisch betriebene Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Motorfahrzeugen insofern, als sie von einer oder mehreren Elektromaschinen (d. h. Elektromotoren und Generatoren) anstelle von oder zusätzlich zu einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung angetrieben werden. Die Versorgung mit Hochspannungsstrom zum Speisen dieser Typen von Elektromaschinen erfolgt typischerweise durch ein Traktionsbatteriesystem mit einer oder mehreren Batteriezellen, welche Energie speichern. Zunehmend finden sogenannte Hochvolt-Speicherzellen Anwendung, deren Betriebsspannung deutlich über 48V liegt, z.B. bei 650 V.
Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen spielt nicht nur die Reichweite eine bedeutende Rolle, sondern auch das Ladeequipment. Serienmäßig verfügen heutige Elektro- und Hybridfahrzeuge über ein Ladekabel, welches das fahrzeugeigene Ladegerät mit elektrischer Energie versorgt. Zukünftig wird verstärkt induktives Laden über eine Bodenplatte mit Primärspule und einer im Fahrzeug verbauten Sekundärspule eingesetzt. Um diese Technologien auf einem ausgereiften Niveau anwenden zu können, sind bei der Entwicklung zahlreiche Ladetests nötig. Da die Kapazität der Batterien begrenzt ist, müssen Versuche regelmäßig unterbrochen werden, um die Hochvolt-Speicher zeitaufwendig zu entladen.
Es ist bei elektrischen und anderen Prüfungen auf Prüfständen und für andere Untersuchungen demzufolge immer wieder erforderlich, die Hochspannungsquelle gezielt und schnell zu entladen.
Das Entladen einer Hochvolt-Batterie kann z. B. durch das Aktivieren aller elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise Innenraumheizung, Klimaanlage, Heckscheibenheizung, Scheinwerfer und Sitzheizung erfolgen. Dabei fließen Leistungen von wenigen Kilowatt. Bei Hybridfahrzeugen mit geringer Batteriekapazität dauert der Entladevorgang ca. drei Stunden. Reine Elektrofahrzeuge mit Energieinhalten von bis zu 100 kWh würden dafür ca. einen Tag in Anspruch nehmen.
In der Praxis werden alternativ z. B. zu prüfende Fahrzeuge oder Testfahrzeuge durch einen Fahrzeugführer solange im Straßenverkehr oder auf einer Teststrecke betrieben d. h. gefahren, bis der gewünschte Entladezustand eingetreten ist. Bei solchen Erprobungsfahrzeugen, die offen auf der Straße bewegt werden dürfen, muss bei jedem Entladevorgang die Messverkabelung entfernt und nach der Rückkehr wieder angeschlossen werden. Fahrzeuge, die über ein induktives Ladesystem verfügen, sind vor einem erneuten Ladeversuch wieder millimetergenau im Prüfstand an der vorherigen Position zu positionieren, um gleiche Prüfbedingungen zu erhalten.
Nachteilig ist dabei nicht nur der Umstand, dass dieser Vorgang zeitaufwendig und teuer ist, sondern auch jeweils die in der Batteriezelle gespeicherte Energie nutzlos verschwendet werden muss.
Im Stand der Technik sind Entladelvorrichtungen für Batterien bekannt, um Batterien zu entladen. Aus der DE 10 2014 224 779 A1 ist z. B. eine Lösung bekannt bei der ein Sensor vorgesehen ist, der so ausgelegt ist, dass er einen Parameter einer Hochspannungsquelle erfasst und eine Steuerung in Kommunikation mit dem Sensor und einen Entladekreis, welcher Energie, die in der Hochspannungsquelle gespeichert ist, in Reaktion auf ein Befehlssignal von der Steuerung entlädt. Der Entladekreis umfasst hierzu eine Mehrzahl von Widerständen, die parallel zueinander geschaltet sind. Solche und ähnliche bekannte Lösungen sind, aber nicht geeignet eine Fahrzeugbatterie mit einer Ladekapazität zwischen 20 KW und 50KW oder größer (bei einer typischen Betriebsspannung zwischen 300V und 450V bis teilweise 1000V) ausreichend schnell zu entladen. Damit bei einer Batteriespannung von z. B. 300 V noch eine gewünschte Leistung von 50 kW erzielt werden kann, sollte eine Hochvolt-Entladekomponente mit Strömen von bis etwa 175 A entladen können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Lösung für einen Prüfstand zum kostengünstigen, schnellen und effizienten Entladen eines Hochspannungsenergiespeichers vorzuschlagen, die
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Hochgeschwindigkeitsentladesystem zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher über einen Netzanschluss in ein herkömmliches Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapazität vorgeschlagen, umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter, der über eine Anschlussleitung mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher angeordneten Junction-Box verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystem zwischen dem Wechselrichter und dem Hochspannungsenergiespeicher eine Zwischenkreisspannung U_ZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung U_Netz des Stromnetzes. Eine solche Lösung kann mit Vorteil in einem einen Schaltschrank aufweisenden Prüfstand integriert werden bzw. damit verbunden sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung einen Transformator umfasst, der netzspannungsseitig zwischen dem Wechselrichter und dem Netzanschluss angeordnet ist, wobei der Transformator ein Übersetzungsverhältnis aufweist, um die Ausgangsspannung U_{Netz_neu} am Wechselrichter auf mindestens die Netzspannung U_Netz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung U_{Netz_neu} niedriger ist als die die Netzspannung U_Netz .
In dem Entlademodus arbeitet der Wechselrichter entladend, indem er die Energie nicht aus dem Stromnetz bezieht, sondern von der Hochvolt-Batterie entnimmt und in das Stromnetz einspeist. Aufgrund der hohen Batteriekapazität eines Hochspannungsenergiespeichers bleibt die Batteriespannung über den Entladevorgang bis zum SOC der Batterie nahezu stabil, wodurch der Stromfluss auf Werte höher als 100 A steigen könnte, was allerdings durch eine Strombegrenzung verhindert wird.
Die minimal mögliche Zwischenkreisspannung muss oberhalb des Scheitelwertes der Netzspannung liegen. Da der Fahrzeugprüfstand in der Lage sein muss die Fahrzeugbatterie auf einen Kunden-SOC von 0 % zu entladen, ist das Erreichen einer minimalen Zwischenkreisspannung zwingend erforderlich. Die Bezeichnung SOC steht für „State of Charge“ und bezeichnet den Ladezustand der Fahrzeugbatterie in Prozent. Aufgrund der vorherrschenden Netzspannung, welche derzeit typischerweise oberhalb der minimalen Zwischenkreisspannung liegt, ist der zuvor genannte Transformator erforderlich.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass nicht eine DC/AC Einspeisung vorgenommen wird, sondern gezielt eine DC/DC Umspeisung über eine Umspeiseeinheit, um die elektrische Energie in einen Pufferspeicher zu speichern. Weiter bevorzugt ist es, eine Vorrichtung mit einem Schaltzweig vorzusehen, um beide Entladeoptionen nutzen zu können und vorzugsweise mittels einer Steuerung den Entladepfad zum Pufferspeicher und/oder zum Netzanschluss zu schalten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Nullstromregelung realisiert wird. Hierbei wird die Steuerung so ausgebildet, dass möglichst keine Rückspeisung d.h. „Null“-Strom ins Netz fließt, sondern die Energie, solange ein Eigenverbrauch möglich ist, in das „eigene“ Netz zu den Verbrauchern gespeist wird oder bei Ladereserven bevorzugt beim Entladevorgang zum Laden der DC-Pufferspeicher verwendet wird. Die Steuerung kann hierzu vom Nutzer gemäß einer individuell auswählbaren Priorisierung eine gezielte Stromflussregelung vornehmen, die weiter bevorzugt sich selbständig dynamisch anpasst, abhängig von zeitvarianten Größen. So kann das Entladeverhalten zu Nachttarifzeiten anders gesteuert werden als zu Tagtarifzeiten, wobei jeweils bevorzugt die Nullstromregelung als Regelkreis überlagert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ferner netzspannungsseitig in der Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Netzanschluss ein Kombifilter und vorzugsweise noch ein Netzfilter angeordnet sind, zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsstörungen, wobei der Kombifilter weiter bevorzugt eine Drossel umfasst.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Umstand, dass der Hochspannungsenergiespeicher in einem Fahrzeug an seinem bestimmungsgemäßen Einbauort eingebaut ist.
Die Leitungen der PTC-Innenraumheizung und des elektrischen Klimakompressors (EKK) sind zum Verbinden zu schwach dimensioniert. Über die AC-Ladedose (LD) kann keine Energie entnommen werden, da der On-Board Charger (OBC) zwar die Hochvolt-Batterie mit Energie versorgt, aber keine Verbraucher über die Ladedose betreiben kann. Da eine standardisierte DC-Ladedose derzeit bei vielen Fahrzeugen noch überhaupt nicht verfügbar ist, würde die Verwendung dieser Leitung die Kompatibilität des Hochgeschwindigkeitsentladesystem eutlich einschränken. Die Traktionsleitungen zwischen Leistungselektronik (LE) werden mit Wechselspannung beaufschlagt, so dass auch hier keine geeignete Verbindung zur Hochvoltbatterie geschaffen werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst damit das Hochgeschwindigkeitsentladesystem in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Kabelsatz, umfassend die Verbindungsleitung und zwei Breakoutboxen. Die erste Breakoutbox ist mit einem Anschluss versehen, zum Verbinden der Anschlussleitung mit der Junction-Box des Fahrzeugs. Ferner verläuft die Anschlussleitung der ersten Breakoutbox in die zweite Breakoutbox, von wo eine lösbare Verbindungsleitung als Teil des Kabelsatzes zum Schaltschrank bzw. Wechselrichter führt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in der zweiten Breakoutbox drei Leitungspaare des Kabelsatzes aus jeweils einer Hochvoltleitungen (HV+) und einer Hochvoltleitungen (HV-) verlaufen, wobei jeweils die Hochvoltleitungen (HV+) und die Hochvoltleitungen (HV-) über eine gemeinsame Stromschiene (71 bzw. 72) miteinander elektrisch verbunden sind. Ein Leitungspaar führt dabei (aus der Breakoutbox heraus) zu einem an der Breakoutbox angebrachten Steckverbinder (Gehäusesteckverbinder), der die Schnittstelle zum Verbinden der Anschlussleitung mit dem Wechselrichter bereitstellt.
Ein anderes Leitungspaar (HV+, HV-) ist durch Kabeldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox zur Verbindung mit der Leistungselektronik (LE) des Fahrzeugs herausgeführt. Durch einen wie zuvor beschriebenen (zum Teil bestimmungsgemäß über Steckverbindungen trennbaren) Kabelsatz aus Verbindungsleitungen und den beiden Breakoutboxen, lässt sich eine Verbindung und damit lösbare Anschlussleitung zwischen dem Wechselrichter und dem im Fahrzeug verbauten Hochspannungsenergiespeicher realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und zweite Breakoutboxen jeweils ein metallisches insbesondere geschirmtes Gehäuse aufweisen, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichleitung (PE) verbunden sind, die zu dem Steckverbinder zum Anschluss des Wechselrichters führt, um beim Anschluss einer Verbindungsleitung zum Wechselrichter gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich herzustellen.
Um ferner einen sicheren Betrieb beim Entladevorgang zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass kein unbeabsichtigtes Trennen der lösbaren Verbindung zum Wechselrichter möglich ist und dabei z. B. ein Lichtbogen gezündet werden könnte.
Erfindungsgemäß wird hierzu in einer vorteilhaften Ausführung vorgeschlagen, dass eine mechanische Freischalt- und Verriegelungsvorrichtung an der zweiten Breakoutbox vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass ein Verriegelungsbügel (zum Verriegeln der Steckverbindung) vorgesehen ist, der in einer Position beim Verriegeln der Steckverbindung mit einem eingesteckten Gegenstecker einen Positionsschalter in der Breakoutbox mittelbar oder unmittelbar betätigt. Ein Betätigungsstößel für den Positionsschalter kann dabei in Betätigungsrichtung hinter dem Verriegelungsbügels angeordnet werden, so dass dieser beim Öffnen des Verschlusses betätigt wird. Mit dem Positionsschalter wird ein Öffner mit Doppelunterbrechung realisiert, welcher den Not-Halt-Kreis sicher trennt.
Der Fahrzeugprüfstand ist mit Vorteil so realisiert, dass ein Schaltschrank vorgesehen ist, in dem der Wechselrichter untergebracht ist und ein Leitungspfad zum Netzanschluss eines Dreiphasennetzes (L1, L2, L3) führt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeichers in einem Fahrzeug mit einem wie zuvor beschriebenen Hochgeschwindigkeitsentladesystem.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass nach dem Verbinden des Hochspannungsenergiespeichers mit dem Wechselrichter (bzw. dem Fahrzeugprüfstand) über die steckbare Anschlussleitung die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs unmittelbar oder über eine Manipulation des Fahrzeugsteuergerätes hergestellt wird und dann der Entladevorgang gestartet wird.
Das Herstellen der Fahrbereitschaft ist insofern notwendig, als dass eine Entladung überhaupt von der Bordelektronik eines Fahrzeugs zugelassen wird. Eine zunächst naheliegend erscheinende Möglichkeit zur Herstellung der Entladebereitschaft besteht darin, die Zündung des Fahrzeuges mittels Start/Stop-Taster zu aktivieren. Dabei wird das Signal des vom Bordnetzsteuergerät eingelesen, welches das entsprechende Relais schließt. Wird das Gateway mit Spannung versorgt, veranlasst der HVK das Schließen der Hochvolt-Schütze. Um die 12 V Starter-Batterie zu schonen, wird die Klemme allerdings nach einigen Minuten automatisch wieder deaktiviert. Dies hat zur Folge, dass die Schütze öffnen und der Entladevorgang unterbrochen wird. Somit ist diese Variante zum Entladen einer Hochvolt-Batterie ungeeignet.
Gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung arbeitet das Hochgeschwindigkeitsentladesystem nach dem Schließen der entsprechenden Schütze indem nicht nur das Betätigen des Start/Stop-Tasters, sondern auch das Betätigen der Bremse durch eine SPS übernommen wird. Ferner kann durch gezielte Manipulation des Fahrzeugsteuergerätes der Zustand „Fahrbereitschaft“ entsprechend hergestellt oder simuliert werden
Beim Entladen einer Hochvolt-Batterie wird einerseits die Ist-Spannung ausgelesen und auf dem Display des Prüfstandes angezeigt. Andererseits wird der SOC überwacht. Beim Entladen muss spätestens bei einem von 0 % der Entladevorgang beendet werden, wobei dann noch entsprechende RestEnergie in der Batterie gespeichert ist. Ferner wird der Batteriestrom überwacht. Hierbei wird durch einen Parameter die Höhe des Stroms festgelegt, der dauerhaft fließen darf, ohne dass das Batteriemanagementsystem eine Reduzierung des Stromflusses veranlasst.
Da beim Entladen einer Hochvolt-Batterie die Energie nicht über die Leistungselektronik fließt und somit fahrzeugseitig nicht von der Leistungselektronik geregelt werden kann, muss diese Aufgabe von dem Hochgeschwindigkeitsentladesystem bzw. dem Prüfstand übernommen werden. Um innerhalb der Grenzwertvorgaben zu bleiben, soll der tatsächliche Entladestrom nie höher sein als die maximale Sollwertvorgabe.
Die Grenz- und Messwerte des Batteriemanagementsystems werden über eine CAN-Bus kommuniziert und somit allen Busteilnehmern zur Verfügung gestellt. Damit keine weitere Leitung vom Prüfstand zu dem zu entladenden Fahrzeug geführt werden muss, soll die CAN-Kommunikation in vorteilhafter Weise per Funkübertragung erfolgen. Hierfür werden ein Sender- und ein Empfängermodul verwendet, wobei der Sender mit dem Fahrzeug verbunden und aus der 12 V Starterbatterie versorgt wird. Der Empfänger ist am Prüfstand über CAN-Leitungen mit der SPS verbunden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochgeschwindigkeitsentladesystems,
2 eine Darstellung der Spannungspegel zwischen dem Hochspannungsenergiespeicher gemäß 1 und dem Netzanschluss;
3 ein Kabelsatz zur Verbindung des Hochspannungsenergiespeichers mit dem Wechselrichter und der Leistungselektronik;
4 eine schematische Teilansicht eines Fahrzeugs mit einem Teil der Komponenten des Hochgeschwindigkeitsentladesystems;
5 eine schematische Ansicht von Komponenten zur Herstellung der Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang;
6 eine schematische Ansicht einer Verdrahtung des Wechselrichters im Schaltschrank;
7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Entladeprozesses;
8 ein beispielhafter Spannungsverlauf beim Entladevorgang und
9 ein beispielhafter Stromverlauf beim Entladevorgang.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 9 anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 findet sich eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Hochgeschwindigkeitsentladesystems 1. Das Hochgeschwindigkeitsentladesystem 1 ist ausgebildet zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeichers 10 über einen Netzanschluss N in ein öffentliches oder privates Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung SOC der Ladekapazität. Der SOC ist dabei ein vom Hersteller festgelegter Wert bis zu dem eine Batteriezelle oder Energiezelle maximal entladen werden soll, um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten.
Das Hochgeschwindigkeitsentladesystem 1 umfasst einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter 20, der über eine Anschlussleitung 2 mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher 10 angeordneten Junction-Box 61 (wie beispielhaft in der 4 gezeigt) verbindbar oder verbunden ist.
Ferner sind netzspannungsseitig in der Verbindung zwischen dem Wechselrichter 20 und dem Netzanschluss N ein Kombifilter 40, ein Netzfilter 50, eine Drossel 51 und ein Transformator 30 angeordnet. Die Filter und die Drossel dienen zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsschwankungen und Stromspitzen.
Im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystems 1 liegt zwischen dem Wechselrichter 20 und dem Hochspannungsenergiespeicher 10 eine Zwischenkreisspannung U_ZK an, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung 30 vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung U_Netz des Stromnetzes ist.
Hierzu ist, wie in der 2 gezeigt, der Transformator 30 vorgesehen, der netzspannungsseitig zwischen dem Wechselrichter 20 und einem Netzanschluss N angeordnet ist, wobei der Transformator 30 ein Übersetzungsverhältnis aufweist, um die Ausgangsspannung U_{Netz_neu} am Wechselrichter 20 auf mindestens die Netzspannung U_Netz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung U_{Netz_neu} niedriger ist als die die Netzspannung U_Netz .
Im vorliegenden Beispiel stellt sich dies wie folgt dar. Da der Prüfstand in der Lage sein muss die Fahrzeugbatterie auf einen Kunden-SOC von 0 % zu entladen, ist das Erreichen einer minimalen Zwischenkreisspannung von 300 V erforderlich. Die Ausgangsspannung am Wechselrichter von 180 V auf der AC-Seite ergibt sich wie folgt. Aufgrund einer Netzspannung von 400 V, muss die minimale Zwischenkreisspannung höher als der Scheitelwert der Netzspannung sein. Zudem sind mit Vorteil eine fünfprozentige Regelreserve, sowie mögliche Spannungsschwankungen am Netz von 10 % zu berücksichtigen. Damit ergibt sich: $U_{ZK_min} = U_{Netz_neu} \cdot \sqrt 2 \cdot 1,15$
Aufgelöst nach U_{Netz_neu} kann die maximal mögliche Netzspannung und somit das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators bestimmt werden. $U_{Netz_neu} = 184 V$
Um bei einer Primärspannung von 184 V auf die von der Netzseite geforderte Sekundärspannung von 400 V zu gelangen ist ein Übersetzungsverhältnis von 0,46 nötig. Damit auf eine Sonderanfertigung verzichtet werden kann, wird ein handelsüblicher Transformator mit einer in der Nähe liegenden Übersetzung von ü = 0,45 beschafft. $U_{Netz_neu} = U_{Netz} \cdot ü = 400 V \cdot 0,45 = 180 V$
Somit ergibt sich eine Ausgangsspannung am Wechselrichter von 180 V.
Die Ausgangsströme am Wechselrichter betragen in dem vorliegenden Beispiel 155 A , während der Transformator 31 durch das Übersetzungsverhältnis 70 A in das Netzt N einspeist. Somit wird der Hochspannungsenergiespeicher 10 mit einer Leistung von bis zu 48 kW entladen.
Mit Bezug auf die 3 und 4 ist gezeigt, wie der erfindungsgemäße Kabelsatz zur Verbindung des Hochspannungsenergiespeichers 10 mit dem Wechselrichter 20 und der Leistungselektronik LE ausgebildet ist.
Der Kabelsatz umfasst eine erste und zweite mit der Anschlussleitung 2 jeweils verbundene Breakoutbox 60, 70. Die Breakoutbox 60 ist mit einem Anschluss 63 zum Verbinden der Anschlussleitung 2 mit der Junction-Box 61 ausgestattet. Die erste Breakoutbox 60 ist mit der zweiten Breakoutbox 70 über die Leitungen 2 des Leitungspaars HV+ und HV- verbunden.
In der der zweiten Breakoutbox 70 sind drei Leitungspaare aus jeweils einer Hochvoltleitung HV+ und einer Hochvoltleitung HV- vorgesehen, wobei einerseits die drei Hochvoltleitungen HV+ und andererseits die drei Hochvoltleitungen HV- über eine gemeinsame Stromschiene 71 bzw. 72 miteinander elektrisch verbunden sind. Jede Leitungsschiene 71, 72 ist gegenüber der anderen Leitungsschiene und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert.
Ein Leitungspaar HV+, HV- führt zu einem an der Breakoutbox 70 angebrachten Steckverbinder 73, der die Schnittstelle zum Verbinden der Anschlussleitung 2 mit dem Wechselrichter 20 herstellt.
Ein anderes Leitungspaar HV+, HV- führt durch Kabeldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox 70 heraus und zwar zur Verbindung mit der Leistungselektronik LE des Fahrzeugs, wie dies schematisch in der 4 gezeigt ist.
Die erste und zweite Breakoutboxen 60, 70 weisen jeweils ein metallisches insbesondere geschirmtes Gehäuse 65, 75 auf, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichleitung PE verbunden sind, die zu dem Steckverbinder 73 und von dort zum nicht näher gezeigten Schaltschrank des Fahrzeugprüfstands.
Beim Anschluss der Verbindungsleitung zum Wechselrichter 20 wird damit gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich hergestellt.
In der 3 ist ferner eine mechanische Freischalt- und Verriegelungsvorrichtung 80 gezeigt und zwar an der zweiten Breakoutbox 70. Diese ist so ausgebildet, dass ein Verriegelungsbügel 73a des Steckverbinders 73 in einer Position beim Verriegeln der Steckverbindung mit einem eingesteckten Gegenstecker 74 (der an der Verbindungsleitung zum Wechselrichter bzw. Schaltschrank angeschlossen ist), einen Positionsschalter 81 in Breakoutbox mittelbar oder unmittelbar betätigt. Hierdurch lässt sich sicherstellen, dass eine freischaltende Verriegelung auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann. Würde ein Bediener den Gegenstecker 74 vom Steckverbinder 73 unter Last lösen wollen, so würde bereits beim Öffnen der Verriegelungsbügel 73a der Positionsschalter 81 betätigt und der Lastpfad unterbrochen. Ein Stößel des Positionsschalters 81 befindet sich hierzu außerhalb der Breakoutbox 70, um mit dem Bügel in Betätigungsrichtung zusammenwirken zu können.
Die 5 zeigt eine schematische Ansicht von Komponenten zur Herstellung einer Möglichkeit der Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang. Die Herstellung der Entladebereitschaft besteht darin, die Zündung des Fahrzeuges zu aktivieren. Dabei wird das Signal des Start/Stop-Tasters vom Bordnetzsteuergerät eingelesen, welches das Relais an Klemme 15 schließt. Wird das Gateway mit Spannung versorgt, wird das Schließen der Hochvolt-Schütze veranlasst. Es wird aber nicht nur das Betätigen des Start/Stop-Tasters veranlasst, sondern auch das Betätigen der Bremse durch eine SPS angesteuert. Im allgemeinen Teil der Beschreibung der Erfindung ist eine weitere Möglichkeit erläutert, die Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang herzustellen.
Die 5 zeigt schematisch den Verlauf des Lastpfades im Schaltschrank des Fahrzeugprüfstandes. In diesem ist ein Lasttrennschalter verbaut, der über einen in der Tür integrierten Hebel betätigt wird.
Neben den Sicherungen mit F1 bis F5 bezeichnet, sind Schütze in den Lastpfad geschaltet. Nach den 100 A Sicherungen F1 befindet sich das Hauptschütz. Anschließend folgen Netzfilter, Transformator und der Kombifilter. Am Eingang der Netzdrossel erfolgt der Abgriff zu dem mit 25 A abgesicherten Vorladeschütz. Von dort aus werden die Klemmen L1, L2 und L3 des Wechselrichters kontaktiert. Dieses Schütz dient allein der Vorladung des wechselrichterseitigen Zwischenkreises. Sobald die eingestellte Zwischenkreisspannung erreicht ist, wird das Vorladeschütz geöffnet und das Netzschütz geschlossen. Somit ist der Wechselrichter betriebsbereit. Der Ausgang der Netzdrossel ist über das Netzschütz mit den Klemmen U, V und W des Wechselrichters verbunden. Beim Entladen einer Hochvolt-Batterie 10 fließt der gesamte Strom von den DC-Eingängen DC+, DV- über die HV-leitungen 2 des Wechselrichters über die Klemmen U, V und W ins Stromnetz. Die DC-Leitungen zwischen dem Wechselrichter 20 und der Hochvolt-Batterie 10 werden durch die beiden 160 A Niederspannungs-Hochleistungssicherungen F4 und F5 vor Überströmen geschützt und können über die direkt darüber angedeuteten Schütze sicher unterbrochen werden. Dass hier zwei Schütze verbaut werden, dient der Sicherheit.
Die 7 zeigt ein Flußdiagramm eines softwaregestützen Entladeprozesses. Zunächst sollte allerdings eine Parametrierung des Wechselrichters in eine bestimmte Betriebsart erfolgen, um den Wechselrichter nicht in der üblichen Grundeinstellung für den Betrieb unter hoher Überlast zu betreiben. Da beim bestimmungsgemäßen Entladen einer Hochvolt-Batterie keine dynamischen Änderungen im Stromverlauf zu erwarten sind, darf der Bemessungsstrom auf den Maximalwert erhöht werden. Zudem kann durch Setzen eines Parameters die gewünschte Zwischenkreisspannung angepasst werden.
Die DC-Schütze innerhalb des Prüfstandes sind zu Beginn geöffnet und die generatorische Stromgrenze ist auf den minimal realisierbaren Wert von 3 % gesetzt. Mithilfe dieser Variablen wird die Entladeleistung geregelt. Über den CAN-Bus wird die aktuelle Batteriespannung U_Batt übermittelt und der Schaltzustand mittels z. B. eines Discharge-Buttons über ein Touch-Display eingelesen.
Nach dem Aktivieren werden zunächst die Vorbereitungen zum Schließen der DC-Schütze getroffen. Dafür wird die Soll-Zwischenkreisspannung auf die Batteriespannung plus 15 V angehoben und dem Wechselrichter die Reglerfreigabe erteilt, damit dieser die Zwischenkreisspannung auf den gewünschten Wert setzen kann. Nach einer Wartefrist von zwei Sekunden werden die DC-Schütze geschlossen. An dieser Stelle ist ein Timer nötig, da das Ändern der Zwischenkreisspannung mehrere hundert Millisekunden in Anspruch nimmt. Danach erfolgt eine weitere Zeitverzögerung von zwei Sekunden. Diese verhindert, dass während dem Schließen der Schütze bereits die Leistung angehoben wird.
Im nächsten Schritt findet der Entladevorgang statt. Dabei wird die Soll-Zwischenkreisspannung auf 280 V gesetzt. Diese Spannung wird gewählt, da sie oberhalb der minimalen Zwischenkreisspannung von 243 V liegt, aber geringer als die minimal geforderte Batteriespannung von 300 V ist. Es muss sichergestellt sein, dass die Soll-Zwischenkreisspannung stets unterhalb der Batteriespannung liegt, damit der Wechselrichter die vorgegebene Stromgrenze erreichen kann. Solange der Wechselrichter in seiner Stromgrenze betrieben wird, kann auf die Zwischenkreisspannung nicht mehr eingewirkt werden. Dauerhaft abgefragt werden mehrere Parameter. Der Zustand des Discharge-Buttons wird benötigt, um den Entladevorgang auch manuell beenden zu können. Der Ziel-SOC und der aktuelle SOC müssen dabei permanent verglichen werden, damit der Entladevorgang bei Erreichen des gewünschten Ladezustands der Hochvolt-Batterie 10 beendet wird. Für die Berechnung der Entladeleistung sind die Batteriespannung und der Entladestrom nötig. Zusätzlich kann ein Bediener auswählen, ob er mit maximaler Leistung, oder mit geringerer Leistung entladen möchte. Diese Auswahl erfolgt über einen Regler am Touch-Display und wird in der Variable P_{_soll_Regler} gespeichert. Die Variable P_{_entlade_berechnet} dient als Hilfsvariable. Bevor der berechnete Wert dem Parameter generatorische Stromgrenze zugeschrieben werden darf, muss dieser zuerst auf seine Plausibilität geprüft werden. Bei einer berechneten Leistung, welche größer als die maximal erlaubten 48 kW ist, wird der Wert 100 % im Parameter generatorische Stromgrenze gespeichert. Da kleinere Werte als 3 % zu einer Fehlfunktion des Wechselrichters führen, dürfen diese keinesfalls übermittelt werden. Werte zwischen 3 % und 100 % werden unverändert im Parameter für die generatorische Stromgrenze gespeichert.
Wird der Discharge-Button erneut betätigt, oder entspricht der aktuelle SOC dem Ziel-SOC, gelangt das Programm in den nächsten Schritt. Die Entladeleistung wird auf den Minimalwert von 3 % herabgesetzt und die Zwischenkreisspannung auf die aktuelle Batteriespannung plus 15 V erhöht. Somit arbeitet der Wechselrichter generatorisch und es kann aufgrund der dauerhaft gesetzten motorischen Stromgrenze von 0 %, der Stromfluss auf ein Minimum reduziert werden. Nach Ablauf des Timers werden die DC-Schütze geöffnet, dem Wechselrichter die Reglerfreigabe entzogen und das Programm könnte wieder von Beginn starten.
8 zeigt den Verlauf der Netzspannung, der Zwischenkreisspannung und der SOC in Abhängigkeit von der Zeit. Am Verlauf der Zwischenkreisspannung ist der Programmablauf besonders gut zu erkennen. Zum Zeitpunkt t = 0 s, d. h. bei geöffneten DC-Schützen, entspricht die Zwischenkreisspannung der minimalen Spannung von 243 V. Bei Aktivierung des Discharge-Buttons wird die Zwischenkreisspannung auf 436 V angehoben. Dieser Wert entspricht der Batteriespannung plus 15 V. Im nächsten Schritt werden die DC-Schütze geschlossen. Da die motorische Stromgrenze bei 0 % liegt und somit kein Stromfluss erlaubt ist, kann die Soll-Zwischenkreisspannung von 436 V nicht aufrechterhalten werden. Die Zwischenkreisspannung wird von der Hochvolt-Batterie auf ihr derzeitiges Spannungsniveau gezogen. Im nächsten Schritt werden die Soll-Zwischenkreisspannung abgesenkt und die generatorische Stromgrenze auf den Wert von 100 % gesetzt. Aufgrund des hohen Stromflusses und des Innenwiderstandes der Hochvolt-Batterie sinkt die Zwischenkreisspannung auf 408 V ab. Während des Entladevorganges nimmt neben dem SOC auch die Batteriespannung ab, bis diese ihre Minimalspannung von 360 V erreicht hat.
Die Netzspannung beträgt im Leerlauf 403 V und wird während der Einspeisung auf 405 V angehoben, um einen Stromfluss in Netzrichtung erzielen zu können.
Bei erneutem Aktivieren des Discharge-Buttons, oder wie in diesem Fall, bei Erreichen des Ziel SOC's von 0 %, wird die Stromgrenze auf 3 % gesetzt und die Zwischenkreisspannung erneut um 15 V angehoben. Nach einer Wartezeit von 2 s werden die DC-Schütze geöffnet. Danach sinkt die wechselrichterseitige Zwischenkreisspannung wieder auf ihren Minimalwert von 243 V.
In der 9 sind die Entladeströme und die Entladeleistungen in Abhängigkeit von der Zeit zu sehen. Hierbei ist zu erkennen, dass trotz konstantem Zwischenkreisstrom I_ZK der Strom auf der 400 V Netzseite I_Netz langsam abnimmt. Dies ist die Wirkung der sinkenden Batteriespannung. Bei konstanter Netzspannung und sinkender Entladeleistung muss somit die Höhe des Stromes I_Netz abnehmen. Sobald der Entladestrom durch das Batteriemanagementsystem begrenzt wird, ist eine deutliche Abnahme der Entladeleistung P_ZK und folglich auch P_Netz zu erkennen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014224779 A1 [0009]

Claims

Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher (10) über einen Netzanschluss (N) in ein Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapazität umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter (20), der über eine Anschlussleitung (2) mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher (10) angeordneten Junction-Box (61) verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zwischen dem Wechselrichter (20) und dem Hochspannungsenergiespeicher (10) eine Zwischenkreisspannung U_ZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung (30) vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung U_ZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung U_Netz des Stromnetzes.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung einen Transformator (31) umfasst, der netzspannungsseitig zwischen dem Wechselrichter (20) und einem Netzanschluss (N) angeordnet ist, wobei der Transformator (31) ein Übersetzungsverhältnis aufweist, um die Ausgangsspannung U_{Netz_neu} am Wechselrichter (20) auf mindestens die Netzspannung U_Netz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung U_{Netz_neu} niedriger ist als die die Netzspannung U_Netz.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner netzspannungsseitig in der Verbindung zwischen dem Wechselrichter (20) und dem Netzanschluss (N) ein Kombifilter (40) und vorzugsweise noch ein Netzfilter (50) angeordnet sind, zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsstörungen.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombifilter (50) eine Drossel (51) umfasst.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsenergiespeicher (10) in einem Fahrzeug (F) an seinem bestimmungsgemäßen Einbauort eingebaut ist.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitung (2) mit einer ersten Breakoutbox (60) mit einem Anschluss versehen ist, zum Verbinden der Anschlussleitung (2) mit der Junction-Box (61) und die Anschlussleitung (2) der ersten Breakoutbox (60) in eine zweite Breakoutbox (70) verläuft.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Breakoutbox (70) drei Leitungspaare aus jeweils einer Hochvoltleitungen (HV+) und einer Hochvoltleitungen (HV-) verlaufen, wobei jeweils die Hochvoltleitungen (HV+) und die Hochvoltleitungen (HV-) über eine gemeinsame Stromschiene (71 bzw. 72) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei ein Leitungspaar zu einem an der Breakoutbox (70) angebrachten Steckverbinder (73) führt, der die Schnittstelle zum Verbinden der Anschlussleitung mit dem Wechselrichter (20) herstellt.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungspaar (HV+, HV-) durch Kabeldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox (70) zur Verbindung mit der Leistungselektronik (LE) des Fahrzeugs herausgeführt sind.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Breakoutboxen (60, 70) jeweils ein metallisches insbesondere geschirmtes Gehäuse (65, 75) aufweisen, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichleitung (PE) verbunden sind, die zu dem Steckverbinder (73) führt, um beim Anschluss einer Verbindungsleitung zum Wechselrichter (20) gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich herzustellen.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Freischalt- und Verriegelungsvorrichtung (80) an der zweiten Breakoutbox vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass ein Verriegelungsbügel (73a) in einer Position beim Verriegeln der Steckverbindung (73) mit einem eingesteckten Gegenstecker (74), einen Positionsschalter (81) in Breakoutbox mittelbar oder unmittelbar betätigt.
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltschrank (100) vorgesehen ist, in dem der Wechselrichter (20) untergebracht ist und ein Leitungspfad (101) zum Netzanschluss (N) eines Dreiphasennetzes (L1, L2, L3) führt.
Schnellentladeverfahren zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher (10) in einem Fahrzeug mit einem Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Verbinden des Hochspannungsenergiespeichers (10) mit dem Wechselrichter (20) über eine mit einem Steckverbinder ausgerüstete Anschlussleitung (2) die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs unmittelbar oder über eine Manipulation des Fahrzeugsteuergerätes hergestellt wird und dann der Entladevorgang gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladevorgang gestoppt wird, sobald eine bestimmte Soll-Restladung (SOC) des Hochspannungsenergiespeichers (10) erreicht ist.