DE102020112260A1

DE102020112260A1 - Fahrzeugerdschlussdetektion

Info

Publication number: DE102020112260A1
Application number: DE102020112260.8A
Authority: DE
Inventors: Mohamed ELSHAER; Allan Roy Gale; Chingchi Chen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-05-07
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2020-11-12
Also published as: US20200353834A1; CN111907352A; US11148545B2

Abstract

Diese Offenbarung stellt Fahrzeugerdschlussdetektion bereit. Ein Fahrzeugleistungssystem beinhaltet eine Traktionsbatterie, einen nicht isolierten Leistungswandler, einen Stromsensor, der den Phasenstromeingang zum nicht isolierten Leistungswandler während eines Ladens der Traktionsbatterie mit Netzleistung misst, und eine Steuerung. Die Steuerung unterbricht als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen einen Schwellenwert überschreitet, eine elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung, um ein weiteres Aufladen der Traktionsbatterie zu verhindern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Laden von Fahrzeugbatterien.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erdschlüsse können durch Isolationsverlust zwischen einem unter Spannung stehenden Leiter und einem Fahrgestell eines Fahrzeugs verursacht werden. Im Fall eines Elektrofahrzeugs wird die Wechselstromversorgungsquelle mit einem Umwandlungssystem zur Leistungsverarbeitung verbunden, um eine Batterie zu laden. Wenngleich die Batterie in diesem Kontext einen Verbraucher darstellt, kann sie auch beim Laden als Energiequelle dienen, wenn eine Erdschlusssituation auftritt.
Originalfahrzeughersteller (OEMs) können ihre Fahrzeuge so ausgestalten, dass sie unter universeller Eingangswechselspannung arbeiten. Um die bestehenden öffentlichen Niederspannungsverteilungssysteme zu nutzen, können Fahrzeuge in der Lage sein, sowohl mit der Einphasen- als auch mit der Doppelphasen/Phasenaufteilungs-Konfiguration zu laden. Die J1772-Norm beinhaltet empfohlene Vorgehensweisen für Ladepegel des Wechselstrompegels 1 und des Wechselstrompegels 2 sowie für den leitenden Ladekoppler und die elektrischen Schnittstellen. J1772 und andere ähnliche Normen betrachten den Wechselstromeingang als Spannungsquelle, indem sie dessen Spannungspegel und dessen Verbindung zum Fahrzeug definieren.
In dem Fahrzeug sind bestimmte Module, die unter Spannung stehende Teile einschließen, in leitenden Gehäusen untergebracht. Diese Gehäuse können leitend mit dem Fahrgestell des Fahrzeugs verbunden sein.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeugleistungssystem beinhaltet eine Traktionsbatterie, einen nicht isolierten Leistungswandler, der Netzleistung an die Traktionsbatterie überträgt, einen Stromsensor, der den Phasenstromeingang zum nicht isolierten Leistungswandler während des Ladens der Traktionsbatterie mit Netzleistung misst, und eine Steuerung. Die Steuerung unterbricht als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen einen Schwellenwert überschreitet, eine elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung, um ein weiteres Aufladen der Traktionsbatterie zu verhindern. Die Steuerung kann ferner den Phasenstrom analog filtern, um eine Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms abzuschwächen. Die Steuerung kann ferner eine Phasenregelschleife umsetzen, um die Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms zu identifizieren. Die Steuerung kann ferner den Phasenstrom in zwei Gleichstromkomponenten umwandeln, die einen mit der Grundfrequenzkomponente synhronisierten Bezugsrahmen aufweisen. Die Steuerung kann ferner den Phasenstrom digital filtern, um die Grundfrequenzkomponente weiter abzuschwächen. Die Steuerung kann ferner den Bezugsrahmen mit der Komponente der 3. Harmonischen synchronisieren. Die Steuerung kann ferner die beiden Gleichstromkomponenten digital filtern, um harmonische Frequenzkomponenten des Phasenstroms abzuschwächen, die größer als die Komponente der 3. Harmonischen sind. Eine Größe der beiden Gleichstromkomponenten kann die Größe der Komponente der 3. Harmonischen definieren.
Ein Fahrzeugleistungssystem beinhaltet einen Leistungswandler und eine Steuerung. Die Steuerung detektiert während einer Übertragung von Netzleistung an die Traktionsbatterie über den Leistungswandler als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen eines Phasenstromeingangs zum Leistungswandler einen Schwellenwert überschreitet, einen Erdschlusszustand, und verhindert als Reaktion auf ein Vorliegen des Erdschlusszustands ein weiteres Laden der Traktionsbatterie. Das Fahrzeugleistungssystem kann ferner einen einzelnen Stromsensor zum Erfassen des Phasenstroms beinhalten. Der einzelne Stromsensor kann sich elektrisch zwischen einer Quelle der Netzleistung und dem Leistungswandler befinden. Bei dem Leistungswandler kann es sich um einen nicht isolierten Leistungswandler handeln.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan einer nicht isolierten Ladevorrichtung, die ein Batteriepack über einen Vollbrückengleichrichter mit einem Wechselstromnetz verbindet.
2 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das mit einem Wechselstromnetz verbunden ist.
3 ist ein Blockdiagramm von Abschnitten des nicht isolierten Leistungswandlers und der Steuerung aus 2.

Die 4A und 4B sind Verläufe einer ungefilterten bzw. gefilterten Größe des Eingangsphasenstroms im Zeitverlauf.
Die 5A und 5B sind Verläufe einer Id-gewandelten bzw. Iq-gewandelten dq-Phasenstromgröße im Zeitverlauf.
Die 6A und 6B sind Verläufe der Id-gewandelten bzw. Iq-gewandelten dq-Phasenstromgröße im Zeitverlauf aus den 5A und 5B nach einer Tiefpassfilterung.
Die 7A und 7B sind Verläufe der Id-gewandelten bzw. Iq-gewandelten dq-Phasenstromgröße im Zeitverlauf aus den 6A und 6B in Bezug auf die dritte Harmonische.
Die 8A und 8B sind Verläufe der Id- und der Iq-Komponente der dritten Harmonischen im Zeitverlauf.
9 ist ein Verlauf der Iabc-Größe im Zeitverlauf.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die offenbarten Ausführungsformen sind jedoch lediglich beispielhaft und andere Ausführungsformen können verschiedene und alternative Formen annehmen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Durchschnittsfachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Um die Auswirkungen eines Erdschlusses zu quantifizieren, ist unter Bezugnahme auf 1 ein Modell 10 für eine ideale nicht isolierte Ladevorrichtung 12 geschaffen. Das Modell 10 beinhaltet eine Batterie 14, einen Vollbrückengleichrichter 16 und ein Wechselstromnetz 18.
Die Ladevorrichtung 12 befindet sich elektrisch zwischen der Batterie 14 und dem Gleichrichter 16. Der Gleichrichter befindet sich elektrisch zwischen der Ladevorrichtung 12 und dem Wechselstromnetz 18. Die Ladevorrichtung 12 gibt einen Betrieb mit einem Eingangsleistungsfaktor von eins wieder. Es wird davon ausgegangen, dass die Ladevorrichtung 12 bei dem Fehlerzustand stabil bleibt (d. h. die Ladevorrichtung 12 führt eine ideale Leistungsumwandlung zwischen ihren verbundenen Anschlüssen durch). Ein verallgemeinertes Modell wird durch zwei abhängige Stromquellen 20, 22 geschaffen. Die Eingangsstromquelle 20 modelliert den Eingangswechselstrom der Ladevorrichtung beim Betrieb mit dem Leistungsfaktor von eins. Die Ausgangsstromquelle 22 modelliert den Ausgangsstrom der Ladevorrichtung beim Laden der Batterie 14 mit einer definierten Leerlaufspannung.
Das Modell berücksichtigt keine Verluste in der Ladevorrichtung 12. Somit wird davon ausgegangen, dass die Ausgangsleistung an Anschlussbuchse CD der über einen Wechselstromleitungszyklus gemittelten Eingangsleistung an Anschlussbuchse AB entspricht. Bei dem emulierten Widerstand an Anschlussbuchse AB handelt es sich um den im Wechselstromnetz 18 zu beobachtenden Eingangswechselstromwiderstand, der sich aus Gleichung (1) ergibt. Da davon ausgegangen wird, dass die Ladevorrichtung 12 mit dem Eingangsleistungsfaktor von eins arbeitet, ergibt sich der Eingangsstrom der Ladevorrichtung 12 aus Gleichung (2). Bei dem Ausgangsstrom der Ladevorrichtung an Anschlussbuchse CD handelt es sich um den an die Batterie 14 abgegebenen Gleichstrom, der sich aus Gleichung (3) ergibt. $R_{e} = \frac{V_{a c (g r i d)}^{2} (R M S)}{P_{o u t}}$
$I_{i n} = \frac{| V_{a c (g r i d)} |}{R_{e}}$
$I_{o u t} = \frac{P_{o u t}}{V_{C D}}$
Ein verallgemeinertes Modell für nicht isolierte Ladevorrichtung kann durch Vereinigen von Anschlussbuchse B und Anschlussbuchse D geschaffen werden. Ein Batteriemodell erster Ordnung wird durch eine Spannungsquelle geschaffen, welche die Leerlaufspannung der Batterie 14 für einen Betrieb mit einem bestimmten Ladevorrichtungszustand wiedergibt. Zusätzlich ist der Innenwiderstand der Batterie 14 durch R_Bat wiedergegeben, bei dem es sich um einen Vorwiderstand im Weg des Batteriestroms handelt. Bei der Spannung an Anschlussbuchse CD handelt es sich um die aufgrund des Stromflusses zur Batterie 14 an der unabhängigen Stromquelle 22 aufgebaute Spannung. Die über R_Bat aufgebaute Spannung entspricht direkt der an die Batterie 14 abgegebenen Leistungsmenge.
Bei der Spannung über den mit „Phase“ und „Neutral“ bezeichneten Anschlüssen, Vac, handelt es sich um die Versorgungswechselspannung. Es wird davon ausgegangen, dass diese Spannung perfekt sinusförmig ist und durch Gleichung (4) beschrieben wird. In diesem Modell wird zudem davon ausgegangen, dass der Eingangsstrom erfasst wird, indem der durch den mit „Phase“ bezeichneten Anschluss fließende Strom gemessen wird. Die Ladevorrichtung 12 wird so gesteuert, dass der Eingangsstrom phasengleich mit der Eingangsspannung ist. Daher werden die Schalter der Ladevorrichtung so moduliert, dass der gemessene Strom, I_in(sensed) einem durch Gleichung (5) beschriebenen Bezugsstrom folgt. $V_{a c} = | V_{a c (g r i d)} | sin (ω t)$
$I_{i n (r e f)} = \frac{| V_{_{a c (g r i d)}} |}{R_{e}} sin (ω t)$
Um die angegebenen Annahmen zu verdeutlichen, wird die bestens bekannte PFC-Boost-Gleichrichterschaltung als Beispiel herangezogen. Der Ausgang des Boost-Gleichrichters ist mit einem Kondensator mit großem Energiespeicher verbunden. Dieser Energiespeicherkondensator gleicht die Leistungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsanschlussbuchse der Ladevorrichtung 12 aus. Dadurch kann die Ladevorrichtung eine konstante Leistung ausgeben, während es sich bei deren Eingang um Wechselstrom handelt. Da dieser Kondensator keine Wirkleistung verbraucht, entspricht bei stationärem Betrieb die durchschnittliche Eingangswechselstromleistung der Ausgangsleistung. Demnach können die Eingangs- und die Ausgangsanschlussbuchse der Ladevorrichtung 12 entkoppelt werden, da die Eingangsanschlussbuchse hauptsächlich gesteuert wird, um den Eingangsstrom so zu regeln, dass er phasengleich mit der Eingangsspannung ist, und dessen Amplitude von dem sich aus Gleichung (1) ergebenden Widerstand Re abhängt, der durch die Effektiveingangswechselspannung und die Ausgangsleistung bestimmt wird.
Die Wahl des Erdungssystems hat einen großen Einfluss auf die Sicherheit und die elektromagnetische Anschlussfähigkeit von Netzteilen. Die Größe und der Fluss der Fehlerströme in einem System sind je nach Art des Erdungssystems einzigartig. Die Stromzirkulation durch die Erde erfolgt nicht bei allen Fehlerzuständen. Fehler, die ein freiliegendes leitendes Teil unter Spannung setzen, erzeugen eine Potentialdifferenz zwischen diesem freiliegenden leitenden Teil und der Erde. Schützender Potentialausgleich und ein automatisches Trennen im Fehlerfall sind für Schaltungen erforderlich, die mit dem Versorgungsnetz verbunden sind.
Industrieanlagen, die über Frontend-Umspannstationen verfügen, können ein TN-Erdungssystem (Tera Neutral) einsetzen, selbst wenn es sich bei dem Außenerdungssystem um TT (Tera Tera) handelt. In diesem Szenario versorgt das lokale Versorgungsunternehmen die Anlage mit mittlerer bis hoher Spannung. Die Umspannstation kann einen Transformator aufweisen, der die zugeführte Spannung auf für den Verbraucher geeignete Niederspannungspegel herabsetzt. In der Regel ist die Primärseite als Delta und die Sekundärseite als Stern gewickelt. Der Neutralleiter der Sekundärseite (Wicklung mit Sternschaltung) ist fest geerdet. Alle freiliegenden leitenden Teile sind über Schutzleiter mit diesem Neutralpunkt verbunden. Der Schutzleiter ist dazu ausgestaltet, dem Fehlerstrom standzuhalten. Zusätzlich dient die neutrale Verbindung zum Versorgen einphasiger Verbraucher mit Leistung.
Es gibt drei Möglichkeiten, das TN-Erdungssystem umzusetzen: (i) TN-S - der Neutralleiter dient zum Versorgen der einphasigen Verbraucher mit Strom; (ii) TN-C - die Neutralleiter- und Schutzleiterdrähte sind in einem einzigen Kabel zusammengefasst; und (iii) TN-C-S - der Neutralleiter und der Schutzleiter sind nur in Teilen des Systems in einem einzigen Kabel zusammengefasst, in anderen Teilen jedoch getrennt. Außerdem ist ein separater Schutzleiter vorhanden, der Fehlerströme bewältigt. Ist das TT-System getrennt, zirkuliert der Fehlerstrom durch den Schutzleiter und nicht durch die Erde.
Das Mehrfachschutzsystem oder sogenannte TN-C-S stellt das Erdungssystem dar, das verwendet wird, um einen Erdschluss in einem Fahrzeug zu beschreiben, das mit einer beliebigen Art von TN-Netzwerk (d. h. TN-C, TN-S, TN-C-S) verbunden ist. Der Kontaktpunkt zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungssystem erfolgt über die Versorgungsstation für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE), die in SAE J1772 definiert ist.
Länder, die das TN-C-S-System verwenden, beinhalten die USA, Australien, Großbritannien, Kanada, China, Deutschland, Südafrika, Schweden und die Schweiz. Einphasenspannung wird in unterschiedlichen Spannungspegeln (120 V/240 V) zugeführt und durch verschiedene Mittel umgesetzt: einphasige Leistung und Doppelphasenleistung/Phasenaufteilungsleistung. Die neutrale Leitung des Versorgungssystems ist durch eine Stange mit einem Widerstand R_N fest geerdet. Die neutrale Leitung dient dazu, einphasige Verbraucher mit Leistung zu versorgen. Die Masse des Verbrauchers ist über eine Masseelektrode lokal mit einem Widerstand R_G verbunden, unabhängig von dem Netzerdungssystem.
Der Erdschlussstrom in der Umsetzung mit Doppelphasen-/Phasenaufteilungs-Leistung unterscheidet sich von dem der Umsetzung mit einphasiger Leistung. Zur Veranschaulichung des Unterschieds wird ein zwischen dem Pluspol der Batterie (BT+) und dem Fahrgestell des Fahrzeugs auftretender Fälle betrachtet. Aufgrund des Fehlers beträgt der Widerstand zwischen BT+ und dem Fahrgestell des Fahrzeugs R_Fehler+. Es gibt sechs Zustände, die den Fehlerstrom beschreiben:

Zustand 1 (0 ≤ t < t1)

Im positiven Wechselstromleitungszyklus führt der Fehlerstrom dazu, dass D1 und D4 nicht gleichzeitig leiten. Dabei leitet D1 zuerst, sobald die Stromnetzspannung positiv wird. Kurz danach leitet D4, nachdem die Spannung auf null abgefallen ist. Die Eingangsspannung wird durch Gleichung 6 beschrieben. Zustand 1 endet, sobald D4 leitet. Die Spannung über D4 wird durch Gleichung (7) beschrieben und t1 ergibt sich aus (8). Der Erdschlussstrom entspricht dem Eingangsstrom der Ladevorrichtung, da D1 die einzige leitende Diode ist und die Ladevorrichtung ihren Strom aktiv so steuert, dass er den Widerstand Re emuliert. Der Erdschlussstrom für Zustand 1 wird durch Gleichung (9) beschrieben. $V_{i n} = \frac{V_{a c} (t)}{2} [1 - \frac{R_{f a u l t}}{R_{e}}] + V_{b a t}, 0 \leq t < t_{1}$
$V_{D 4} = - \frac{R_{f a u l t}}{R_{e}} \frac{V_{a c} (t)}{2} + V_{b a t}, 0 \leq t < t_{1}$
$t_{1} = \frac{1}{ω} s i n^{- 1} (\frac{2 R_{e} V_{b a t}}{{\sqrt{2 V}}_{a c {(r m s)}^{R} f a u l t}})$
$I_{P E} = \frac{V_{a c} (t)}{R_{e}}, 0 \leq t < t_{1}$
Zustand 2 (t1 ≤ t < t2)
D4 beginnt bei t1 zu leiten. Die Eingangsspannung der Ladevorrichtung ist durch die zugeführte Stromnetzspannung fest. Der durch D1 fließende Strom ist sinusförmig und wird durch die Ladevorrichtung 12 so gesteuert, dass ein Eingangsleistungsfaktor von Eins realisiert wird. Aufgrund des Leitens von D4 wird der Erdungsstrom auf einen konstanten Wert geklemmt. Die Größe des Erdungsstroms hängt von der Batteriespannung und der Impedanz der Fehlerschleife ab, wie durch Gleichung (10) gezeigt. Der durch den Phasendraht fließende Strom kehrt über zwei Wege zum Netz zurück: den Schutzleiter und den Phasenzuführungsdraht. Daher wird erwartet, dass der durch D1 fließende Strom höher ist als der durch D4 fließende Strom. Der durch D4 fließende Strom wird durch den Erdungsstrom negativ vorgespannt und ergibt sich aus Gleichung (11). $I_{P E} = \frac{V_{b a t}}{R_{f a u l t}}, t_{1} \leq t < t_{2}$
$I_{D 4} = I_{p h a s e} - I_{G}, t_{1} \leq t < t_{2}$
Zustand 3 (t2 ≤ t < t3)
Da der durch D4 fließende Strom durch den Erdungsstrom negativ vorgespannt wird, muss D4 die Vorspannung vor D1 umkehren. Dies bewirkt, dass die Schaltung mit Zustand 1 identisch wird, bis die Stromnetzspannung negativ wird.
Zustand 4 bis 6
Im Gegensatz zur Umsetzung mit einphasiger Leistung sind die Zustände 4 bis 6, die während des negativen Leitungszyklus auftreten, identisch mit den Zuständen 1 bis 3, die während des positiven Leitungszyklus auftreten.
Ein Einzelpunktfehler zwischen dem Hochspannungsbus und der Erdung könnte in nicht isolierten Leistungswandlern unter Umständen die Spannung freiliegender Leiter erhöhen. Eine typische Batterieladevorrichtung besteht aus einer nicht isolierten boostbasierten Leistungsfaktorkorrektur(power factor correction - PFC)-Schaltung und einem isolierten DC/DC-Wandler. Eine Isolierung zwischen dem Gleichstrombus der Batterie und dem Wechselstromnetz wird über den Transformator erzielt, der sich in dem DC/DC-Wandler der zweiten Stufe befindet. Daher ist ein Einzelpunktfehler zwischen dem Gleichstrombus der Batterie und der Erdung nicht möglich.
Stattdessen könnte der HS-Gleichstrombus der ersten Leistungsumwandlungsstufe für Einzelpunktfehler anfällig sein. Der Energiespeicherkondensator ist so ausgestaltet, dass er die Differenz zwischen der momentanen Verbraucherleistung und der momentanen Eingangswechselstromleistung verbraucht oder zuführt. Die in diesem Kondensator gespeicherte Energie ist sehr groß (> 120 J) und könnte eine Quelle für Fehlerstrom sein. Darüber hinaus kann der Fehlerstrom bei am zwischenliegenden HS-Gleichstrombus auftretenden Fehlern 300 mA über mehr als 10 s hinweg übersteigen. In dieser Schrift werden Techniken zum Detektieren des Fehlerstroms unter Verwendung des bestehenden zum Regeln des Eingangsstroms zur PFC-Schaltung verwendeten Stromsensors vorgeschlagen.
Das Detektieren des Erdschlussstroms wird durch Erfassen der Komponente der dritten Harmonischen des Eingangsphasenstroms erreicht. Der Phasenstrom wird von einem einzelnen Stromsensor gemessen, der sich zwischen dem Wechselstromnetz und dem Frontend-Gleichrichter befindet. Dieser Stromsensor wird verwendet, um eine Rückmeldung an die Stromsteuerung bereitzustellen, was es der PFC-Schaltung ermöglicht, den Eingangsstrom so zu regeln, dass er sinusförmig und phasengleich mit der Eingangswechselspannung ist. Bei einem Fehlerzustand beginnt eine zusätzliche Gleichstromkomponente durch den Stromsensor zu fließen, was zu einer fehlenden Übereinstimmung der Leitungszeitpunkte der beiden diagonalen Dioden in dem Frontend-Gleichrichter führt. Aufgrund dieser fehlenden Übereinstimmung der Diodenleitungszeitpunkte nimmt die Komponente der dritten Harmonischen des Phasenstroms aufgrund des Flusses von Gleichtaktstroms zu. Daher kann ein Erdschlussstrom mit der Komponente der dritten Harmonischen des Phasenstroms korreliert werden.
2 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs 24, das mit einem Wechselstromnetz 26 verbunden ist. Das Fahrzeug 24 beinhaltet unter anderem einen nicht isolierten Leistungswandler 28, eine Traktionsbatterie 30 und eine oder mehrere Steuerungen 32. Der Leistungswandler 28 befindet sich, wenn das Fahrzeug 24 mit dem Wechselstromnetz 26 verbunden ist, elektrisch zwischen dem Wechselstromnetz 26 und der Batterie 30. Ein einzelner Stromsensor 34 überwacht die elektrische Verbindung zwischen dem Wechselstromnetz 26 und der Batterie 30. Die Steuerungen 32 stehen in Kommunikation mit dem Leistungswandler 28, der Batterie 30 und dem Stromsensor 34/steuern diese. Während eines Ladens der Batterie 30 fließt Leistung aus dem Wechselstromnetz 26 durch den Leistungswandler 28. Der einzelne Stromsensor 34 kann verwendet werden, um Erdschlussströme zu detektieren.
3 ist ein Blockdiagramm des Leistungswandlers 28 und der Steuerungen 32 aus 2. Der Leistungswandler 28 beinhaltet einen Vollbrückengleichrichter und einen nicht isolierten PFC-Wandler 36, einen nicht isolierten DC/DC-Wandler 38 und einen Energiespeicherkondensator 40. Der Kondensator 40 befindet sich elektrisch zwischen dem Gleichrichter und dem PFC-Wandler 36 und dem DC/DC-Wandler 38.
Die Steuerungen 32 führen verschiedene Vorgänge durch, um die Größe der Komponente der dritten Harmonischen des Phasenstroms zu berechnen. Diese beinhalten einen Vorgang 42 zum analogen Hochpassfiltern, einen Einphasen-zu-Dreiphasen-Vorgang 44, einen Dreiphasen-zu-Zweiphasenvorgang 46 in einem stationären Bezugsrahmen, einen Dreiphasen-zu-ZweiphasenVorgang 48 in einem rotierenden Bezugsrahmen, einen Vorgang 50 zum digitalen Hochpassfiltern, einen Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Vorgang 52 in einem rotierenden Bezugsrahmen, einen Vorgang 54 zum digitalen Tiefpassfiltern, einen Phasenregelschleifen(phase lock loop - PLL)-Vorgang 56, einen Vorgang 58 zum Festlegen der Harmonischenzahl, einen Umkehrvorgang 60, einen Zweiphasen-zu-Dreiphasen-Vorgang 62 in einem rotierenden Bezugsrahmen und eine Größenberechnungsphase 64. Die folgende Erörterung bezieht sich auf die gerade beschriebenen Vorgänge aus 3.
Ein Hochpassfilter wird verwendet, um die 60-Hz-Komponente des Eingangsphasenstroms abzuschwächen. Die 4A und 4B zeigen den Eingangsphasenstrom vor und nach dem Hochpassfilter.
Der gefilterte Eingangsphasenstrom wird unter Verwendung der dq-Transformation in zwei Gleichstromkomponenten umgewandelt: Die (PLL) wird verwendet, um die Wechselstromleitungsspannungsfrequenz zu messen. Der gemessene Phasenstrom wird in einen rotierenden komplexen Raumvektor umgewandelt. Der Bezugsrahmen wird mit einer Geschwindigkeit gedreht, die der Frequenz der Wechselstromleitungsspannung entspricht. Die 5A und 5B zeigen den umgewandelten dq-Phasenstrom.
Ein Hochpassfilter wird verwendet, um die 60-Hz-Komponente zu entfernen. Die 6A und 6B zeigen den umgewandelten dq-Phasenstrom nach Anwendung des Tiefpassfilters.
Die Komponente der dritten Harmonischen für den Phasenstrom wird durch Anwenden einer dq-Transformation auf den gefilterten Phasenstrom gemessen. Der Bezugsrahmen wird mit der Komponente der dritten Harmonischen synchronisiert. Die 7A und 7B zeigen den dqumgewandelten Phasenstrom in Bezug auf die dritte Harmonische.
Ein Tiefpassfilter wird verwendet, um die unerwünschten Harmonischen zu entfernen. Die Grenzfrequenz des Filters ist so ausgestaltet, dass eine Einschwingzeit von weniger als beispielsweise 40 ms ab dem Fehlerzeitpunkt erreicht wird. Die 8A und 8B zeigen die Berechnung der Komponente der dritten Harmonischen.
Das Detektieren des Erdschlussstroms wird erreicht, indem erfasst wird, dass eine Größe der Komponente der dritten Harmonischen des Eingangsphasenstroms einen Schwellenwert, z. B. 100 mA, übersteigt. Andere Schwellenwerte werden in Betracht gezogen und können durch Simulation, Testen usw. bestimmt werden. 9 zeigt die Größe des Erdschlussstroms. Das Detektieren erfolgt in diesem Beispiel innerhalb von 40 ms. Als Reaktion auf die Detektion können die Steuerungen 32 eine Verbindung zwischen dem Wechselstromnetz 26 und der Batterie 30 unterbrechen. Die Steuerungen 32 können beispielsweise Schütze (nicht gezeigt), die das Wechselstromnetz 26 und die Batterie 30 elektrisch verbinden, öffnen, den Leistungswandler 28 deaktivieren usw.
Die offenbarten Algorithmen, Prozesse, Verfahren, Logik oder Strategien können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein und/oder durch diese(n) umgesetzt werden, die/der eine beliebige bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. Gleichermaßen können die Algorithmen, Prozesse, Verfahren, Logik oder Strategien als durch eine Steuerung oder einen Computer ausführbare Daten und Anweisungen in vielen Formen gespeichert sein, einschließlich unter anderem Informationen, die permanent auf verschiedenen Arten von Erzeugnissen, die dauerhafte nicht beschreibbare Speichermedien, wie etwa ROM-Vorrichtungen, beinhalten können, gespeichert sind, sowie Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien gespeichert sind. Die Algorithmen, Prozesse, Verfahren, Logik oder Strategien können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können sie vollständig oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (Field-Programmable Gate Array - FPGA), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten, ausgeführt sein.
Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Schutzumfang der Offenbarung und der Ansprüche abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen eventuell als Vorteile bereitstellend oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt beschrieben wurden, liegt für den Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Zu diesen Attributen gehören unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Kosten über die Lebensdauer hinweg, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, liegen daher nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeugleistungssystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: eine Traktionsbatterie; einen nicht isolierten Leistungswandler, der zum Übertragen von Netzleistung an die Traktionsbatterie konfiguriert ist; einen Stromsensor, der zum Messen des Phasenstromeingangs zum nicht isolierten Leistungswandler während eines Ladens der Traktionsbatterie mit Netzleistung konfiguriert ist; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen des Phasenstroms einen Schwellenwert überschreitet, eine elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung zu unterbrechen, um ein weiteres Laden der Traktionsbatterie zu verhindern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, den Phasenstrom analog zu filtern, um eine Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms abzuschwächen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, eine Phasenregelschleife umzusetzen, um die Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms zu identifizieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, den Phasenstrom in zwei Gleichstromkomponenten umzuwandeln, die einen mit der Grundfrequenzkomponente synchronisierten Bezugsrahmen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, den Phasenstrom digital zu filtern, um die Grundfrequenzkomponente weiter abzuschwächen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, den Bezugsrahmen mit der Komponente der 3. Harmonischen zu synchronisieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, die beiden Gleichstromkomponenten digital zu filtern, um harmonische Frequenzkomponenten des Phasenstroms abzuschwächen, die größer als die Komponente der 3. Harmonischen sind.
Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Größe der beiden Gleichstromkomponenten die Größe der Komponente der 3. Harmonischen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugleistungssystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: als Reaktion darauf, dass während eines Ladens einer Traktionsbatterie des Fahrzeugleistungssystems mit Netzleistung detektiert wird, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen eines Phasenstromeingangs zu einem nicht isolierten Leistungswandler einen Schwellenwert überschreitet, Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung durch eine Steuerung, um ein weiteres Laden der Traktionsbatterie zu verhindern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein analoges Filtern des Phasenstroms, um eine Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms abzuschwächen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein Identifizieren des Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein Umwandeln des Phasenstroms in zwei Gleichstromkomponenten, die einen mit der Grundfrequenzkomponente synchronisierten Bezugsrahmen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein digitales Filtern des Phasenstroms, um die Grundfrequenzkomponente weiter abzuschwächen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein Synchronisieren des Bezugsrahmens mit der Komponente der 3. Harmonischen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein digitales Filtern der beiden Gleichstromkomponenten, um harmonische Frequenzkomponenten des Phasenstroms abzuschwächen, die größer als die Komponente der 3. Harmonischen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung definiert eine Größe der beiden Gleichstromkomponenten die Größe der Komponente der 3. Harmonischen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeugleistungssystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Leistungswandler; und eine Steuerung die dazu konfiguriert ist, während einer Übertragung von Netzleistung an die Traktionsbatterie über den Leistungswandler als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen eines Phasenstromeingangs zum Leistungswandler einen Schwellenwert überschreitet, einen Erdschlusszustand zu detektieren und als Reaktion auf das Vorliegen des Erdschlusszustands ein weiteres Laden der Traktionsbatterie zu verhindern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen einzelnen Stromsensor, der zum Erfassen des Phasenstroms konfiguriert ist.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der einzelne Stromsensor elektrisch zwischen einer Quelle der Netzleistung und dem Leistungswandler.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Leistungswandler um einen nicht isolierten Leistungswandler.

Claims

Fahrzeugleistungssystem, umfassend: eine Traktionsbatterie; einen nicht isolierten Leistungswandler, der zum Übertragen von Netzleistung an die Traktionsbatterie konfiguriert ist; einen Stromsensor, der zum Messen des Phasenstromeingangs zum nicht isolierten Leistungswandler während des Ladens der Traktionsbatterie mit Netzleistung konfiguriert ist; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen des Phasenstroms einen Schwellenwert überschreitet, eine elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung zu unterbrechen, um ein weiteres Laden der Traktionsbatterie zu verhindern.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Phasenstrom zu filtern, um eine Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms abzuschwächen.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 2, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, eine Phasenregelschleife umzusetzen, um die Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms zu identifizieren.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 3, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Phasenstrom in zwei Gleichstromkomponenten umzuwandeln, die einen mit der Grundfrequenzkomponente synchronisierten Bezugsrahmen aufweisen.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Phasenstrom zu filtern, um die Grundfrequenzkomponente weiter abzuschwächen.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den Bezugsrahmen mit der Komponente der 3. Harmonischen zu synchronisieren.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 6, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die beiden Gleichstromkomponenten zu filtern, um harmonische Frequenzkomponenten des Phasenstroms abzuschwächen, die größer als die Komponente der 3. Harmonischen sind.
Fahrzeugleistungssystem nach Anspruch 7, wobei eine Größe der beiden Gleichstromkomponenten die Größe der Komponente der 3. Harmonischen definiert.
Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugleistungssystems, umfassend: als Reaktion darauf, dass während eines Ladens einer Traktionsbatterie des Fahrzeugleistungssystem mit Netzleistung detektiert wird, dass eine Größe einer Komponente der 3. Harmonischen eines Phasenstromeingangs zu einem nicht isolierten Leistungswandler einen Schwellenwert überschreitet, Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen der Traktionsbatterie und einer Quelle der Netzleistung durch eine Steuerung, um ein weiteres Laden der Traktionsbatterie zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend ein Filtern des Phasenstroms, um eine Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms abzuschwächen.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend ein Identifizieren der Grundfrequenzkomponente des Phasenstroms.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Umwandeln des Phasenstroms in zwei Gleichstromkomponenten, die einen mit der Grundfrequenzkomponente synchronisierten Bezugsrahmen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend ein Filtern des Phasenstroms, um die Grundfrequenzkomponente weiter abzuschwächen.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend ein Synchronisieren des Bezugsrahmens mit der Komponente der 3. Harmonischen.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Filtern der beiden Gleichstromkomponenten, um harmonische Frequenzkomponenten des Phasenstroms abzuschwächen, die größer als die Komponente der 3. Harmonischen sind.