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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug.
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Zur Abblockung und Bedämpfung von Störsignalen auf Netzzuleitungen von Geräten kommen Funk-Entstörkondensatoren zum Einsatz, die je nach Anforderungsprofil in die Klassen X und Y eingeteilt werden.
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Klasse-X-Kondensatoren sind nach der Norm IEC 60384-1 aus dem Jahr 2016 elektrische Kondensatoren, die zwischen Phase und Neutralleiter oder zwischen zwei Phasen geschaltet werden. Sie dürfen eine beliebig hohe Kapazität haben. Oft haben sie Werte von 100 nF bis 1 µF.
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Klasse-Y-Kondensatoren nach der Norm IEC 60384-1 aus dem Jahr 2016 sind Kondensatoren, die zwischen Phase, respektive Neutralleiter und berührbarem, schutzgeerdetem Apparategehäuse angeschlossen werden und somit die Basisisolierung überbrücken. Für Y-Kondensatoren sind nach dieser Norm nur solche Kondensatoren zulässig, die bei begrenzter Kapazität eine überprüfbare erhöhte elektrische und mechanische Sicherheit aufweisen, da bei ihrer Anwendung im Falle eines Versagens durch Kurzschluss eine Gefährdung von Personen oder Tieren durch elektrischen Schlag auftreten kann.
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Es ist bekannt, dass elektrische Bordnetzsysteme von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen (Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen) meist als Gleichspannung (DC- Direct Current) mit einem oder mehreren Polen ausgeführt sind. Die elektrischen Gleichspannungspole sind entsprechend elektrisch isoliert und über Y-Kapazitäten mit der Fahrzeugmasse kapazitiv gekoppelt.
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Im Fehlerfall kann aber entsprechend über eine Person ein Entladen und Umladen der dieser in den Y-Kapazitäten gespeicherten Energie stattfinden. Die Entladung von gespeicherten Energien über den Menschen kann im schlimmsten Fall eine elektrische Gefährdung erzeugen. Aus diesem Grund werden die Energien von Y-Kapazitäten für ein HV-System auf das sogenannte C1-Limit der IEC 60479-2 begrenzt. Zudem ist eine Limitierung der Y-Kapazität für die Funktion der Isolationsüberwachung im Fahrzeug als auch in der Ladestation notwendig.
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Die
DE 10 2016 211 387 A1 offenbart eine Ladevorrichtung (z.B. Ladekabel, Ladesäule oder Wallbox) zum Laden eines teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs (z.B. Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug), welche ein elektrisches Bauelement (z.B. ohmscher Widerstand) und eine Schaltvorrichtung (z.B. Opto Triac, Relais) umfasst. Dabei sind das eine elektrische Bauelement und die Schaltvorrichtung derart in der Ladevorrichtung angeordnet, dass sich bei Verbindung der Ladevorrichtung mit einem Fahrzeug ein Schaltkreis zur Unterstützung der Entladung (z.B. in Form einer teilweisen Entladung) von einem fahrzeugseitig vorgesehenen Kondensator ergibt, welcher mittels der Schaltvorrichtung geöffnet bzw. geschlossen (z.B. auch zugeschaltet) werden kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Bordnetz für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug zu schaffen, das einen sicheren Betrieb im Fahrbetrieb sowie bei der Übertragung von elektrischer Energie zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug, insbesondere beim Schnellladen, gewährleistet.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen elektrischen Bordnetzes für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Bordnetz für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, mit wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten elektrischen Potentialleitung, wobei das Bordnetz in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt ist, wobei die erste und die zweite Potentialleitung mit einem Hochvolt-Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist. Das Bordnetz weist wenigstens zwei erste Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss mit den Potentialleitungen elektrisch gekoppelt sind, und deren gemeinsamer Anschluss mit einer elektrischen Masse elektrisch gekoppelt ist. Das Bordnetz weist wenigstens zwei weitere Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss mit den Potentialleitungen elektrisch gekoppelt sind, und deren gemeinsamer Anschluss über wenigstens zwei Schalter mit der elektrischen Masse elektrisch gekoppelt ist.
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Vorteilhaft kann beim Schnellladen, insbesondere beim Gleichstromladen mit hohen Ladeleistungen von beispielsweise 300 kW bei 800 V die Kapazität von Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, begrenzt werden, indem Kondensatoren während des Ladevorgangs abgeschaltet werden können.
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Eventuell dadurch auftretende Nachteile bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit können durch das nur temporäre Wegschalten der Kondensatoren während des Ladevorgangs umgangen werden. Beim Fahrbetrieb können die Kondensatoren dagegen wie erforderlich wieder zugeschaltet werden.
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Die ersten Entstörkondensatoren sind erfindungsgemäß bezüglich der Masse, beispielsweise dem Fahrzeugchassis, fest installiert und können beispielsweise Kapazitäten von je 20 nF aufweisen, um die maximal gespeicherte Energie beim Laden mit beispielsweise 800 V zu begrenzen.
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Die weiteren Entstörkondensatoren können beispielsweise Kapazitäten von 80 nF aufweisen und während des Ladens von der Masse durch Schalter getrennt werden.
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Während des Fahrbetriebs sind die weiteren Kondensatoren wieder mit der Masse verbunden und wirken als normale Entstörkondensatoren.
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Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität des Bordnetzes und damit die während des Ladevorgangs in den Entstörkondensatoren gespeicherte Energie vorteilhaft begrenzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bordnetzes können der gemeinsame Anschluss der zwei ersten Entstörkondensatoren und der gemeinsame Anschluss der zwei weiteren Entstörkondensatoren über einen Widerstand elektrisch gekoppelt sein. Insbesondere kann dabei der Widerstand größer 100 kOhm betragen. Im Fall eines externen Isolationsfehlers kann so der maximal auftretende Entladestrom der beiden weiteren Entstörkondensatoren durch den Widerstand stark reduziert werden und das Risiko eines Schadens vermindert werden. Wenn der Widerstand größer 100 kOhm beträgt, kann ein Hochspannungstest ohne zusätzliche Versorgungsspannungen und sonstige Maßnahmen durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bordnetzes können die beiden Schalter als gegensätzlich zueinander geschaltete Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren, ausgebildet sein. Auf diese Weise können die beiden weiteren Entstörkondensatoren beispielsweise während eines 800 V - Ladevorgangs mittels bidirektionalem Blocken vorteilhaft von der Masse weggeschaltet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des elektrischen Bordnetzes können ein Drain-Anschluss eines Schalters der beiden Schalter mit dem gemeinsamen Anschluss der zwei ersten Entstörkondensatoren und ein Drain-Anschluss des anderen Schalters mit dem gemeinsamen Anschluss der zwei weiteren Entstörkondensatoren elektrisch gekoppelt sein. Dabei können Source-Anschlüsse der beiden Schalter jeweils miteinander elektrisch gekoppelt sein. Mit einer solchen Verschaltung können zwei MOSFET-Transistoren vorteilhaft als Schalter in einer bidirektional blockenden Anordnung eingesetzt werden. Die beiden Schalter können über die entsprechenden Source-Anschüsse der zwei MOSFET-Transistoren geeignet angesteuert werden, sodass die beiden weiteren Entstörkondensatoren während eines 800 V - Ladevorgangs mittels bidirektionalem Blocken vorteilhaft von der Masse weggeschaltet werden können.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug vorgeschlagen, mit wenigstens einer ersten und einer zweiten elektrischen Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden, wobei die erste und die zweite Potentialleitung mit einem Hochvolt-Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist. Das Bordnetz weist wenigstens zwei erste Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss mit den Potentialleitungen elektrisch gekoppelt sind, und deren gemeinsamer Anschluss mit einer elektrischen Masse elektrisch gekoppelt ist. Das Bordnetz weist wenigstens zwei weitere Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss mit den Potentialleitungen elektrisch gekoppelt sind, und deren gemeinsamer Anschluss über wenigstens zwei Schalter mit der elektrischen Masse elektrisch gekoppelt ist. Dabei werden die beiden Schalter beim Laden des Hochvolt-Energiespeichers geöffnet.
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Vorteilhaft kann so beim Schnellladen, insbesondere beim Gleichstromladen mit hohen Ladeleistungen von beispielsweise 300 kW bei 800 V die Kapazität von Entstörkondensatoren, insbesondere Y-Kondensatoren, begrenzt werden, indem Kondensatoren während des Ladevorgangs abgeschaltet werden können.
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Eventuell dadurch auftretende Nachteile bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit können durch das nur temporäre Wegschalten der Kondensatoren während des Ladevorgangs umgangen werden. Beim Fahrbetrieb können die Kondensatoren dagegen wie erforderlich wieder zugeschaltet werden.
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Die ersten Entstörkondensatoren sind erfindungsgemäß bezüglich der Masse, beispielsweise dem Fahrzeugchassis, fest installiert und können beispielsweise Kapazitäten von je 20 nF aufweisen, um die maximal gespeicherte Energie beim Laden mit beispielsweise 800 V zu begrenzen.
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Die weiteren Entstörkondensatoren können beispielsweise Kapazitäten von 80 nF aufweisen und während des Ladens von der Masse durch Schalter getrennt werden.
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Während des Fahrbetriebs sind die weiteren Kondensatoren wieder mit der Masse verbunden und wirken als normale Entstörkondensatoren.
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Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität des Bordnetzes und damit die während des Ladevorgangs in den Entstörkondensatoren gespeicherte Energie vorteilhaft begrenzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die beiden Schalter zumindest beim Fahrbetrieb des Fahrzeugs geschlossen werden. So kann gewährleistet werden, dass die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC-Anforderungen) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs beim Fahrbetrieb erfüllt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können der gemeinsame Anschluss der zwei ersten Entstörkondensatoren und der gemeinsame Anschluss der zwei weiteren Entstörkondensatoren über einen Widerstand elektrisch gekoppelt sein. Insbesondere kann dabei der Widerstand größer 100 kOhm betragen. Dabei kann ein Hochspannungstest über den Widerstand durchgeführt werden. Im Fall eines externen Isolationsfehlers kann so der maximal auftretende Entladestrom der beiden weiteren Entstörkondensatoren durch den Widerstand stark reduziert werden und das Risiko eines Schadens vermindert werden. Wenn der Widerstand größer 100 kOhm beträgt, kann ein Hochspannungstest ohne zusätzliche Versorgungsspannungen und sonstige Maßnahmen durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Spannungsanstieg und/oder Stromanstieg bei dem Hochspannungstest begrenzt werden, um eine maximale Spannung über die beiden Schalter insbesondere auf unter 1200 V zu begrenzen. So kann ein erforderlicher Hochspannungstest des elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs auf vorteilhafte und sichere Weise durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Zustand der beiden Schalter durch Messen einer Spannung zwischen dem gemeinsamen Anschluss der zwei ersten Entstörkondensatoren und dem gemeinsamen Anschluss der zwei weiteren Entstörkondensatoren bestimmt werden. Auf diese Weise kann vorteilhaft bestimmt werden, ob die beiden Schalter geschlossen oder offen sind, ob also die beiden weiteren Entstörkondensatoren mit der Masse verbunden oder von der Masse weggeschaltet sind. Im Fall von offenen Schaltern wird eine Spannungsänderung erwartet, da eine Isolationsüberwachung die gesamte Y-Kapazität des Hochvolt-Bordnetzes kontinuierlich laden wird. Wenn beide Schalter geschlossen sind, fällt die Spannungsänderung wegen des niedrigen Innenwiderstandes von MOSFET-Schaltern auf Null Volt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Systemübersicht eines Teils eines elektrischen Bordnetzes für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der Figur sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figur zeigt lediglich Beispiele und ist nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Systemübersicht eines Teils eines elektrischen Bordnetzes 100 für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das elektrische Bordnetz 100 weist eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung HV+, HV- auf. In einem bestimmungsgemäßen Betrieb ist das Bordnetz 100 zwischen den Potentialleitungen HV+, HV- mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt, indem die erste und die zweite Potentialleitung HV+, HV- an den Anschlüssen 10, 12 mit einem Hochvolt-Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist.
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Das Bordnetz 100 weist zwei erste Entstörkondensatoren Cy1, Cy2, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss 10, 12 mit den Potentialleitungen HV+, HV- elektrisch gekoppelt sind. Der gemeinsame Anschluss M1 der zwei ersten Entstörkondensatoren Cy1, Cy2 ist mit einer elektrischen Masse elektrisch gekoppelt.
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Die ersten Entstörkondensatoren Cy1, Cy2 sind erfindungsgemäß bezüglich der Masse, beispielsweise dem Fahrzeugchassis, fest installiert und können beispielsweise Kapazitäten von je 20 nF aufweisen, um die maximal gespeicherte Energie beim Laden mit beispielsweise 800 V zu begrenzen.
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Das Bordnetz 100 weist zwei weitere Entstörkondensatoren Cy3, Cy4, insbesondere Y-Kondensatoren, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils mit einem Anschluss 14, 16 ebenfalls mit den Potentialleitungen HV+, HV- elektrisch gekoppelt sind. Der gemeinsame Anschluss M2 der zwei weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 ist über zwei Schalter T1, T2 mit der elektrischen Masse am Punkt M1 elektrisch gekoppelt.
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Die weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 können beispielsweise Kapazitäten von 80 nF aufweisen und während des Ladens von der Masse durch die Schalter T1, T2 getrennt werden.
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Die Anschlüsse 14, 16 können beispielsweise mit einer Leistungselektronik eines Elektromotors elektrisch verbunden sein, was durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist.
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Der gemeinsame Anschluss M1 der zwei ersten Entstörkondensatoren Cy1, Cy2 und der gemeinsame Anschluss M2 der zwei weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 sind über einen Widerstand R elektrisch gekoppelt, welcher vorteilhaft größer 100 kOhm betragen kann. Im Fall eines externen Isolationsfehlers kann so der maximal auftretende Entladestrom der beiden weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 durch den Widerstand R stark reduziert sein und kann so keinen Schaden verursachen. Wenn der Widerstand R größer 100 kOhm beträgt, kann ein Hochspannungstest ohne zusätzliche Versorgungsspannungen durchgeführt werden.
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Die beiden Schalter T1, T2 sind als gegensätzlich zueinander geschaltete MOSFET-Transistoren ausgebildet. Auf diese Weise können die beiden weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 beispielsweise während eines 800 V - Ladevorgangs mittels bidirektionalem Blocken vorteilhaft von der Masse weggeschaltet werden.
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Der Drain-Anschluss D des Schalters T1 ist mit dem gemeinsamen Anschluss M1 der zwei ersten Entstörkondensatoren Cy1, Cy2 und der Drain-Anschluss D des anderen Schalters T2 ist mit dem gemeinsamen Anschluss (M2) der zwei weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 elektrisch gekoppelt. Die Source-Anschlüsse S der beiden Schalter T1, T2 sind jeweils miteinander elektrisch gekoppelt.
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Mit einer solchen Verschaltung können zwei MOSFET-Transistoren vorteilhaft als Schalter T1, T2 in einer bidirektional blockenden Anordnung eingesetzt werden. Die beiden Schalter T1, T2 können über die entsprechenden Source-Anschüsse S der zwei MOSFET-Transistoren geeignet angesteuert werden, sodass die beiden weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 während eines 800 V - Ladevorgangs mittels bidirektionalem Blocken vorteilhaft von der Masse weggeschaltet werden.
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Erfindungsgemäß können beim Laden des Hochvolt-Energiespeichers die beiden Schalter T1, T2 geöffnet werden.
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Vorteilhaft kann so beim Schnellladen, insbesondere beim Gleichstromladen mit hohen Ladeleistungen von beispielsweise 300 kW bei 800 V die Kapazität der Entstörkondensatoren, insbesondere der Y-Kondensatoren, begrenzt werden, indem die Kondensatoren Cy3, Cy4 während des Ladevorgangs abgeschaltet werden.
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Eventuell dadurch auftretende Nachteile bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC-Anforderungen) können durch das nur temporäre Wegschalten der Kondensatoren Cy3, Cy4 während des Ladevorgangs umgangen werden. Die Kondensatoren Cy1, Cy2, die fest installiert sind, bilden dabei immer die Grundfilterung, die beim Laden mit 800 V nötig ist. Beim Fahrbetrieb können die Kondensatoren Cy3, Cy4 dagegen wie erforderlich wieder zugeschaltet werden.
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Während des Fahrbetriebs sind die weiteren Kondensatoren Cy3, Cy4 wieder mit der Masse verbunden und wirken als normale Entstörkondensatoren.
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Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität des Bordnetzes und damit die während des Ladevorgangs in den Entstörkondensatoren Cy1, Cy2, Cy3, Cy4 gespeicherte Energie vorteilhaft begrenzt werden.
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Zumindest beim Fahrbetrieb des Fahrzeugs können die beiden Schalter T1, T2 geschlossen werden, um so die Funktion der zwei weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit des Fahrzeugs auszuüben. So können die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMC-Anforderungen) des elektrisch betriebenen Fahrzeugs beim Fahrbetrieb erfüllt werden.
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Eine Spannungsrampe und/oder Strombetrag wird bei dem Hochspannungstest begrenzt, um eine maximale Spannung über die beiden Schalter T1, T2, insbesondere auf unter 1200 V, zu begrenzen. So kann ein erforderlicher Hochspannungstest des elektrischen Bordnetzes 100 des Fahrzeugs auf vorteilhafte und sichere Weise durchgeführt werden.
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Ein Zustand der beiden Schalter T1, T2 kann durch Messen einer Spannung zwischen dem gemeinsamen Anschluss M1 der zwei ersten Entstörkondensatoren Cy1, Cy2 und dem gemeinsamen Anschluss M2 der zwei weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 bestimmt werden.
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Auf diese Weise kann vorteilhaft bestimmt werden, ob die beiden Schalter T1, T2 geschlossen oder offen sind, ob also die beiden weiteren Entstörkondensatoren Cy3, Cy4 mit der Masse verbunden oder von der Masse weggeschaltet sind. Im Fall von offenen Schaltern T1, T2 wird eine Spannungsänderung erwartet, da eine Isolationsüberwachungseinheit die gesamte Y-Kapazität des Hochvolt-Bordnetzes 100 kontinuierlich laden wird. Wenn beide Schalter T1, T2 geschlossen sind, fällt die Spannungsänderung wegen des niedrigen Innenwiderstandes von MOSFET-Schaltern auf Null Volt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anschluss
- 12
- Anschluss
- 14
- Anschluss
- 16
- Anschluss
- 100
- Bordnetz
- HV+
- Potentialleitung
- HV-
- Potentialleitung
- M1
- gemeinsamer Anschluss
- M2
- gemeinsamer Anschluss
- Cy1
- Entstörkondensator
- Cy2
- Entstörkondensator
- Cy3
- Entstörkondensator
- Cy4
- Entstörkondensator
- T1
- Schalter
- T2
- Schalter
- S
- Source
- G
- Gate
- D
- Drain
- R
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016211387 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 60384-1 [0003, 0004]
