DE102019109720A1

DE102019109720A1 - Verfahren zur Ermittlung von Kapazitäten von Ableitkondensatoren in einem Ladekabel

Info

Publication number: DE102019109720A1
Application number: DE102019109720.7A
Authority: DE
Inventors: Karsten Hähre; Marija Jankovic; Raoul Heyne
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15
Also published as: WO2020207619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Kapazitäten von Ableitkondensatoren in einem Ladekabel während eines Ladevorgangs, bei dem ein Energiespeicher über das Ladekabel von einer Energiequelle (100) aufgeladen wird, wobei ein erster Ausgang der Energiequelle (100) über einen ersten Ableitkondensator mit einem Massepotential (PE) elektrisch verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgang der Energiequelle (100) über einen zweiten Ableitkondensator mit dem Massepotential (PE) elektrisch verbunden ist, wobei ein erster Testwiderstand und ein erstes Schaltmittel (S1) parallel zum ersten Ableitkondensator geschaltet sind, wobei ein zweiter Testwiderstand und ein zweites Schaltmittel (S2) parallel zum zweiten Ableitkondensator geschaltet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:- Einschalten des ersten Schaltmittels (S1), sodass der erste Ausgang der Energiequelle (100) über den ersten Testwiderstand mit dem Massepotential (PE) verbunden ist;- Einschalten des zweiten Schaltmittels (S2), sodass der zweite Ausgang der Energiequelle (100) über den zweiten Testwiderstand mit dem Massepotential (PE) verbunden ist;- Messung eines zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Spannung (v1) zwischen dem ersten Ausgang der Energiequelle (100) und dem Massepotential (PE);- Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren unter Verwendung des gemessenen zeitlichen Verlaufs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Kapazitäten von Ableitkondensatoren in einem Ladekabel während eines Ladevorgangs gemäß Anspruch 1.
Beim Ladevorgang elektrochemischer Energiespeicher, zum Beispiel aufladbarer Batterien oder Akkumulatoren, in Kraftfahrzeugen werden sogenannte Ableitkondensatoren oder auch Entstörkondensatoren verwendet. Sie leiten hochfrequente Störsignale gegen die Masse oder den Neutralleiter oder schließen sie kurz und bewirken damit die Herabsetzung der elektromagnetischen Störungen. Dabei sind in den Normen IEC 61851-23 und SAE J1772 Grenzwerte für die maximale Energie festgelegt, die in den Kondensatoren vorhanden sein darf. Hieraus ergibt sich auch eine Begrenzung der erlaubten Kapazität für die Ableitkondensatoren in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung.
In der DE 10 2015 016 000 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug offenbart, die eine Entladung der Y-Ableitkondensatoren ermöglicht. Eine Überwachung der Kapazitäten während des Ladevorgangs erfolgt nicht.
Eine Überwachung der Isolationswiderstände während eines Ladevorgangs ist in FR 3026191 A1 offenbart.
Die Isolationswiderstände werden häufig mittels einer Widerstandsmessbrücke bestimmt. Dabei wird zwischen dem positiven und negativen Ausgangspotenzial der Energiequelle abwechselnd ein Messwiderstand geschaltet. Dies erzeugt eine Asymmetrie im Spannungsverlauf, sodass die in einem der Ableitkondensatoren vorhandene Energie den zulässigen Grenzwert überschreiten kann.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine bessere Kompatibilität eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs mit verschiedenen Ladestationen erreicht werden kann. Außerdem soll ein System geschaffen werden, das dazu ausgebildet ist, solch ein Verfahren durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein System gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Während das Verfahren durchgeführt wird, wird ein aufladbarer Energiespeicher, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, über ein Ladekabel von einer Energiequelle aufgeladen. Die Energiequelle kann beispielsweise ein öffentliches Stromnetz oder eine Ladesäule für ein elektronisch betriebenes Kraftfahrzeug umfassen. Das Ladekabel kann dabei Verbindungselemente, z.B. Stecker und/oder Buchsen umfassen, die dazu ausgebildet sind, mit dem Kraftfahrzeug und mit der Energiequelle verbunden zu werden.
Ein erster Ausgang der Energiequelle ist über einen ersten Ableitkondensator mit einem Massepotential elektrisch verbunden. Ein zweiter Ausgang der Energiequelle ist über einen zweiten Ableitkondensator mit dem Massepotential elektrisch verbunden.
Ein erster Testwiderstand und ein erstes Schaltmittel sind parallel zum ersten Ableitkondensator geschaltet. Dabei sind der erste Testwiderstand und das erste Schaltmittel hintereinander in Reihe geschaltet. Ein zweiter Testwiderstand und ein zweites Schaltmittel sind parallel zum zweiten Ableitkondensator geschaltet. Dabei sind der zweite Testwiderstand und das zweite Schaltmittel hintereinander in Reihe geschaltet. Unter einer parallelen Schaltung wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung eine parallele Schaltung im elektrischen Sinne verstanden. Es ist nicht notwendig, jedoch möglich, dass die betreffenden Bauteile auch im geometrischen Sinne parallel zueinander angeordnet sind. Das gleiche gilt entsprechend für die Schaltung in Reihe.
Das erste und das zweite Schaltmittel können ein- und ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand kann elektrischer Strom durch das Schaltmittel fließen, während im ausgeschalteten Zustand kein Strom durch das Schaltmittel fließen kann.
Das erste Schaltmittel wird eingeschaltet. In diesem Zustand ist der erste Ausgang der Energiequelle über den ersten Testwiderstand mit dem Massepotential verbunden.
Das zweite Schaltmittel wird eingeschaltet. In diesem Zustand ist der zweite Ausgang der Energiequelle über den zweiten Testwiderstand mit dem Massepotential verbunden.
Es wird ein zeitlicher Verlauf einer ersten elektrischen Spannung zwischen dem ersten Ausgang der Energiequelle und dem Massepotential gemessen. Der erste Ausgang kann beispielsweise der positive Ausgang der Energiequelle sein. Zusätzlich kann ein zeitlicher Verlauf einer zweiten elektrischen Spannung zwischen dem zweiten Ausgang der Energiequelle und dem Massepotential gemessen werden. Der zweite Ausgang kann beispielsweise der negative Ausgang der Energiequelle sein.
Die Kapazitäten der Ableitkondensatoren werden unter Verwendung des gemessenen zeitlichen Verlaufs der ersten elektrischen Spannung ermittelt. Falls der zeitliche Verlauf der zweiten elektrischen Spannung gemessen wurde, kann auch dieser zur Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren verwendet werden. Durch diese Überwachung kann bei einer Asymmetrie der Spannung zwischen den Ausgängen gegenüber dem Massepotential eine Überschreitung der zulässigen in den Ableitkondensatoren gespeicherten Energie detektiert werden. Dies erhöht die Kompatibilität des Energiespeichers im Kraftfahrzeug mit verschiedenen Ladestationen. Asymmetrien, die durch Messungen der Isolationswiderstände erzeugt wurden, können somit erkannt werden. Falls aufgrund einer solchen Asymmetrie die in einem der Ableitkondensatoren gespeicherte Energie zu groß wird, kann der Ladevorgang abgebrochen und der Ableitkondensator entladen werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Ableitkondensatoren als Y-Ableitkondensatoren ausgebildet sein. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Ableitkondensator der Klasse Y gemäß der Norm IEC 60384-1 verstanden. Sie werden zwischen einer Phase oder Neutralleiter der Energiequelle und berührbaren und schutzgeerdeten Komponenten angeschlossen und überbrücken die Isolierung. Y-Ableitkondensatoren weisen bei begrenzter Kapazität eine überprüfbare erhöhte elektrische und mechanische Sicherheit auf, da bei ihrer Anwendung im Falle eines Versagens durch Kurzschluss eine Gefährdung von Personen auftreten kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann überwacht werden, ob die Kapazitäten der Ableitkondensatoren jeweils einen Schwellwert überschreiten. Bei Überschreitung des Schwellwerts durch zumindest einen der beiden Ableitkondensatoren wird der Ladevorgang unterbrochen und der betroffene Ableitkondensator entladen. Dies erhöht die Sicherheit für Personen im Umfeld der Energiequelle und des Kraftfahrzeugs.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das zweite Schaltmittel ausgeschaltet sein, wenn das erste Schaltmittel eingeschaltet wird. Dies kann insbesondere erfolgen, während der zeitliche Verlauf der ersten Spannung gemessen wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Schaltmittel ausgeschaltet werden, während das zweite Schaltmittel eingeschaltet ist. Dies kann insbesondere erfolgen, während der zeitliche Verlauf der ersten Spannung gemessen wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können das erste und das zweite Schaltmittel gleichzeitig eingeschaltet sein, bevor das erste Schaltmittel ausgeschaltet wird. Dies kann insbesondere erfolgen, während der zeitliche Verlauf der ersten Spannung gemessen wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann zunächst das zweite Schaltmittel ausgeschaltet sein, wenn das erste Schaltmittel eingeschaltet wird. Danach wird das zweite Schaltmittel eingeschaltet, während das erste Schaltmittel eingeschaltet bleibt. Danach wird das erste Schaltmittel ausgeschaltet, während das zweite Schaltmittel eingeschaltet bleibt. Diese Schritte können insbesondere durchgeführt werden, während der zeitliche Verlauf der ersten Spannung gemessen wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der erste Ableitkondensator parallel zu einem ersten Isolationswiderstand angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Ableitkondensator parallel zu einem zweiten Isolationswiderstand angeordnet sein. Die Isolationswiderstände erhöhen die Sicherheit für Personen im Umfeld der Energiequelle und des Kraftfahrzeugs. Außerdem können die Isolationswiderstände zur Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren verwendet werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können Widerstandswerte der Isolationswiderstände ermittelt werden. Die Widerstandswerde können bei der Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren verwendet werden.
Das System gemäß Anspruch 10 umfasst ein Kraftfahrzeug mit dem aufladbaren Energiespeicher, das Ladekabel und die Energiequelle. Das Kraftfahrzeug umfasst ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen, während der Energiespeicher über das Ladekabel von der Energiequelle aufgeladen wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen.

1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung zur Ermittlung der Kapazitäten von Ableitkondensatoren; und
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Zeitverlaufs zweier gemessener elektrischer Potentiale.

Eine Energiequelle 100 gibt über einen positiven und einen negativen Ausgang eine Spannung V_DC aus, die für einen Ladevorgang eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Der positive Ausgang ist über einen ersten Y-Ableitkondensator mit der Kapazität C_y+, einen ersten Isolationswiderstand R_iso+ und einen ersten Testwiderstand Rtest+ mit einem Massepotential PE elektrisch verbunden. Der erste Ableitkondensator, der erste Isolationswiderstand R_iso+ und der erste Testwiderstand Rtest+ sind dabei parallel zueinander geschaltet. Ein erstes Schaltmittel S₁ ist in Reihe mit dem ersten Testwiderstand R_test+ geschaltet, sodass die Verbindung des positiven Ausgangs mit dem Massepotential PE über den ersten Testwiderstand ein- und ausgeschaltet werden kann.
Der negative Ausgang ist über einen zweiten Y-Ableitkondensator mit der Kapazität C_y-, einen zweiten Isolationswiderstand R_iso- und einen zweiten Testwiderstand R_test- mit einem Massepotential PE elektrisch verbunden. Der zweite Ableitkondensator, der zweite Isolationswiderstand R_iso- und der zweite Testwiderstand R_test- sind dabei parallel zueinander geschaltet. Ein zweites Schaltmittel S₂ ist in Reihe mit dem zweiten Testwiderstand R_test- geschaltet, sodass die Verbindung des positiven Ausgangs mit dem Massepotential PE über den zweiten Testwiderstand ein- und ausgeschaltet werden kann.
Die Spannung zwischen dem positiven Ausgang und dem Massepotential PE kann mittels eines ersten Messmittels gemessen werden und wird als v₁ bezeichnet. Die Spannung zwischen dem negativen Ausgang und dem Massepotential PE kann mittels eines zweiten Messmittels gemessen werden und wird als v₂ bezeichnet.
Um die Kapazitäten der Ableitkondensatoren C_y+ und C_y- während des Ladevorgangs zu bestimmen, werden die Schaltmittel S₁ und S₂ folgendermaßen geschaltet. Zunächst wird das erste Schaltmittel S₁ eingeschaltet, sodass der positive Ausgang über den ersten Testwiderstand R_test+ mit dem Massepotential verbunden ist. Anschließend wird das zweite Schaltmittel S₂ eingeschaltet, während das erste Schaltmittel S₁ eingeschaltet bleibt. In diesem Zustand ist der negative Ausgang über den zweiten Testwiderstand R_test- mit dem Massepotential verbunden. Danach wird das erste Schaltmittel S₁ ausgeschaltet, während das zweite Schaltmittel S₂ eingeschaltet bleibt.
Bei dieser Schaltung der beiden Schaltmittel S₁ und S₂ ergibt sich der in 2 dargestellte Verlauf der gemessenen Spannungen v₁ und v₂. Während eines ersten Zeitraums 1 ist das erste Schaltmittel S₁ ein- und das zweite Schaltmittel S₂ ausgeschaltet. Während eines zweiten Zeitraums 2 sind das erste Schaltmittel S₁ und das zweite Schaltmittel S₂ beide eingeschaltet. Während eines dritten Zeitraums 3 ist das erste Schaltmittel S₁ aus- und das zweite Schaltmittel S₂ eingeschaltet. An den dritten Zeitraum 3 schließt sich wieder der erste Zeitraum 1 an.
Zu Beginn jedes Zeitraums erfolgen Umladungen, nach deren Ende sich eine innerhalb des jeweiligen Zeitraums konstante Spannung einstellt. Die für die Umladungen benötigte Zeitspanne beim Übergang vom ersten Zeitraum 1 in den zweiten Zeitraum 2 wird mit 5τ₂ bezeichnet. Die für die Umladungen benötigte Zeitspanne beim Übergang vom zweiten Zeitraum 2 in den dritten Zeitraum 3 wird mit 5τ₃ bezeichnet. Die für die Umladungen benötigte Zeitspanne beim Übergang vom dritten Zeitraum 3 in den ersten Zeitraum 1 wird mit 5τ₁ bezeichnet.
Die Widerstandswerte der beiden Testwiderstände Rtest+ und R_test- sind bekannt. Die Widerstandswerte der beiden Isolationswiderstände R_iso+ und R_iso- lassen sich mittels der folgenden Formeln berechnen: $v_{1} (1) = \frac{\frac{R_{t e s t +} * R_{i s o +}}{R_{t e s t +} + R_{i s o +}}}{\frac{R_{t e s t +} * R_{i s o +}}{R_{t e s t +} + R_{i s o +}} + R_{i s o -}} V_{D C}$
$\begin{array}{l} v_{1} (2) = \frac{\frac{R_{t e s t +} * R_{i s o +}}{R_{t e s t +} + R_{i s o +}}}{\frac{R_{t e s t +} * R_{i s o +}}{R_{t e s t +} + R_{i s o +}} + \frac{R_{t e s t -} * R_{i s o -}}{R_{t e s t -} + R_{i s o -}}} V_{D C} \\ v_{1} (3) = \frac{R_{i s o +}}{\frac{R_{t e s t -} * R_{i s o -}}{R_{t e s t -} + R_{i s o -}} + R_{i s o +}} V_{D C} \end{array}$
Dabei bezeichnet v₁(x) die konstante Spannung im Zeitraum x zwischen dem positiven Ausgang und dem Massepotential PE.
Die Zeitspannen τ₁ bis τ₃ können gemessen werden. Aus ihnen lässt sich anhand der folgenden Formeln die effektive gesamte Kapazität C_e der Y-Ableitkondensatoren berechnen. Dabei gilt C_e=C_y++C_y-. $\begin{array}{l} τ_{1} = \frac{C_{e}}{\frac{1}{R_{t e s t +}} + \frac{1}{R_{i s o +}} + \frac{1}{R_{i s o -}}} \\ τ_{2} = \frac{C_{e}}{\frac{1}{R_{t e s t +}} + \frac{1}{R_{i s o +}} + \frac{1}{R_{i s o -}} + \frac{1}{R_{t e s t +}}} \\ τ_{3} = \frac{C_{e}}{\frac{1}{R_{i s o +}} + \frac{1}{R_{t e s t -}} + \frac{1}{R_{i s o -}}} \end{array}$
Beim Übergang vom dritten Zeitraum 3 in den ersten Zeitraum 1 wird der zweite Ableitkondensator mit der Kapazität C_y- auf- und der erste Ableitkondensator mit der Kapazität C_y+ entladen. Die effektive Kapazität C_e wird also durch die Parallelschaltung von R_iso+, R_iso- und R_test+ umgeladen. Dies erklärt die Formel zur Berechnung der ersten Zeitspanne τ₁.
Beim Übergang vom ersten Zeitraum 1 in den zweiten Zeitraum 2 wird die effektive Kapazität C_e durch die Parallelschaltung aus allen Widerständen umgeladen. Dies erklärt die Formel zur Berechnung der zweiten Zeitspanne τ₂.
Beim Übergang vom zweiten Zeitraum 2 in den dritten Zeitraum 3 wird die effektive Kapazität C_e über die Parallelschaltung aus R_iso+, R_test- R_iso- umgeladen. Dies erklärt die Formel zur Berechnung der dritten Zeitspanne τ₃.
Aus der effektiven Kapazität C_e lassen sich dann die Kapazitäten C_y+ und C_y- der beiden Y-Ableitkondensatoren ermitteln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015016000 A1 [0003]
FR 3026191 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Kapazitäten von Ableitkondensatoren in einem Ladekabel während eines Ladevorgangs, bei dem ein aufladbarer Energiespeicher über das Ladekabel von einer Energiequelle (100) aufgeladen wird, wobei das Ladekabel einen ersten Ableitkondensator und einen zweiten Ableitkondensator umfasst, wobei ein erster Ausgang der Energiequelle (100) über den ersten Ableitkondensator mit einem Massepotential (PE) elektrisch verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgang der Energiequelle (100) über den zweiten Ableitkondensator mit dem Massepotential (PE) elektrisch verbunden ist, wobei ein erster Testwiderstand und ein erstes Schaltmittel (S₁) parallel zum ersten Ableitkondensator geschaltet sind, wobei ein zweiter Testwiderstand und ein zweites Schaltmittel (S₂) parallel zum zweiten Ableitkondensator geschaltet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Einschalten des ersten Schaltmittels (S₁), sodass der erste Ausgang der Energiequelle (100) über den ersten Testwiderstand mit dem Massepotential (PE) verbunden ist; - Einschalten des zweiten Schaltmittels (S₂), sodass der zweite Ausgang der Energiequelle (100) über den zweiten Testwiderstand mit dem Massepotential (PE) verbunden ist; - Messung eines zeitlichen Verlaufs einer ersten elektrischen Spannung (v₁) zwischen dem ersten Ausgang der Energiequelle (100) und dem Massepotential (PE); und - Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren unter Verwendung des gemessenen zeitlichen Verlaufs der ersten elektrischen Spannung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitkondensatoren als Y-Ableitkondensatoren ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass überwacht wird, ob die Kapazitäten der Ableitkondensatoren jeweils einen Schwellwert überschreiten, und wobei bei Überschreitung des Schwellwerts durch den ersten Ableitkondensator und/oder durch den zweiten Ableitkondensator der Ladevorgang unterbrochen und der jeweilige Ableitkondensator entladen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schaltmittel (S₂) ausgeschaltet ist, wenn das erste Schaltmittel (S₁) eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltmittel (S₁) ausgeschaltet wird, während das zweite Schaltmittel (S₂) eingeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltmittel (S₁) und das zweite Schaltmittel (S₂) gleichzeitig eingeschaltet sind, bevor das erste Schaltmittel (S₁) ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das zweite Schaltmittel (S₂) ausgeschaltet ist, wenn das erste Schaltmittel (S₁) eingeschaltet wird, und dass danach das zweite Schaltmittel (S₂) eingeschaltet wird, während das erste Schaltmittel (S₁) eingeschaltet bleibt, und dass danach das erste Schaltmittel (S₁) ausgeschaltet wird, während das zweite Schaltmittel (S₂) eingeschaltet bleibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ableitkondensator parallel zu einem ersten Isolationswiderstand und/oder der zweite Ableitkondensator parallel zu einem zweiten Isolationswiderstand angeordnet ist.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandswerte der Isolationswiderstände ermittelt werden, wobei die Widerstandswerte bei der Ermittlung der Kapazitäten der Ableitkondensatoren verwendet werden.
System, umfassend ein Kraftfahrzeug mit dem aufladbaren Energiespeicher, das Ladekabel und die Energiequelle (100), wobei das Kraftfahrzeug ein Steuergerät umfasst, das dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen, während der Energiespeicher über das Ladekabel von der Energiequelle (100) aufgeladen wird.