DE102021116579A1

DE102021116579A1 - Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems für ein Fahrzeug mit einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät

Info

Publication number: DE102021116579A1
Application number: DE102021116579.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Holler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems (3) für ein Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Bordnetz (2) und einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät (9), wobei eine Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) ermittelt wird und eine Schaltfrequenz (fsw) des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes (9) in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz (ZHV) eingestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Ladesystem (3) für ein Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Bordnetz (2) und ein galvanisch nicht-getrenntes Ladegerät (9), wobei durch eine Steuereinrichtung (11) eine Schaltfrequenz (fsw) des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes (9) in Abhängigkeit einer Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Bordnetz und einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät. Ferner betrifft die Erfindung ein Ladesystem für ein Fahrzeug umfassend ein Bordnetz und ein galvanisch nicht-getrenntes Ladegerät. Ein weiterer Gegenstand ist ein Fahrzeug mit einem derartigen Ladesystem.
Einhergehend mit der Elektrifizierung und Hybridisierung von Fahrzeug-Antriebssträngen wächst der Bedarf an adäquater Batterieladeinfrastruktur. Dabei ist nicht nur ein schnelles Laden der Fahrzeuge, sondern auch ein sicherer Ladevorgang von hoher Relevanz. Derzeit werden für Elektro- und Hybridfahrzeugen üblicherweise galvanisch getrennte Ladegeräte verwendet, so dass die Stromkreise der Ladesäule und des Bordnetzes des Fahrzeugs untereinander potentialfrei sind.
Durch im Bordnetz verbaute Komponenten, insbesondere deren Y-Kapazitäten, können Fehlerströme auftreten, die in jeder Hochvolt-Komponente des Bordnetzes fließen und bei Berühren der Fahrzeugmasse eine Gefahr für Passagiere („elektrischer Schlag“) darstellen. Aufgrund von Alterungseffekten, beispielsweise der Y-Kapazitäten, können sich die Fehlerströme über die Betriebsdauer verändern. Insbesondere bei der Verwendung von galvanisch nicht-getrennten Ladegeräten stellen diese Fehlerströme eine erhöhte Gefahr dar. Ein sicherer Ladevorgang mit galvanisch nicht-getrennten Ladegeräten ist ohne weitere Schutzmaßnahmen kaum möglich.
Vor diesem Hintergrund stellt sich nun die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das einen sicheren Betrieb eines Ladesystems mit einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät über eine längere Betriebsdauer ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Bordnetz und einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät vorgeschlagen, wobei eine Impedanz des Bordnetzes ermittelt wird und eine Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegeräts in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz eingestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegeräts in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz so eingestellt werden, dass Fehlerströme minimiert werden. Durch das Ermitteln der Impedanz können Änderungen der Impedanz (beispielsweise aufgrund von Alterungserscheinungen) die Auswahl der Schaltfrequenz des Ladegeräts beeinflussen. Die Schaltfrequenz kann daher auch bei Änderungen der Impedanz so eingestellt werden, dass Fehlerströme reduziert werden. Hierdurch kann ein sicherer Betrieb des Ladesystems auch dann ermöglicht werden, wenn Komponenten des Bordnetzes aufgrund von Alterungseffekten und/oder Ausfall (bzw. Defekt) erhöhte Leckströme aufweisen. Insofern wird ein sicherer Betrieb des Ladesystems mit dem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät über eine längere Betriebsdauer ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem die Instandhaltung des Bordnetzes eines Fahrzeugs vereinfachen, da die Schaltfrequenz des Ladegeräts nach einem Austausch einer Komponente durch das erfindungsgemäße Verfahren automatisch so angepasst werden kann, dass ein möglichst geringer Fehlerstrom auftritt. Eine automatisierte Frequenznachschaltung kann gegenüber einer manuellen Frequenznachschaltung Kosten eines Ladesystems reduzieren und somit kommerzielle Vorteile für ein Elektro- und Hybridfahrzeug haben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Bevorzugt ist die Impedanz des Bordnetzes eine Impedanz eines Hochvoltteils des Bordnetzes. Der Hochvoltteil ist bevorzugt für eine Spannung von größer gleich 400 V, besonders bevorzugt von größer gleich 800 V ausgelegt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Impedanz in Abhängigkeit von einer Spannungsantwort, insbesondere einer Sprungantwort, des Bordnetzes ermittelt wird. Die Spannungsantwort kann ausgewertet werden, um die Impedanz des Bordnetzes zu ermitteln, insbesondere eine kapazitive Impedanz. Bei der Impedanz handelt es sich bevorzugt um die Impedanz eines oder mehrerer Y-Kapazitäten des Bordnetzes. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Impedanz mittels einer Brückenschaltung ermittelt wird oder dass die Impedanz durch einen Frequenzabgleich ermittelt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Einstellung der Schaltfrequenz ein Parameter der Impedanz ermittelt wird. Bevorzugt wird eine Kapazität, besonders bevorzugt eine Y-Kapazität, ermittelt. Es hat sich herausgestellt, dass Änderungen der Kapazität, insbesondere der Y-Kapazität, des Bordnetzes wesentlich zu Änderungen der Impedanz des Bordnetzes beitragen. Insofern ist es möglich, die ermittelte Kapazität zur Einstellung der Schaltfrequenz heranzuziehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von einem Kennfeld gewählt wird, welches einen Zusammenhang zwischen der Impedanz des Bordnetzes oder einem Parameter der Impedanz, insbesondere einer Kapazität, und einem Fehlerstrom für unterschiedliche Schaltfrequenzen angibt. Das Kennfeld ermöglicht es, einer von der Steuereinheit ermittelten Impedanz eine Schaltfrequenz zuzuordnen, die einen möglichst geringen Fehlerstrom zur Folge hat. Gemäß einer Variante dieser Ausgestaltung ist das Kennfeld in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung gespeichert. Das Kennfeld kann beispielsweise als Datenbank oder -tabelle und/oder als mathematischer Algorithmus oder Funktion in der Speichereinheit gespeichert sein.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Schaltfrequenz derart gewählt wird, dass sich ein minimaler Fehlerstrom im Ladesystem ergibt. Mit einer derartigen Soll-Schaltfrequenz können aufgrund von Fehlerströmen auftretende Ausgleichsströme zwischen dem Bordnetz und einer Ladestation verringert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ist-Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegeräts auf die gewählte Schaltfrequenz eingeregelt wird. Zur Einregelung der Schaltfrequenz auf die Soll-Schaltfrequenz kann ein Regelkreis verwendet werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Ladesystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Bordnetz und ein galvanisch nicht-getrenntes Ladegerät, wobei durch eine Steuereinrichtung eine Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes in Abhängigkeit einer Impedanz des Bordnetzes einstellbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem werden dieselben Vorteile erreicht, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
Das Bordnetz umfasst bevorzugt eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie. Ferner kann das Bordnetz einen Wechselrichter, insbesondere einen Pulswechselrichter, zu Ansteuerung eines Traktionsantriebs aufweisen und/oder einen Gleichspannungswandler. Das Bordnetz, insbesondere dessen vorstehend genannten Komponente, können Kondensatoren umfassen, insbesondere Y-Kondensatoren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Ladesystem eine Messeinrichtung, insbesondere eine Sensoranordnung, zur Ermittlung der Impedanz aufweist. Dabei kann die Messeinrichtung so eingerichtet werden, dass das Bordnetz mit einem Impuls angeregt und eine Spannungsantwort gemessen, insbesondere mit einer Sprungfunktion angeregt und eine Sprungantwort gemessen, werden kann. Gemäß einer Variante der Ausgestaltung umfasst die Messeinrichtung einen oder mehrere Spannungsmesssensoren und/oder einen oder mehrere Stromsensoren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Speichereinheit aufweist, in der ein Kennfeld gespeichert ist. Anhand des Kennfelds kann eine automatisierte Auswahl einer Schaltfrequenz erfolgen, die einen möglichst geringen Fehlerstrom zur Folge hat. Das Kennfeld kann beispielsweise als Datenbank oder -tabelle und/oder als mathematischer Algorithmus oder mathematische Funktion gespeichert sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das galvanisch nicht-getrennte Ladegerät ein Bestandteil des Bordnetzes ist. Die Schaltfrequenz des Ladegeräts kann in einer solchen Ausgestaltung ausschließlich durch Komponenten des Fahrzeugs eingestellt werden. Das Fahrzeug kann die zum Erreichen eines niedrigen Fehlerstroms optimale Schaltfrequenz selbst regeln, d.h. unabhängig von einer mit dem Bordnetz verbundenen, fahrzeugexternen Ladestation. Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Ausgestaltung ist das Bordnetz so ausgelegt, dass das galvanische nicht-getrennte Ladegerät bei Bedarf durch ein galvanisch getrenntes Ladegerät ausgetauscht werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das galvanisch nicht-getrennte Ladegerät Bestandteil einer fahrzeugexternen Ladestation ist. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass in dem Bordnetz des Fahrzeugs ein Ladegerät nicht vorgesehen werden muss, wodurch sich der fahrzeugseitige Aufwand und gegebenenfalls das Fahrzeuggewicht verringert. Gemäß einer vorteilhaften Variante der Ausgestaltung ist die Ladestation so ausgelegt, dass das galvanisch nicht-getrennte Ladegerät bei Bedarf durch ein galvanisch getrenntes Ladegerät ausgetauscht werden kann.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend ein vorstehend erläutertes Ladesystem. Damit die Batterie des Fahrzeugs sicher und gefahrlos geladen werden kann, müssen potentielle Fehlerquellen eines Batterieladebetriebs reduziert werden. Indem eine optimale Schaltfrequenz des Ladegeräts eingestellt wird, können Fehlerströme minimiert werden, sodass ein sicherer Batterieladebetrieb ermöglicht werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

1. eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs; und
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ladesystems in einem schematischen Blockdiagramm; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 1, gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Fahrzeug 1 weist ein Bordnetz 2 auf, welches Teil eines Ladesystems 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Ladesystems 3 ist in 2 dargestellt. Als fahrzeugexterne Komponente umfasst das Ladesystem 3 eine Ladestation 4, die mit einem Versorgungsnetz verbunden ist. Die Ladestation 4 kann mit dem Bordnetz 2 des Fahrzeugs 1 über ein Ladekabel 5 verbunden werden, um eine Batterie 6 des Fahrzeugs 1 zu laden.
Die Batterie 6 ist Teil des Bordnetzes 2 des Ladesystems 3. Das Bordnetz 2 umfasst ferner ein galvanisch nicht-getrenntes Ladegerät 9, das über das Ladekabel 5 mit der Ladestation 4 verbunden werden kann. Die Batterie 6 ist dabei in einem Hochvoltteil 10 des Bordnetzes angeordnet, der mit einer höheren Spannung betrieben wird. Diese höhere Spannung liegt bevorzugt in einem Bereich größer gleich 400 V, bevorzugt größer gleich 800 V. Bei dem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein mit dem Ladegerät 9 gekoppelter Gleichspannungswandler 8 vorgesehen, welcher die Ausgangsspannung des Ladegeräts 9 wahlweise auf eine höhere oder niedrigere Spannung umsetzen kann, beispielsweise um in 2 nicht dargestellte Komponente, zu versorgen. Im Hochvoltteil 10 des Bordnetzes 2 ist neben der Batterie 6 auch ein Wechselrichter zur Ansteuerung eines in der 2 nicht dargestellten Traktionsantriebs des Fahrzeugs 1 vorgesehen.
In dem Bordnetz 2, insbesondere in dem Hochvoltteil 10 des Bordnetzes 2 sind mehrere Y-Kondensatoren Cy vorgesehen, die als Entstörkondensatoren hochfrequente Störsignale gegen die Fahrzeugmasse GND ableiten können. Die Kapazität der Y-Kondensatoren Cy ändert sich über deren Betriebsdauer und damit direkte Auswirkungen auf im Bordnetz hervorgerufenen Fehlerströme. Diese Fehlerströme können bei einer Berührung mit der Fahrzeugmasse GND einen elektrischen Schlag verursachen und stellen damit eine Gefahr für Personen dar. Um einen sicheren Betrieb des Ladesystems 3 mit dem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät 9 zu ermöglichen, sind daher bei dem Ladesystem 3 nach 1 besondere Maßnahmen ergriffen worden.
So wird das Ladesystem gemäß einem Verfahren betrieben, bei welchem eine Impedanz ZHV des Bordnetzes 2, insbesondere des Hochvoltteils 10, ermittelt wird und eine Schaltfrequenz fsw des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes 9 in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz Z_HV eingestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels einer Steuereinrichtung 11 des Ladesystems 3 durchgeführt und soll nachfolgend anhand der Darstellung in 3 näher erläutert werden.
In einem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen Messschritt 100, in welchem die Impedanz ZHV des Bordnetzes 2, insbesondere des Hochvoltteils 10, ermittelt wird. Um die Impedanz ZHV zu ermitteln, können Messeinrichtungen, insbesondere Sensoranordnungen, verwendet werden. Dabei kann die Impedanz ZHV über eine Impedanzmessung ermittelt werden. Beispielsweise kann die Impedanz ZHV in Abhängigkeit einer Spannungsantwort, insbesondere einer Sprungantwort, des Bordnetzes 2 ermittelt werden. Dazu kann eine Messeinrichtung das Bordnetz mit einem Impuls anregen um eine Spannungsantwort zu messen, insbesondere mit einer Sprungfunktion anregen, um eine Sprungantwort zu messen.
Bei dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird im Messschritt 100 ferner ein Parameter der Impedanz ZHV, bevorzugt eine Kapazität, besonders bevorzugt eine Y-Kapazität, ermittelt. Dem Messschritt 100 nachfolgend wird in einem Auswahlschritt 200 eine Schaltfrequenz fsw in Abhängigkeit einem Kennfeld ausgewählt, welches einen Zusammenhang zwischen der Impedanz ZHV des Bordnetzes 2 oder einem Parameter der Impedanz ZHV, insbesondere einer Kapazität, und einem Fehlerstrom für unterschiedliche Schaltfrequenzen fsw angibt. Die Schaltfrequenz fsw wird dabei derart gewählt, dass sie eine Schaltfrequenz fsw ist, die einen minimalen Fehlerstrom zur Folge hat. Das in dem Auswahlschritt 200 verwendete Kennfeld ist bevorzugt in einer Speichereinheit der Steuereinrichtung 11 gespeichert sein. Das Kennfeld kann beispielsweise als Datenbank oder -tabelle und/oder als mathematischer Algorithmus oder Funktion in der Speichereinheit gespeichert sein.
Im Anschluss an den Auswahlschritt 200 wird in einem Ansteuerschritt 300 die Schaltfrequenz fsw des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes 9 auf die Soll-Schaltfrequenz 19 eingestellt, insbesondere eingeregelt, so dass sich der Fehlerstrom des Ladesystems 3 reduziert. Zur Ansteuerung des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes 9 kann ein Regelkreis verwendet werden, um eine Ist-Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes 9 auf die ausgewählte Schaltfrequenz fsw einzuregeln.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Ladesystems (3) für ein Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, mit einem Bordnetz (2) und einem galvanisch nicht-getrennten Ladegerät (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) ermittelt wird und eine Schaltfrequenz (fsw) des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes (9) in Abhängigkeit von der bestimmten Impedanz (ZHV) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (ZHV) in Abhängigkeit von einer Spannungsantwort, insbesondere einer Sprungantwort, des Bordnetzes (2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Schaltfrequenz (fsw) ein Parameter der Impedanz (ZHV), bevorzugt eine Kapazität, besonders bevorzugt eine Y-Kapazität, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (fsw) in Abhängigkeit von einem Kennfeld gewählt wird, welches einen Zusammenhang zwischen der Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) oder einem Parameter der Impedanz (2), insbesondere einer Kapazität, und einem Fehlerstrom für unterschiedliche Schaltfrequenzen (fsw) angibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz (fsw) derart gewählt wird, dass sich ein minimaler Fehlerstrom im Ladesystem (3) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ist-Schaltfrequenz des galvanisch nicht-getrennten Ladegeräts (9) auf die gewählte Schaltfrequenz (fsw) eingeregelt wird.
Ladesystem (3) für ein Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Bordnetz (2) und ein galvanisch nicht-getrenntes Ladegerät (9), dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuereinrichtung (11) eine Schaltfrequenz (fsw) des galvanisch nicht-getrennten Ladegerätes (9) in Abhängigkeit einer Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) einstellbar ist.
Ladesystem (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladesystem (3) eine Messeinrichtung, insbesondere eine Sensoranordnung, zur Ermittlung der Impedanz (ZHV) aufweist.
Ladesystem (3) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) eine Speichereinheit aufweist, in der ein Kennfeld gespeichert ist, welches einen Zusammenhang zwischen der Impedanz (ZHV) des Bordnetzes (2) oder einem Parameter der Impedanz (ZHV), insbesondere einer Kapazität, und einem Fehlerstrom für unterschiedliche Schaltfrequenzen (fsw) angibt.
Ladesystem (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanisch nicht-getrennte Ladegerät (9) ein Bestandteil des Bordnetzes (2) ist.
Ladesystem (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das galvanisch nicht-getrennte Ladegerät (4) ein Bestandteil einer fahrzeugexternen Ladestation (4) ist.
Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, gekennzeichnet durch ein Ladesystem (3) nach einem der Ansprüche 7 bis 11.