DE102019130421A1

DE102019130421A1 - Traktionsbatterie-Ladestation

Info

Publication number: DE102019130421A1
Application number: DE102019130421.0A
Authority: DE
Inventors: Karsten Hähre; Marija Jankovic; Christoph Roggendorf
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-12
Also published as: US20210138923A1; CH716791B1; CN112793452B; CH716791A2; US11376983B2; CN112793452A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsbatterie-Ladestation (10) zum Gleichstrom-Laden einer Traktionsbatterie (24) eines Kraftfahrzeugs (20) mit einem elektrischen Traktionsmotor, mit einem Leistungs-Spannungswandler (50), der im Ladebetrieb eine elektrische Gleichspannungs-Ladeleistung in ein Paar von zwei Ladeleitungen (L1, L2) einspeist, einer Ladesteuerung (52), und einem Isolationswächter (30) mit zwei elektrischen Messwiderständen (36, 36'), die mit jeweils einer Ladeleitung (L1, L2) verbunden sind und über jeweils einen Widerstandsschalter (34, 34') mit Schutzerde (38) verbunden werden können, wobei der Isolationswächter (30) die elektrische Isolation des Ladeleitungs-Paares (L1, L2) gegenüber Schutzerde (38) beim Nicht-Laden und beim Laden der Traktionsbatterie (24) überwacht.Der Isolationswächter (30) weist eine Prüfmodus-Steuerung (32) auf, die einen unbeschränkten Nichtlade-Prüfmodus, in dem ein Widerstandsschalter (34, 34') geschlossen und der andere Widerstandsschalter (34', 34) gleichzeitig geöffnet ist, und einen symmetrischen Lade-Prüfmodus, in dem beide Widerstandsschalter (34, 34') gleichzeitig geschlossen oder gleichzeitig geöffnet sind, gespeichert hat und steuern kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Traktionsbatterie-Ladestation zum Aufladen einer Kraftfahrzeug-Traktionsbatterie mit Gleichstrom.
Die Traktionsbatterie-Ladestation weist einen Leistungs-Spannungswandler auf, der im Ladebetrieb eine elektrische Lade-Gleichspannung zur Verfügung stellt und in ein Paar von zwei Gleichstrom-Ladeleitungen einspeist. Die Ladestation weist eine Ladesteuerung auf, die den Ladeablauf und seine Vorbereitung überwacht, steuert und regelt. Aus Sicherheitsgründen ist bei Traktionsbatterie-Ladestationen eine elektrische Isolationsüberwachung erforderlich, die die elektrische Isolation bzw. den elektrischen Widerstand zwischen den Ladeleitungen einerseits und der Schutzerde andererseits elektrisch überwacht. Derartige Ladestationen sind beispielsweise aus DE 10 2015 107 161 A1 und DE 10 2015 110 023 A1 bekannt.
Eine typische Isolationsüberwachung einer Ladestation besteht aus einem Isolationswächter mit zwei elektrischen Messwiderständen bzw. -schaltungen, die jeweils mit einer Ladeleitung verbunden sind und über einen Widerstandsschalter mit der Schutzerde verbunden werden können. Bei geschlossenem Widerstandsschalter kann beispielsweise über eine Widerstandsbrücke, von der der Messwiderstand ein Teil ist, der Isolationswiderstand der betreffenden Ladeleitung sehr genau bestimmt werden. Die gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen fordern sowohl die Detektion von sogenannten symmetrischen Isolationsstörungen, die beispielsweise durch die Alterung von Isolationsmaterialien verursacht werden, als auch die Detektion von sogenannten unsymmetrischen Isolationsstörungen, die durch akute Beschädigungen verursacht werden.
Unsymmetrische Isolationsstörungen lassen sich durch einen symmetrischen Prüfmodus feststellen, bei dem beide Widerstandsschalter gleichzeitig geschlossen werden, so dass der Isolationswiderstand beider Ladeleitungen eines Ladeleitungs-Paares individuell bestimmt werden kann. Allerdings können hierbei symmetrische Isolationsstörungen nicht festgestellt werden. Symmetrische Isolationsstörungen werden durch einen unsymmetrischen Prüfmodus festgestellt, in dem die Widerstandsschalter jeweils nur wechselweise geschlossen bzw. geöffnet werden, die beiden Ladeleitungen also jeweils nur einzeln bezüglich ihres Isolationswiderstandes durchgemessen werden.
Typischerweise werden sowohl vor dem eigentlichen Ladevorgang als auch während des Ladevorgangs beide Ladeleitungen ständig und abwechselnd in dem symmetrischen und dem unsymmetrischen Prüfmodus überprüft. Allerdings ist im Ladebetrieb durch den unsymmetrischen Prüfmodus die elektrische Robustheit der Ladestation und des betreffenden Kraftfahrzeugs eingeschränkt. Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es dabei zu Störungen kommen, die insbesondere die Kommunikation zwischen der Ladestation und dem angeschlossenen Kraftfahrzeug stören können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Traktionsbatterie-Ladestation mit einem Isolationswächter zu schaffen, durch den elektrische Störungen zwischen der Ladestation und dem Kraftfahrzeug vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Traktionsbatterie-Ladestation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 4 zur Steuerung des Isolationswächters der Ladestation gemäß Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie-Ladestation ist zum Laden einer Traktionsbatterie eines mit einem elektrischen Traktionsantrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Ladestation weist einen Leistungs-Spannungswandler auf, der im Ladebetrieb eine elektrische Gleichspannungs-Ladeleistung in ein Paar von zwei Gleichstrom-Ladeleitungen einspeist. Die beiden Ladeleitungen werden auch als Plus-Ladeleitung und als Minus-Ladeleitung bezeichnet und sind Teil eines geschlossenen und elektrisch ungeerdeten Lade-Stromkreises, der galvanisch getrennt ist gegenüber der Schutzerde.
Die Ladestation weist einen Isolationswächter mit zwei ohmschen Messwiderständen auf, die jeweils mit einer Ladeleitung verbunden sind und mit ihrer anderen Seite jeweils über einen schaltbaren Widerstandsschalter mit der Schutzerde verbunden werden können. Bei geschlossenem Widerstandsschalter kann bezüglich der angeschlossenen Ladeleitung, beispielsweise über eine Widerstandsbrücke, der ohmsche Isolationswiderstand der betreffenden Ladeleitung gegenüber der elektrischen Schutzerde bestimmt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Isolationswächter eine Prüfmodus-Steuerung aufweist, die einen unsymmetrischen Nichtlade-Prüfmodus, in dem der eine Widerstandsschalter geschlossen und der andere Widerstandsschalter gleichzeitig geöffnet ist, bzw. umgekehrt, und einen symmetrischen Lade-Prüfmodus gespeichert hat und steuern kann, in dem beide Widerstandsschalter gleichzeitig entweder geschlossen oder geöffnet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass während eines Ladevorgangs kein unsymmetrischer Prüfmodus aktiviert wird.
Der Isolationswächter erfährt von einem anderen Steuerungselement der Ladestation, ob ein Ladevorgang aktiv ist, bzw. ob das Kraftfahrzeug elektrisch mit der Ladestation verbunden ist. Wenn der Isolationswächter einen aktiven Ladevorgang gemeldet bekommt oder, alternativ oder ergänzend, eine elektrische Verbindung zwischen dem Kraftfahrzeug und der Ladestation gemeldet bekommt, schaltet der Isolationswächter in den Lade-Prüfmodus, in dem ausschließlich eine symmetrische Isolationsmessung erfolgen kann bzw. erfolgt.
Vor jedem Ladevorgang wird obligatorisch durch den Isolationswächter sowohl im unsymmetrischen Prüfmodus als auch im symmetrischen Prüfmodus eine vollständige Isolationsprüfung durchgeführt. Dies kann beispielsweise durch ein sogenanntes Bus-Shifting-Verfahren erfolgen. Hierdurch wird der Isolationszustand der beiden Ladeleitungen bis zum Ladestecker der Ladestation ermittelt. Sobald der Ladevorgang beginnt, schaltet die Prüfmodus-Steuerung in den Lade-Prüfmodus, in dem ausschließlich der symmetrische Prüfmodus ausgeführt wird. Zwar werden in dem symmetrischen Prüfmodus insbesondere keine alterungsbedingten und systematischen Verschlechterungen der elektrischen Isolation der Ladeleitungen gegenüber der Schutzerde festgestellt. Allerdings ist hierfür naturgemäß eine grobmaschige, beispielsweise eine tägliche, Überprüfung völlig ausreichend. Der Verzicht auf den unsymmetrischen Prüfmodus während des Ladevorgangs stellt daher keine signifikante Beeinträchtigung der Isolationssicherheits-Überwachung dar.
Vorzugsweise aktiviert die Prüfmodus-Steuerung während des von der Ladesteuerung an den Isolationswächter gemeldeten Ladebetriebs ausschließlich den Lade-Prüfmodus.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann der Ladestations-seitige Ladestecker, in den das Ladeleitungs-Paar mündet, einen Konnektierungs-Sensor aufweisen, der die Konnektierung des Ladesteckers mit einer fahrzeugseitigen Ladebuchse detektiert. Die Prüfmodus-Steuerung ist informell mit dem Konnektierungs-Sensor verbunden. Die Prüfmodus-Steuerung schaltet bei Meldung einer Konnektierung durch den Konnektierungs-Sensor den Lade-Prüfmodus ein. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Isolationswächter nur noch in dem Lade-Prüfmodus arbeitet, sobald die Ladestation elektrisch mit dem betreffenden Kraftfahrzeug verbunden ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern des Isolationswächters der Traktionsbatterie-Ladestation sind die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:
Bei Eingang eines Ladebetrieb-Wunsches und vor dem Start des Ladebetriebs wird der Nichtlade-Prüfmodus eingeschaltet, sodass die beiden Widerstandsschalter komplementär zueinander mehrmals geöffnet und geschlossen werden. Sobald der Nichtlade-Prüfmodus mit positivem Ergebnis abgeschlossen ist, kann der eigentliche Ladebetrieb gestartet werden. Sobald der Ladebetrieb gestartet ist und solange der Ladebetrieb andauert, schaltet die Prüfmodus-Steuerung den Lade-Prüfmodus ein, in dem beide Widerstandsschalter, stets entweder gleichzeitig geschlossen oder gleichzeitig geöffnet sind.
Der Isolationswächter kann ferner so ausgebildet sein, dass er regelmäßig einen Selbsttest durchführt, und zwar sowohl vor einer Konnektierung als auch während einer Konnektierung des Ladestations-seitigen Ladesteckers mit einer fahrzeugseitigen Ladebuchse.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine Traktionsbatterie-Ladestation mit einem Isolationswächter und einer integrierten Prüfmodus-Steuerung im Nichtlade-Prüfmodus sowie ein nicht konnektiertes Kraftfahrzeug, und
2 die Anordnung der 1 mit dem konnektierten Kraftfahrzeug und der Prüfmodus-Steuerung im Lade-Prüfmodus.

In den Figuren ist schematisch jeweils eine Anordnung bestehend aus einer Traktionsbatterie-Ladestation 10 und einem Kraftfahrzeug 20 mit einer Traktionsbatterie 24 dargestellt, das einen elektrischen Traktionsmotor aufweist.
Die Ladestation 10 weist einen Leistungs-Spannungswandler 50 auf, der aus einem öffentlichen Elektroenergie-Netz 12 mit Wechselspannung gespeist wird, und der eine galvanische Trennung 54 aufweist. Der Leistungs-Spannungswandler 50 speist ein Paar von zwei Ladeleitungen L1, L2 mit elektrischer Hochspannungs-Gleichstrom-Ladeleistung. Die Ladestation 10 weist ferner eine elektronische Ladesteuerung 52 auf, die alle Prozesse der Ladestation 10 überwacht, und insbesondere den Ladeprozess und seine Vorbereitung überwacht und steuert. Die beiden Ladeleitungen L1, L2 münden in einen Ladestations-seitigen Ladestecker 21, der mit einer korrespondierenden fahrzeugseitigen Ladebuchse 22 zusammensteckbar ist, wie in 2 dargestellt. Der Ladestecker 21 weist einen Konnektierungs-Sensor 21' auf, der die Konnektierung des Ladesteckers 21 mit der Ladebuchse 22 detektiert.
Wenn der Ladestecker 21 mit der Ladebuchse 22 zusammengesteckt ist, kann über die beiden Ladeleitungen L1, L2 die Traktionsbatterie 24 des Kraftfahrzeugs 20 aufgeladen werden.
Die Ladestation 10 weist ferner einen Isolationswächter 30 auf, durch den die beiden Ladeleitungen L1, L2 hindurchgeführt sind. Jeder Ladeleitung L1, L2 ist in dem Isolationswächter 30 jeweils ein Messwiderstand 36, 36' und ein mit dem Messwiderstand 36, 36' in Reihe geschalteter Widerstandsschalter 34, 34' zugeordnet. Bei geschlossenem Widerstandsschalter 34' ist die betreffende Ladeleitung L2 über den betreffenden Messwiderstand 36' elektrisch mit der Schutzerde 38 verbunden. Der Messwiderstand 36, 36' kann als Teil einer Widerstandsbrücke ausgebildet sein, deren Verstimmung ermittelt wird, um auf diese Weise den elektrischen Isolationswiderstand der betreffenden Ladeleitung L1, L2 gegenüber der Schutzerde 38 exakt zu bestimmen.
Der Isolationswächter 30 weist eine Prüfmodus-Steuerung 32 auf, die mit den Messwiderständen 36, 36', den Widerstandsschaltern 34, 34', der Ladesteuerung 52 und dem Konnektierungs-Sensor 21' elektrisch beziehungsweise informell verbunden ist. Die Prüfmodus-Steuerung 32 hat unter anderem zwei Prüfmodi gespeichert, nämlich einen unsymmetrischen Nichtlade-Prüfmodus, in dem jeweils einer der beiden Widerstandsschalter 34' geschlossen und der andere Widerstandsschalter 34 geöffnet ist, bzw. umgekehrt, und einen symmetrischen Lade-Prüfmodus, in dem stets beide Widerstandsschalter 34, 34' gleichzeitig geschlossen oder gleichzeitig geöffnet sind.
Sobald die Ladesteuerung 52 einen Ladewunsch registriert, wird dies auch von der Prüfmodus-Steuerung 32 registriert, die daraufhin den Nichtlade-Prüfmodus startet, und hierbei sowohl eine symmetrische Prüfung als auch eine nichtsymmetrische Prüfung des Isolationswiderstands der beiden Ladeleitungen L1, L2 durchführt. Insbesondere führt die Prüfmodus-Steuerung 32 die unsymmetrische Prüfung durch, in der die beiden Widerstandsschalter 34, 34' nach einem sogenannten Bus-Shifting-Verfahren komplementär zueinander mehrmals geschlossen und geöffnet werden, wie in 1 dargestellt. Hierdurch werden insbesondere symmetrische Fehler bzw. symmetrische Veränderungen des Isolationswiderstandes der beiden Ladeleitungen L1, L2 detektiert.
Sobald die Ladesteuerung 52 den Beginn des Ladebetriebs signalisiert bzw. der Konnektierungs-Sensor 21' die mechanische und elektrische Konnektierung des Ladesteckers 21 mit der fahrzeugseitigen Ladebuchse 22 meldet, schaltet die Prüfmodus-Steuerung 32 in den Lade-Prüfmodus, in dem ausschließlich eine symmetrische Prüfung der Isolationswiderstände der beiden Ladeleitungen L1, L2 vorgenommen wird, wie in 2 dargestellt. Solange der Ladebetrieb andauert bzw. die Ladestation 10 und das Kraftfahrzeug 20 elektrisch miteinander verbunden sind, schaltet die Prüfmodus-Steuerung 32 den Lade-Prüfmodus nicht ab, sodass während des Ladebetriebs bzw. während des Informationsaustausches zwischen dem Kraftfahrzeug 20 und der Ladestation 10 keine unsymmetrische Messung des Isolationswiderstandes der Ladeleitungen L1, L2 vorgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015107161 A1 [0002]
DE 102015110023 A1 [0002]

Claims

Traktionsbatterie-Ladestation (10) zum Gleichstrom-Laden einer Traktionsbatterie (24) eines Kraftfahrzeugs (20) mit einem elektrischen Traktionsmotor, mit einem Leistungs-Spannungswandler (50), der im Ladebetrieb eine elektrische Gleichspannungs-Ladeleistung in ein Paar von zwei Ladeleitungen (L1, L2) einspeist, einer Ladesteuerung (52), und einem Isolationswächter (30) mit zwei elektrischen Messwiderständen (36, 36'), die mit jeweils einer Ladeleitung (L1, L2) verbunden sind und über jeweils einen Widerstandsschalter (34, 34') mit Schutzerde (38) verbunden werden können, wobei der Isolationswächter (30) die elektrische Isolation des Ladeleitungs-Paares (L1, L2) gegenüber Schutzerde (38) beim Nicht-Laden und beim Laden der Traktionsbatterie (24) überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationswächter (30) eine Prüfmodus-Steuerung (32) aufweist, die einen unbeschränkten Nichtlade-Prüfmodus, in dem ein Widerstandsschalter (34, 34') geschlossen und der andere Widerstandsschalter (34', 34) gleichzeitig geöffnet ist, und einen symmetrischen Lade-Prüfmodus, in dem beide Widerstandsschalter (34, 34') gleichzeitig geschlossen oder gleichzeitig geöffnet sind, gespeichert hat und steuern kann.
Traktionsbatterie-Ladestation (10) nach Anspruch 1, wobei während des von der Ladesteuerung (52) an den Isolationswächter (30) gemeldeten Ladebetriebs die Prüfmodus-Steuerung (32) ausschließlich den Lade-Prüfmodus aktiviert.
Traktionsbatterie-Ladestation (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Ladeleitungs-Paar (L1, L2) in einen Ladestations-seitigen Ladestecker (21) mündet, der einen Konnektierungs-Sensor (21') aufweist, der die Konnektierung des Ladesteckers (21) mit einer fahrzeugseitigen Ladebuchse (22) detektiert, wobei die Prüfmodus-Steuerung (32) bei Meldung einer Konnektierung durch den Konnektierungs-Sensor (21') ausschließlich den Lade-Prüfmodus einschaltet.
Verfahren zum Steuern des Isolationswächters (30) der Traktionsbatterie-Ladestation (10) mit den Merkmalen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: bei Eingang eines Ladebetrieb-Wunsches und vor dem Start des Ladebetriebs: Einschalten des Nichtlade-Prüfmodus, sodass die Widerstandsschalter (34, 34') komplementär zueinander geöffnet und geschlossen werden, und während des folgenden Ladebetriebs: Einschalten des Lade-Prüfmodus, sodass die Widerstandsschalter (34, 34') synchron zueinander geöffnet und geschlossen werden.