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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs während eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers des elektrischen Bordnetzes mittels eines Überwachungssystems gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Überwachungssystem.
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Das Nachladen von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere von vollelektrischen Kraftfahrzeugen, erfolgt überwiegend kabelgebunden und durch Herstellen einer sogenannten galvanischen Verbindung mittels einer Steckverbindung zu einer Ladesäule oder einem mobilen Ladegerät. Ebenso kommen zum Schnellladen auch Pantographen zum Einsatz, die auf dem Kraftfahrzeugdach montiert sein können. Bei beiden Systemen ist es möglich, dass es aufgrund einer Beschädigung der externen Leitungen oder Leistungselektronik des Ladegeräts zu einem partiellen oder vollständigen Kurzschluss außerhalb des Kraftfahrzeugs kommt, der dann gegebenenfalls einen Brand auslösen kann.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass einerseits die Ladeinfrastruktur über eigene Schutzmaßnahmen verfügt und das Laden unterbricht. Kraftfahrzeugseitig sind beispielsweise Schmelzsicherungen vorhanden, die den Kurzschlussstrom unterbrechen. Dies hat den Nachteil, dass der Strom zunächst einmal die Auslöseschwelle der Sicherung den sogenannten I2t-Wert, überschreiten muss, um den Stromkreis sicher zu unterbrechen. Handelt es sich um einen Kurzschluss, fließt über einen kurzen Zeitraum, beispielsweise wenige 10 ms, ein großer Strom und es findet eine Schnellauslösung statt. Handelt es sich jedoch um einen Kurzschluss mit erhöhtem Widerstand oder einem Lichtbogen, beispielsweise 60 bis 80 mΩ, dauert es gegebenenfalls relativ lange bis zum Auslösen der Sicherung. Während dieser Zeit besteht eine erhöhte Brandgefahr. Auch sind Strommesseinrichtungen bekannt, die ihren Wert an ein zentrales Steuergerät melden, welches dann gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen einleitet. Aufgrund der damit verbundenen Buslaufzeiten ist die Maßnahme jedoch nur bedingt bis nicht geeignet, um einen mit einem Kurzschluss einhergehenden hohen Strom mit steilen Anstiegsflanken so rechtzeitig abzuschalten, dass Schäden beziehungsweise Gefahren ausgeschlossen oder hinreichend minimiert werden können.
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Die
DE 10 2019 101 160 A1 betrifft ein Verfahren, bei welchem beim Erhalten eines gemessenen Stroms, der mit dem Energiefeld assoziiert ist, unter Verwenden eines Strommessers durchgeführt wird und ein Erhalten einer gemessenen Spannung, die mit der Energiequelle assoziiert ist. In Reaktion auf das Identifizieren einer Abwesenheit einer anormalen Bedingung des Strommessers, basierend auf dem gemessenen Strom, bestimmt das Verfahren einen stromkompensierten Wert für das Kennzeichen, der wenigstens teilweise auf der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom basiert. In Reaktion auf das Identifizieren der anormalen Bedingung des Strommessers, basierend auf dem gemessenen Strom, bestimmt das Verfahren einen unkompensierten Wert für das Kennzeichen, der wenigstens teilweise auf der gemessenen Spannung basiert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Überwachungssystem zu schaffen, mittels welchem die Sicherheit bei einem Ladevorgang eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie durch ein Überwachungssystem gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs während eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers des elektrischen Bordnetzes mittels eines Überwachungssystems, bei welchem nach einem Zuschalten einer Ladesteckdose das elektrische Bordnetz überwacht wird.
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Es ist vorgesehen, dass ein Rückflussstrom von dem elektrischen Energiespeicher zu der Ladesteckdose überwacht wird und der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn der überwachte Rückflussstrom einen Rückflusstromschwellwert erreicht oder überschreitet.
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Hierbei kann der Ladevorgang nicht nur unterbrochen, sondern auch vollständig abgebrochen und beendet werden.
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In einem vorteilhaften Anwendungsfall kann der Rückflusstromschwellwert sehr geringe Werte annehmen, so dass bereits bei sehr kleinen Rückflussströmen der Ladevorgang unterbrochen werden kann. Dies kann als Sicherheitsmaßnahme verstanden werden, da normalerweise beim Laden ein Strom von der Ladestation über die Ladedose zum elektrischen Bordnetz, insbesondere zu einem elektrischen Energiespeicher, fließt und nicht umgekehrt, was als Fehlerfall gedeutet werden kann.
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Es gibt aber auch Situationen oder Betriebszustände, da ist ein Rückflussstrom anzunehmen oder gewollt, so dass hier dann der Rückflusstromschwellwert entsprechend hoch oder höher gesetzt werden kann. Dieser Rückflusstromschwellwert kann so vorteilhaft auch generell parametrisiert, verändert, eingestellt oder nur kurzzeitig situationsabhängig angepasst werden.
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Beispielsweise kann es beim Zuschalten der Ladeschütze kurzzeitig zu einem kleinen Rückstrom zur Ladestation kommen, wobei hier dann die Rückflussstromschwelle von einem ersten Wert vor dem Zuschalten der Ladeschütze auf einen zweiten Wert, der größer als der erste Wert ist, angehoben werden kann und nach dem Zuschalten dann wieder auf den ersten Wert zurückgesetzt werden kann. Ein Steuergerät für die Überwachung des Rückflussstroms kann hier die Anpassung der Rückflussstromschwelle steuern und/oder regeln.
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Somit kann eine zuverlässige und schnelle Abschaltung eines externen partiellen oder totalen Kurzschlusses im Ladepfad erzielt werden, wodurch eine Brandgefahr oder eine Gefahr durch elektrischen Lichtbogen minimiert wird. Ebenso findet eine zu den Strangsicherungen der Batterien, insbesondere des elektrischen Energiespeichers, selektive Abschaltung statt, sodass diese weiterhin intakt bleiben und das Kraftfahrzeug weiter benutzt werden kann, oder zumindest auf eigener Achse in die Werkstatt fahren kann. Durch das Abschalten von bereits vergleichsweise kleinen Strömen in die „falsche“ Richtung wird das allgemeine Risiko durch Strom verursachter Schäden massiv reduziert, während die allgemeinen Sicherheitsfunktionalitäten unbeeinflusst weiter funktionieren.
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Insbesondere schlägt somit die Erfindung vor, dass ein Stromrückfluss von der Ladesäule beziehungsweise von Ladesteckdose, welche auch als Ladestecker ausgeführt sein kann, verhindert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird mittels einer Strommesseinrichtung des Überwachungssystems in einem Ladepfad des Kraftfahrzeugs der Rückflussstrom überwacht.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mittels einer Strommesseinrichtung des elektrischen Energiespeichers unter einer Berücksichtigung von einer aktuellen Ladeleistung und einer aktuellen Verbraucherleistung im elektrischen Bordnetz während des Ladevorgangs der Rückflussstrom überwacht wird.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mittels eines Batteriemanagementsystems des elektrischen Energiespeichers ein Soll-Ladestrom mit einem Ist-Ladestrom verglichen wird und in Abhängigkeit von dem Vergleich der Rückflussstrom überwacht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird der Rückflussstromschwellwert parametriert. Insbesondere kann somit die Schutzfunktion in ihrer Auslöseschwelle- und Charakteristik parametriert beziehungsweise auch abgeschaltet werden.
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Hierbei kann die Parametrisierung des Rückflussstromschwellwerts fahrzeugfest vorgegeben werden oder in einer Werkstatt parametriert werden oder während des Fahrbetriebs dynamisch oder statisch angepasst werden. So ist es auch möglich die Überwachung des Rückflussstroms zu deaktivieren oder den Rückflussstromschwellwert derart hoch zu parametrisieren, dass eine Unterbrechung des Ladevorgangs im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann.
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Vorteilhaft kann so auch ein Ausnahmeverlauf im Strom zugelassen werden oder bestimmte Stromverlaufskurven an sich als ordnungsgemäß hinterlegen werden. Dabei wird nicht ein bestimmter Rückflussstromschwellwert hinterlegt oder durch das Steuergerät angepasst, sondern ein Verlauf des Rückflussstromschwellwerts wird zur Referenz der Überwachung des Rückflussstroms herangezogen. So kann beispielsweise ausgehend von einem ersten Wert des Rückflussstromschwellwerts auch für eine bestimmte Zeitdauer ein zweiter Wert des Rückflussstromschwellwerts hinterlegt werden, dernn dann entweder wieder auf den ersten Wert zurückgestellt wird oder auch einen dritten Wert annehmen kann. Diese Werte und Zeitdauern können fest im Steuergerät hinterlegt werden, über ein Kennfeld bestimmt werden oder von weiteren Parametern abhängen, die zu deren Bestimmung herangezogen werden.
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Vorteilhaft kann die Funktion der Überwachung des Rückflussstroms auch deaktiviert werden. Ebenfalls oder alternativ kann der Rückflussstromschwellwert derart hoch parametrisiert werden kann, dass eine Unterbrechung des Ladevorgangs im Wesentlichen ausgeschlossen wird. So kann unter bestimmten Parametrisierungen und Betriebsstrategien eine Detektierung des Rückflussstroms und/oder Unterbrechung des Ladevorgangs auch deaktiviert werden. Die Gründe hierfür können vielfältig sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Überwachungssystem zum Überwachen eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs während eines Ladevorgangs eines elektrischen Energiespeichers des elektrischen Bordnetzes, wobei das Überwachungssystem zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des Überwachungssystems durchgeführt.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz mit einem Überwachungssystem nach dem vorhergehenden Aspekt. Ferner betrifft die Erfindung ebenfalls ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit einem elektrischen Bordnetz nach dem vorhergehenden Aspekt beziehungsweise mit einem Überwachungssystem nach dem vorhergehenden Aspekt.
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Alternativ ist mit einem solchen Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Bordnetzes, insbesondere eines Rückflussstroms, auch bidirektionales Laden möglich. Soll nun bei einer sogenannten „Vehicle2Grid“-Anwendung das Kraftfahrzeug die Energiequelle sein und Strom an die Ladestation liefern, muss nur der Rückflussstromschwellwert durch eine passenden Parametrisierung entsprechend hoch eingestellt sein, so dass der gewollte Rückflussstrom unterhalb des Rückflussstromschwellwerts bleibt und ein bi-direktionales Laden mit einen Stromfluss vom Kraftfahrzeug zur Ladestation wird nicht unterbrochen. Sollte der Rückflussstrom dennoch über den gewollten und als Rückflussstromschwellwert eingestellten Wert steigen, muss entsprechend früher der Rückflussstromschwellwert angepasst werden oder es ist ein ungewollter Rückflussstrom der nach dem Verfahren auch zu einer Unterbrechung des Ladevorgangs führen soll.
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In diesem Fall kann ein solches Überwachungssystem auch als ein Stromzähler genutzt werden um bestimmen zu können wieviel Energie vom Kraftfahrzeug an die Ladestation übertragen worden ist. Somit kann im Kraftfahrzeug selbst aus einer Systemspannung und dem Rückflussstrom die Energie bestimmt werden, die man über die Zeit zurück ins Stromnetz und an den Energieversorger eingespeist hat. Eine Bestimmung aus einer Batteriestrommessung alleine wäre hierbei nicht möglich, da dieser Strom auch noch von anderen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs genutzt wird und somit nicht dem Rückflussstrom entspricht. Damit kann auch die an die Ladestation gelieferte Energiemenge, die an der Ladestation bestimmt und angegeben wird, unabhängig verglichen werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Überwachungssystems, des elektrischen Bordnetzes sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Das Überwachungssystem, das elektrische Bordnetz sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche ein Durchführen des Verfahrens und eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes mit einer Ausführungsform eines Überwachungssystems; und
- 2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes mit einer weiteren Ausführungsform des Überwachungssystems.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10. Das Kraftfahrzeug 10 ist rein schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 ist insbesondere zumindest teilweise elektrisch betrieben. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug 10 vollelektrisch betrieben. Das Kraftfahrzeug 10 weist ein elektrisches Bordnetz 12 auf. Das elektrische Bordnetz 12 ist ebenfalls rein schematisch dargestellt. Das elektrische Bordnetz 12 beziehungsweise das Kraftfahrzeug 10 weist ein Überwachungssystem 14 auf.
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An dem Kraftfahrzeug 10 ist insbesondere eine Ladesteckdose 16 ausgebildet. Die Ladesteckdose 16 ist zum Verbinden mit einer kraftfahrzeugexternen Ladeeinrichtung, beispielsweise einer Ladesäule ausgebildet und zumindest bereichsweise mit einer flexiblen Leitung mit dem Kraftfahrzeug 10 gekoppelt. Insbesondere kann ein Gleichstromladen durchgeführt werden.
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Die Ladesteckdose 16 kann eine HV-Plusleitung 18 sowie eine HV-Minusleitung 20 aufweisen. Ferner kann vorgesehen sein, dass an dem Kraftfahrzeug eine Ladebox 22 ausgebildet ist, welche zum Koppeln mit der Ladesteckdose 16, insbesondere mit deren flexiblen Leitung, ausgebildet ist. Die Ladebox 22 weist insbesondere eine Schalteinrichtung 24 auf, welche zum Trennen der HV-Plusleitung 18 sowie der HV-Minusleitung 20 ausgebildet ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ladebox 22 eine Interlockleitung 26 aufweist, mittels welcher eine korrekte Kontaktierung der Ladesteckdose 16 überprüft werden kann.
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Das elektrische Bordnetz 12 kann beispielsweise mit einem elektrischen Energiespeicher 28 (2) gekoppelt sein.
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Beim Verfahren zum Überwachen des elektrischen Bordnetzes 12 des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 10 während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers 28 des elektrischen Bordnetzes 12 mittels des Überwachungssystems 14 wird nach einem Zuschalten der Ladesteckdose 16 des Kraftfahrzeugs 10 das elektrische Bordnetz 12 überwacht. Es ist dabei vorgesehen, dass ein Rückflussstrom von dem elektrischen Energiespeicher 28 zu der Ladesteckdose 16 überwacht wird und bei einem Identifizieren des Rückflussstroms der Ladevorgang unterbrochen wird.
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1 zeigt insbesondere, dass mittels einer Strommesseinrichtung 30 des Überwachungssystems 14 in einem Ladepfad 32 des Kraftfahrzeugs 10 der Rückflussstrom überwacht wird. In dem Ladepfad 32 sind vorliegend insbesondere noch zwei Spannungsmesseinrichtungen 34 ausgebildet.
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Insbesondere ist somit vorgeschlagen, dass ein Rückflussstrom vom Kraftfahrzeug 10 in Richtung der Ladesäule verhindert wird, unabhängig von einer Amplitude dieses Stroms.
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1 zeigt eine erste Topologie des elektrischen Bordnetzes 12 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs 10. Das Zuschalten der Ladesteckdose 16 am Kraftfahrzeug 10 erfolgt hierbei über eine getrennte Schalteinrichtung 24 mit dem Stromsensor, welche insbesondere der Strommesseinrichtung 30 entspricht. Hierbei wird detektiert, wenn ein Strom aus dem Kraftfahrzeug 10 in Richtung der Ladesteckdose 16 fließt. Ist dies der Fall, so kann die Schalteinrichtung 24 über beispielsweise eine elektronische Recheneinrichtung 36 entsprechend angesteuert werden und den Stromkreis öffnen, bevor sich ein größerer Strom aufbaut. Dies führt zu einem frühzeitigen Erreichen des sicheren Zustands und gewährleistet, dass die betreffende Schalteinrichtung 24 nicht überlastet wird. Weiterhin kann somit eine Selektivität gegenüber den Strangsicherungen 40 (2) des elektrischen Energiespeichers 28 erreicht werden und bei bereits kleinen in die „falsche“ Richtung fließenden Strömen abgeschaltet werden.
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Bei einer alternativen Topologie kann das Zuschalten der Ladesteckdose 16 ebenfalls über die Schalteinrichtung 24 erfolgen, jedoch existiert keine separate Strommesseinrichtung 30 für den Ladepfad 32. In solchen Fällen wird dann auf die Strommessung des elektrischen Energiespeichers 28 zurückgegriffen, um die falsche Richtung, mit anderen Worten den Rückflussstrom, zu erkennen. Da je nach Leistungsfähigkeit der Ladeeinrichtung auch beim Laden ein Zustand eintreten kann, in dem trotz angeschlossener Ladesteckdose 16 Strom aus dem elektrischen Energiespeicher 28, zum Beispiel für einen Kühlaufbau, entnommen wird, muss dieser Fall ebenfalls betrachtet werden. Insbesondere bedeutet dieser Fall, dass die Ladeleistung geringer ist als die Summe der Verbraucherleistung im Kraftfahrzeug 10. Dies wird erreicht, indem zum Beispiel das Energiemanagement im zentralen Steuergerät den Zustand der Verbraucher sowie des Kraftfahrzeugaufbaus und damit die gesamte Stromaufnahme kennt. Außerdem übermittelt der elektrische Energiespeicher 28 den aktuellen Energiestrom. Somit ist es möglich über die Bilanzierung der während des Ladens aktivierten Verbraucher 46 (2) einen negativen Strom Richtung Ladesteckdose 16 zu erkennen und entsprechend zu reagieren. Insbesondere wird somit mittels einer Strommesseinrichtung des elektrischen Energiespeichers 28 unter einer Berücksichtigung von einer aktuellen Ladeleistung zum elektrischen Bordnetz 12 während des Ladevorgangs der Rückflussstrom überwacht.
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In der 1 ist ebenfalls gezeigt, dass sowohl die Ladesteckdose 16 als auch das elektrische Bordnetz 12 über eine elektrische Masse 38 mit der Ladebox 22 gekoppelt sind.
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2 zeigt ein weiteres schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform des Überwachungssystems 14 beziehungsweise des elektrischen Bordnetzes 12. Insbesondere ist in der 2 der elektrische Energiespeicher 28 gezeigt, welcher insbesondere einer Hochvolt-Batterie entsprechen kann. Der elektrische Energiespeicher 28 kann hierbei eine Vielzahl von Batteriemodulen 42 aufweisen, welches sowohl in Serie als auch parallel verschaltet sein können.
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Ferner ist gezeigt, dass der elektrische Energiespeicher 28 eine interne Interlockleitung 44 aufweisen kann. Des Weiteren sind mehrere Verbraucher 46 beziehungsweise die Anschlüsse zu den Verbrauchern 46 gezeigt. Ebenfalls ist eine sogenannte KL30C-Klemme 48 gezeigt.
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Sind alle Schalteinrichtungen 24, also sowohl die Hauptschütze des elektrischen Energiespeichers 28 sowie die Verbraucher 46 in den elektrischen Energiespeicher 28 integriert, so erhält das betreffende Batteriemanagementsystem permanent den von Energiemanagement errechneten Ladestrom-Sollwert und kann beim Unterschreiten dieser Schwelle den Stromkreis unterbrechen.
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Um für spätere Anwendungsfälle eine entsprechende Funktionalität zu gewährleisten, insbesondere beispielswiese sollte das Kraftfahrzeug 10 als Pufferbatterie für ein Versorgungsnetz verwendet werden, so ist zusätzlich vorgesehen, dass diese Schutzfunktion in ihrer Auslöseschwelle- und Charakteristik parametriert werden kann beziehungsweise auch abschaltbar ist.
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Insgesamt zeigen die Figuren ein Verfahren zur Absicherung des Ladens von HV-Batterien gegen Kurzschluss im Bereich des Ladekabels beziehungsweise der Ladesäule.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- elektrisches Bordnetz
- 14
- Überwachungssystem
- 16
- Ladesteckdose
- 18
- HV-Plusleitung
- 20
- HV-Minusleitung
- 22
- Ladebox
- 24
- Schalteinrichtung
- 26
- Interlockleitung
- 28
- elektrischer Energiespeicher
- 30
- Strommesseinrichtung
- 32
- Ladepfad
- 34
- Spannungsmesseinrichtung
- 36
- elektronische Recheneinrichtung
- 38
- Masseleitung
- 40
- Strangsicherung
- 42
- Batteriemodul
- 44
- interne Interlockleitung
- 46
- Verbraucher
- 48
- KL30C-Klemme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019101160 A1 [0004]
