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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2019 008 833 A1 beschrieben, eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, ein Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und eine Gleichstromladestation bekannt. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Pluspotentialleitung und einer Bezugspotentialleitung und eine zweite Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung, oder eine Fehlerstrommessvorrichtung in der Bezugspotentialleitung. Die Schutzvorrichtung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung mit zwei Schutzschaltungsteilen, wobei der erste Schutzschaltungsteil eine Reihenschaltung eines ersten Entladewiderstands und eines ersten Schutzschalters zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst und der zweite Schutzschaltungsteil eine Reihenschaltung eines zweiten Entladewiderstands und eines zweiten Schutzschalters zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst. Der erste und zweite Schutzschalter sind bei einem mittels der ersten und/oder zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Unterschreiten und/oder Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes zum Schließen ansteuerbar, oder der erste und/oder zweite Schutzschalter ist bei einem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom zum Schließen ansteuerbar.
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In der
DE 10 2021 003 830 werden eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, ein Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und eine Gleichstromladestation beschrieben. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Pluspotentialleitung und einer Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und eine zweite Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung. Die Schutzvorrichtung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung zur Reduzierung eines durch Y-Kondensatoren des elektrischen Gleichstromnetzes verursachten elektrischen Schlags, wobei die Schutzschaltung einen ersten Schutzschalter zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und einen zweiten Schutzschalter zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst. Es sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben. Der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter sind ausschließlich bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Schließen ansteuerbar.
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Aus der
DE 10 2017 009 352 A1 sind ein Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen und ein Verfahren zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen bekannt. Der Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten elektrischen Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz weist einen ersten und einen zweiten getakteten Energiewandler auf, die jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen. Der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers ist an das erste Bordnetz angeschlossen und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers ist an das zweite Bordnetz angeschlossen. Die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers sind an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes elektrisch verbunden. Ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrzeug mit einem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Bordnetz anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fahrzeug weist ein elektrisches Bordnetz auf. Das elektrische Bordnetz umfasst eine Traktionsbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, einen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie, eine mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelte oder koppelbare Pluspotentialleitung, eine mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelte oder koppelbare Minuspotentialleitung und eine Bezugspotentialleitung, insbesondere Massepotentialleitung. Des Weiteren umfasst das elektrische Bordnetz eine Spannungsmessvorrichtung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung.
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Erfindungsgemäß ist in der Pluspotentialleitung ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler angeordnet und/oder in der Minuspotentialleitung ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler angeordnet. Des Weiteren ist erfindungsgemäß in der Pluspotentialleitung ein Trennelement angeordnet und/oder in der Minuspotentialleitung ein Trennelement angeordnet. Zudem ist erfindungsgemäß eine mit der Spannungsmessvorrichtung oder mit den Spannungsmessvorrichtungen und mit dem Trennelement oder mit den Trennelementen gekoppelte Verarbeitungseinheit vorgesehen, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen und zur öffnenden Ansteuerung des Trennelements oder der Trennelemente. Erfindungsgemäß ist ein Auslösekriterium vorgegeben oder sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen. Die Verarbeitungseinheit ist erfindungsgemäß ausgebildet und eingerichtet, das Trennelement oder die Trennelemente, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt des vorgegebenen Auslösekriteriums oder, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt eines der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien oder, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern.
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Mittels der erfindungsgemäßen Lösung wird es ermöglicht, in einem mit der Gleichstromladestation gekoppelten Zustand, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie, einen im Fahrzeug auftretenden Isolationsfehler bereits während seiner Entstehung zu erkennen und darauf rechtzeitig zu reagieren, um einen Kurzschluss der Traktionsbatterie zu vermeiden. In einem solchen Fall eines Isolationsfehlers im Fahrzeug kann als direkte Folge ein weiterer Isolationsfehler im entgegengesetzten elektrischen Potential auf Seiten der Gleichstromladestation eintreten. Dadurch wird ein Kurzschluss der Traktionsbatterie erzeugt, der im so genannten CHAdeMO-Ladestandard zu einer Zerstörung einer Massepotentialleitung in einem Ladekabel führt, mit welchem das Fahrzeug mit der Gleichstromladestation elektrisch gekoppelt ist, denn diese Massepotentialleitung ist nur sehr dünn ausgeführt.
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Das elektrische Bordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz. Ein Pluspotential und Minuspotential des Bordnetzes sind somit Hochvoltpotentiale, im Folgenden auch jeweils als HV-Potential bezeichnet, d. h. der Begriff Hochvolt wird im Folgenden mit HV abgekürzt.
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Bevor der Kurzschluss der Traktionsbatterie entsteht, tritt stets in einem ersten Schritt eine Spannungsüberlastung der Isolation in der Gleichstromladestation ein. Eine Ursache dieser Überlastung der Isolation kann sein, dass sich bei einem allmählich entstehenden Isolationsfehler im Fahrzeug, d. h. bei einem sich langsam verringernden Isolationswiderstand, die HV-Potentialverteilung langsam verändert. Eine weitere Ursache dieser Überlastung der Isolation kann sein, dass sich bei einem sofortigen niederohmigen Isolationsfehler im Fahrzeug, d. h. bei einem sich schlagartig auf einen sehr kleinen Wert reduzierenden Isolationswiderstand, die HV-Potentialverteilung sehr schnell verändert. Eine weitere Ursache dieser Überlastung der Isolation kann eine HV-Potentialverschiebung aufgrund eines Umladevorgangs durch einen Isolationswächter sein. Dabei verändert sich die HV-Potentialverteilung mit einer Zeitkonstante, die sich aus einer Gesamtkapazität des HV-Systems, den Isolationswiderständen und einem Widerstand und somit einem Verschiebestrom des Isolationswächters ergibt.
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Das Ziel der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit insbesondere, anhand der Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential eine drohende Überlastung der Isolation in der Gleichstromladestation zu erkennen und schon die HV-Systeme Fahrzeug und Gleichstromladestation zu trennen, bevor die Überlastung eintritt. Somit kann stromfrei getrennt werden. Das hierfür verwendete Trennelement oder das jeweilige hierfür verwendete Trennelement kann somit entsprechend klein ausgeführt werden, d. h. es ist auf einen Nutzstrom, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie durch die Gleichstromladestation, ausgelegt und muss nicht auf den Kurzschlussstrom ausgelegt sein.
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Tritt die Überlastung der Isolation schlagartig ein, so muss die Reaktion durch das Öffnen des Trennelements oder des jeweiligen Trennelements ebenfalls sehr schnell erfolgen. Auch hier kann eine Auswertung der Spannung der HV-Potentiale bezogen auf das Bezugspotential herangezogen werden. Als Trennelement wird insbesondere ein möglichst schnelles Bauteil verwendet. Das Trennelement oder das jeweilige Trennelement ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), oder als ein pyrotechnisches Trennelement, d. h. als eine Sicherung mit Sprengelement, auch als Pyro-Fuse bezeichnet, ausgebildet. Die Auswertung der Spannungsmessungen und der Rückschluss auf den Fehlerwiderstand, genauer gesagt auf die Zeitkonstante t = R * C der Kondensatorentladung, wobei R der Körperwiderstand des menschlichen Körpers ist, kann dabei gestaltet werden wie in
DE 10 2021 003 830 beschrieben, insbesondere wie auf deren Seiten 2 bis 11, insbesondere auf deren Seiten 5 bis 7, beschrieben, insbesondere wie in deren Figurenbeschreibung und den Figuren, insbesondere auf deren Seiten 27 bis 29, beschrieben, insbesondere wie in deren Ansprüchen, insbesondere in deren Ansprüchen 2 bis 4, beschrieben. Der daraus resultierende Vorteil ist, dass selbst bei einem schlagartigen Isolationsfehler der Stromkreis der Traktionsbatterie getrennt werden kann, obwohl noch gar keine Spannungsüberlastung der Isolation der Gleichstromladestation erfolgt und somit auch noch bevor der Kurzschlussstrom sich aufbaut.
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Durch die Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann das Entstehen eines kritischen Isolationsfehlers erkannt und darauf reagiert werden. Ein kritischer Isolationsfehler entsteht, wenn am Ladeanschluss die Spannung zwischen einem HV-Potential und dem Bezugspotential über einen festgelegten Schwellwert von beispielsweise 500V ansteigt Die betragsmäßige Spannungserhöhung von einem HV-Potential zum Bezugspotential ist bei einem Isolationsfehler immer verbunden mit einer betragsmäßigen Reduzierung der Spannung des anderen HV-Potentials zum Bezugspotential. Mit einer logischen Und-Verknüpfung dieser beiden Ereignisse können EMV-Störungen (Common-Mode) zum Teil unterdrückt werden (EMV=Elektromagnetische Verträglichkeit). Durch die Zeitkonstante der Umladung der HV-Potentiale kann auf den Widerstand des Isolationsfehlers geschlossen werden. Somit kann schon ein entstehender Isolationsfehler erkannt werden, obwohl die Belastungsgrenze der Isolation in der Gleichstromladestation noch gar nicht erreicht wurde. Durch das Verfahren der Auswertung, wie in
DE 10 2021 003 830 , insbesondere in deren oben genannten Textstellen, beschrieben, kann dabei der Isolationsfehler sicher unterschieden werden von EMV-Störungen oder dem Einfluss des Isolationswächters. Bei einer Spannungsmessung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung mit zwei Gleichspannungswandlern und zwei Spannungsmessvorrichtungen, wobei die Spannungsmessvorrichtungen zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie mit der jeweiligen Potentialleitung verbunden sind, können die Potentialverschiebungen der beiden Gleichspannungswandler zurückgerechnet werden, um auf die HV-Potentialverteilung am Ladeanschluss zu schließen. Alternativ erfolgt die Messung der HV-Spannungsverteilung am Ladeanschluss. Hierfür sind die Spannungsmessvorrichtungen am Ladenanschluss mit der jeweiligen Potentialleitung verbunden.
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Bei der hier beschriebenen Lösung kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass die mittels der Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungen insbesondere wie folgt ausgewertet werden:
- - Ermittlung von Abweichungen aktuell anliegenden Spannungen dU von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung bezogen auf einen zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert, und/oder
- - Ermittlung von Spannungsänderungen dU/dt, d. h. über die Zeit, der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- - Beachtung des entgegengesetzten Vorzeichens, insbesondere bei den obigen beiden Ermittlungen, bezüglich der Auswertung der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- - Beachten einer zyklischen Wiederholung einer auftretenden Störung.
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Bei der hier beschriebenen Lösung kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass das für das öffnende Ansteuern des Trennelementes oder der Trennelemente vorgegebene Auslösekriterium eines der im Folgenden genannten ist oder die vorgegebenen Auslösekriterien eines oder mehrere der im Folgenden genannten umfassen:
- - eine Spannungsabweichung einer aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und einer zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung von einem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert,
- - Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung,
- - ein entgegengesetztes Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung, und/oder
- - ein Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement oder die Trennelemente ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn
- - die Spannungsabweichung der aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung von dem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- - die Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- - das entgegengesetzte Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung vorliegt.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement oder die Trennelemente ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn zusätzlich das Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien ermittelt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es somit, durch die Erkennung eines entstehenden Isolationsfehlers über die Messung der HV-Potentialverteilung die Trennelemente auf einen wesentlich geringeren Strom auszulegen. Dadurch können teure Trennelemente, wie beispielsweise Breaktor, Sicherungen, Pyrofuse, große Schütze oder mehrere MOSFETs parallel als Halbleitersicherung, vermieden werden. Das jeweilige Trennelement ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter ausgebildet, insbesondere als ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wobei das Trennelement, wie bereits erwähnt, nur auf den Ladestrom und nicht auf den Kurzschlussstrom ausgelegt werden muss.
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Der Vorteil der Verwendung eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) als Trennelement ist zudem eine dadurch ermöglichte Bidirektionalität, wodurch nicht nur das Laden der Traktionsbatterie über den Ladeanschluss ermöglicht wird, sondern auch umgekehrt eine elektrische Energieversorgung einer am Ladeanschluss angeschlossenen Einheit durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie. Dies wird auch als Buck-Betrieb bezeichnet und dient beispielsweise einer Rückspeisung elektrischer Energie in ein öffentliches Stromnetz oder ein Stromnetz eines Gebäudes, insbesondere über die Gleichstromladestation, oder der elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Geräts.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung können des Weiteren galvanisch gekoppelte Gleichspannungswandler verwendet werden, wobei die Gleichspannungswandler insbesondere ein Laden der Traktionsbatterie an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung ermöglichen, die geringer ist als die Batteriespannung der Traktionsbatterie, beispielsweise das Laden einer 800V-Traktionsbatterie an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung von 400V oder 500V, wobei in einem Fehlerfall, insbesondere bei dem oben beschriebenen Isolationsfehler, Beschädigungen und Gefährdungen von Personen vermieden werden. Dadurch sind keine anderen, wesentlich kostenintensiveren, Lösungen erforderlich, welche ebenfalls dieses Laden der Traktionsbatterie ermöglichen, beispielsweise der Einsatz einer Umschaltbatterie als Traktionsbatterie, der Einsatz eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers oder der Einsatz eines quasi-isolierten Gleichspannungswandlers.
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Die Verarbeitungseinheit ist beispielsweise zur analogen und/oder digitalen Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen ausgebildet und eingerichtet. Beispielsweise werden die analoge und digitale Auswertung gleichzeitig umgesetzt, insbesondere als Redundanz.
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Das jeweilige Trennelement kann beispielsweise zwischen dem Ladeanschluss und dem jeweiligen Gleichspannungswandler oder zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie angeordnet sein.
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Eine elektrische Verbindung der Spannungsmessvorrichtung oder der jeweiligen Spannungsmessvorrichtung mit der Potentialleitung kann beispielsweise am Ladeanschluss, zwischen dem Ladeanschluss und dem jeweiligen Gleichspannungswandler, zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie oder zwischen dem Ladeanschluss und der Traktionsbatterie angeordnet sein.
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Wenn nur ein Gleichspannungswandler und nur ein Trennelement vorgesehen sind, ist insbesondere vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler in der Pluspotentialleitung und das Trennelement in der Minuspotentialleitung angeordnet ist oder dass der Gleichspannungswandler in der Minuspotentialleitung und das Trennelement in der Pluspotentialleitung angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs,
- 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs, und
- 3 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines elektrischen Bordnetzes 1 eines Fahrzeugs 2, welches im jeweils dargestellten Beispiel über ein Ladekabel 3 mit einer Gleichstromladestation 4 verbunden ist. Das elektrische Bordnetz 1 ist insbesondere als ein Hochvoltbordnetz ausgebildet. Unter dem Begriff „Hochvolt“, im Folgenden auch mit HV abgekürzt, ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
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Das Fahrzeug 2 ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, d. h. es weist zu seinem Antrieb mindestens eine elektrische Antriebsmaschine auf. Zur elektrischen Energieversorgung dieser mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine weist das elektrische Bordnetz 1 eine Traktionsbatterie 5 auf.
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Das elektrische Bordnetz 1 weist des Weiteren einen Ladeanschluss 6 zum elektrischen Koppeln mit der fahrzeugexternen Gleichstromladestation 4 auf. Dies erfolgt über das Ladekabel 3, welches hierfür mit der Gleichstromladestation 4 und dem Ladeanschluss 6 elektrisch gekoppelt wird oder ist.
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Das elektrische Bordnetz 1 weist zudem eine Pluspotentialleitung HV+L, eine Minuspotentialleitung HV-L und eine Bezugspotentialleitung ML auf. Des Weiteren sind insbesondere ein Isolationswiderstand Riso+ zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML, ein Isolationswiderstand Riso- zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML, ein Y-Kondensator C+ zwischen Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und ein Y-Kondensator C- zwischen Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML vorgesehen.
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In der Ausführungsform gemäß 1 ist sowohl in der Pluspotentialleitung HV+L als auch in der Minuspotentialleitung HV-L jeweils ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 2 ist nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+ angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 3 ist nur in der Minuspotentialleitung HV-L ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC- angeordnet.
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Der Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- oder die beiden Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- ermöglicht/ermöglichen insbesondere das Laden der Traktionsbatterie 5 mit einer Ladespannung der Gleichstromladestation 4, die kleiner ist als eine Batteriespannung der Traktionsbatterie 5, beispielsweise das Laden einer 800V-Traktionsbatterie mit einer Ladespannung von 400V oder 500V. Insbesondere durch die Ausgestaltung des oder des jeweiligen Gleichspannungswandlers DC/DC+, DC/DC- als gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- wird des Weiteren auch eine elektrische Energieversorgung einer, insbesondere mittels des Ladekabels 3, am Ladeanschluss 6 angeschlossenen Einheit durch die Traktionsbatterie 5 ermöglicht. Dies wird auch als Buck-Betrieb bezeichnet und dient beispielsweise einer Rückspeisung elektrischer Energie in ein öffentliches Stromnetz oder ein Stromnetz eines Gebäudes, insbesondere über die Gleichstromladestation 4, oder der elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Geräts.
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Problematisch bei der beschriebenen Kopplung des Bordnetzes 1 mit der Gleichstromladestation 4 über das Ladekabel 3 ist, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers im Fahrzeug 2, insbesondere zwischen einer der Potentialleitungen HV+L, HV-L und einem Chassis des Fahrzeugs 2, als direkte Folge ein weiterer Isolationsfehler im entgegengesetzten elektrischen Potential auf Seiten der Gleichstromladestation 4 eintreten kann, insbesondere zu einem Metallgehäuse der Gleichstromladestation 4, da dann die hohe Batteriespannung von beispielsweise 800V an der für eine niedrigere Ladespannung ausgelegten Gleichstromladestation 4 anliegt, wodurch die Isolation in der Gleichstromladestation 4 überlastet wird. Dadurch wird ein Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 erzeugt, der im so genannten CHAdeMO-Ladestandard zu einer Zerstörung einer Massepotentialleitung im Ladekabel 6 führt, denn diese Massepotentialleitung ist nur sehr dünn ausgeführt.
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Daher wird im Folgenden anhand der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 eine Lösung beschrieben, die es ermöglicht, den im Fahrzeug 2 auftretenden Isolationsfehler bereits während seiner Entstehung zu erkennen und darauf rechtzeitig zu reagieren, um den Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 zu vermeiden. Hierfür sind eine Spannungsmessvorrichtung SV1 zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und eine Spannungsmessvorrichtung SV2 zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML vorgesehen.
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Des Weiteren ist in der Ausführungsführungsform gemäß 1 in der Pluspotentialleitung HV+L ein Trennelement T+ angeordnet und in der Minuspotentialleitung HV-L ein Trennelement T- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 2, in welcher nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein Gleichspannungswandler DC/DC+ angeordnet ist, ist nur in der Minuspotentialleitung HV-L ein Trennelement T- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß 3, in welcher nur in der Minuspotentialleitung HV-L ein Gleichspannungswandler DC/DC- angeordnet ist, ist nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein Trennelement T+ angeordnet.
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Anstelle der beiden Spannungsmessungen mittels der beiden Spannungsmessvorrichtungen SV1, SV2 kann beispielsweise auch nur eine Spannungsmessung eines der Potentiale zum Bezugspotential vorgesehen sein. Somit ist die eine Spannungsmessvorrichtung SV1, SV2 dann zwischen einer der Potentialleitungen HV+L, HV-L und dem Bezugspotential ML angeordnet. Nachteilig ist hierbei aber eine Störanfälligkeit einer im Folgenden beschriebenen Auswertung und Ansteuerung des einen Trennelements T+, T- oder der beiden Trennelemente T+, T-.
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Für diese Auswertung und Ansteuerung ist eine mit der einen Spannungsmessvorrichtung SV1, SV2 oder mit den beiden Spannungsmessvorrichtungen SV1, SV2 und mit dem einen Trennelement T+, T- oder mit den beiden Trennelementen T+, T- gekoppelte Verarbeitungseinheit 7 vorgesehen, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen und zur öffnenden Ansteuerung des Trennelements T+, T- oder der Trennelemente T+, T-. Es ist ein Auslösekriterium vorgegeben oder es sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen. Die Verarbeitungseinheit 7 ist ausgebildet und eingerichtet, das eine Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- bei einem ermittelten Eintritt des vorgegebenen Auslösekriteriums oder eines der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien oder aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern, wodurch die Traktionsbatterie 5 von der Gleichstromladestation 4 getrennt wird.
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Die beschriebene Lösung beruht auf dem Prinzip, dass, bevor der Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 entsteht, stets in einem ersten Schritt eine Spannungsüberlastung der Isolation in der Gleichstromladestation 4 eintritt. Im Folgenden werden Ursachen für diese Überlastung beschrieben. Bei einem allmählich entstehenden Isolationsfehler im Fahrzeug 2 verändert sich die HV-Potentialverteilung langsam. Bei einem sofortigen niederohmigen Isolationsfehler im Fahrzeug 2 verändert sich die HV-Potentialverteilung sehr schnell. Bei einer Potentialverschiebung aufgrund eines Umladevorgangs durch einen Isolationswächter verändert sich die HV-Potentialverteilung mit der Zeitkonstante, die sich aus einer Gesamtkapazität des HV-Systems, den Isolationswiderständen Riso+, Riso- und dem Widerstand aufgrund des Verschiebestroms des Isolationswächters ergibt.
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Ziel der beschriebenen Lösung ist es somit, anhand der Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential eine drohende Überlastung der Isolation in der Gleichstromladestation 4 zu erkennen und schon die HV-Systeme des Fahrzeugs 2 und der Gleichstromladestation 4 zu trennen, d. h. das eine Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- zu öffnen, bevor die Überlastung eintritt. Somit kann stromfrei getrennt werden und das Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- kann/können klein ausgeführt werden, da lediglich eine Auslegung auf einen Nutzstrom erforderlich ist und keine Auslegung auf den Kurzschlussstrom erfolgen muss. Das eine Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- kann/können dadurch beispielsweise jeweils als Halbleiterschalter, beispielsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wie hier dargestellt, oder als pyrotechnisches Trennelement ausgebildet sein.
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Tritt die Überlastung schlagartig ein, so muss die Reaktion durch das Öffnen des Trennelements T+, T- oder der beiden Trennelemente T+, T- ebenfalls sehr schnell erfolgen. Auch hier kann eine Auswertung der Spannung der HV-Potentiale bezogen auf das Bezugspotential herangezogen werden. Die Trennelemente T+, T- müssen jedoch möglichst schnelle Bauteile sein. Hierfür bieten sich die oben beschriebenen Ausgestaltungen an. Die Auswertung der Spannungsmessungen und der Rückschluss auf den Fehlerwiderstand, genauer gesagt auf die Zeitkonstante t=R * C, kann dabei gestaltet werden wie in
DE 10 2021 003 830 beschrieben. Der Vorteil dabei ist, dass selbst bei einem schlagartigen Isolationsfehler der Stromkreis der Traktionsbatterie 5 getrennt werden kann, obwohl noch gar keine Spannungsüberlastung der Isolation der Gleichstromladestation 4 erfolgt und somit auch noch bevor der Kurzschlussstrom sich aufbaut.
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Durch die Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential und deren Auswertung kann auf folgende Ereignisse und somit auf folgende Auslösekriterien reagiert werden:
- - Ein kritischer Isolationsfehler entsteht, wenn am Ladeanschluss 6 die Spannung zwischen einem HV-Potential und dem Bezugspotential über einen festgelegten Schwellwert von beispielsweise 500V ansteigt.
- - Die betragsmäßige Spannungserhöhung von einem HV-Potential zum Bezugspotential ist bei einem Isolationsfehler immer verbunden mit einer betragsmäßigen Reduzierung der Spannung des zweiten HV-Potentials zum Bezugspotential. Mit einer logischen Und-Verknüpfung dieser beiden Ereignisse können EMV-Störungen (Common-Mode) zum Teil unterdrückt werden.
- - Durch die Zeitkonstante der Umladung der HV-Potentiale kann auf den Widerstand des Isolationsfehlers geschlossen werden. Somit kann schon ein entstehender Isolationsfehler erkannt werden, obwohl die Belastungsgrenze der Isolation in der Gleichstromladestation 4 noch gar nicht erreicht wurde. Durch das Verfahren der Auswertung, wie in DE 10 2021 003 830 beschrieben, kann dabei der Isolationsfehler sicher unterschieden werden von EMV-Störungen oder dem Einfluss des Isolationswächters.
- - Bei einer in den 1 bis 3 dargestellten Spannungsmessung können die Potentialverschiebungen der Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- zurückgerechnet werden, um auf die HV-Potentialverteilung am Ladeanschluss 6 zu schließen. Alternativ kann die Spannungsmessung und somit die Messung der HV-Spannungsverteilung am Ladeanschluss 6 erfolgen.
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Zu den dargestellten Ausführungsformen sei noch angemerkt, dass das jeweilige Trennelement T+, T- hier zwischen dem Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- und der Traktionsbatterie 5 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Traktionsbatterie 5 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann das jeweilige Trennelement T+, T- beispielsweise auch zwischen dem Ladeanschluss 6 und dem jeweiligen Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet sein. Des Weiteren ist in den dargestellten Ausführungsformen eine elektrische Verbindung der Spannungsmessvorrichtung SV1, SV2 oder der jeweiligen Spannungsmessvorrichtung SV1, SV2 mit der Potentialleitung HV+L, HV-L zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- und der Traktionsbatterie 5 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Traktionsbatterie 5 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann sie auch am Ladeanschluss 6 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und dem jeweiligen Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bordnetz
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Ladekabel
- 4
- Gleichstromladestation
- 5
- Traktionsbatterie
- 6
- Ladeanschluss
- 7
- Verarbeitungseinheit
- C+, C-
- Y-Kondensator
- DC/DC+, DC/DC-
- Gleichspannungswandler
- HV+L
- Pluspotentialleitung
- HV-L
- Minuspotentialleitung
- ML
- Bezugspotentialleitung
- Riso+, Riso-
- Isolationswiderstand
- SV1, SV2
- Spannungsmessvorrichtung
- T+, T-
- Trennelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019008833 A1 [0002]
- DE 102021003830 [0003, 0014, 0015, 0043, 0044]
- DE 102017009352 A1 [0004]
