DE102022100846A1

DE102022100846A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie

Info

Publication number: DE102022100846A1
Application number: DE102022100846.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Neitz; Alexander Matthias
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023134891A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (2), aufweisend die Schritte:- Bereitstellen der Hochvoltbatterie (2) mit einer Batterienennspannung (Ubat),- Bereitstellen einer Ladestation (3) mit einer Ladenennspannung (Uc), die kleiner ist als die Batterienennspannung,- Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5), um einen gemeinsamen Schutzleiter (PE) auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation (3) symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung an einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und die Hälfte der Ladenennspannung an einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) bereitstellt,- Angleichen einer Spannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) an die halbe Ladenennspannung durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms (Id),- elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und elektrisches Verbinden des zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN), wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) aufwärtsgewandelt wird, und- Steuern des Ableitstroms mittels einer Widerstandsregelung.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (1) zum Laden einer Hochvoltbatterie (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie, insbesondere Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs, sowie eine Vorrichtung zum Laden einer solchen Hochvoltbatterie.
Elektrofahrzeuge (EV) wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) oder Batterie-Elektrofahrzeugs (BEV) weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) als Energiespeicher mit einer Nennspannung von beispielsweise 400 V oder 800 V auf. Als Hochvoltspannung oder Hochvoltpotenzial (hierin auch kurz HV-Potenzial bezeichnet) wird vorliegend - wie auch im Automotive-Bereich üblich - eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1500 V. Als Niedervoltspannung bzw. Niedervoltpotenzial wird eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V. Die Begriffe Hochvolt- und Niedervoltspannung werden im Zusammenhang mit der hierin offenbarten Erfindung synonym zu den Begriffen Hochvolt- bzw. Niedervoltpotenzial mit den vorstehend angegebenen Spannungsebenen bzw. Spanungsbereichen verwendet.
Es ist allgemein bekannt, in Hochspannungsnetzen Isolationsüberwachungsgeräte, oder sogenannte „ISO-Wächter“ zur Messung eines Isolationswiderstandes zwischen PE (Schutzleiter) und die Hochspannung führenden Leitungen einzusetzen, um die Betriebssicherheit des Hochspannungsnetzes sicherstellen zu können. Ist der aus der Messung ermittelte Isolationswiderstand zu niedrig, kann ein Sicherheitsmechanismus die Stromübertragung im Netz unterbrechen, z. B. durch Öffnen eines Schalters, Relais o. ä,
Wenn ein Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie, z. B. einer Batterie mit einer Nennspannung von 800 V, an einer Ladestation geladen wird, die eine niedrigere Ladespannung als die Batterienennspannung bereitstellt, d. h. im gegebenen Beispiel niedriger als 800 V, zum Beispiel 400 V, ist es ebenfalls üblich, einen DC/DC-Aufwärtswandler zu verwenden, um die von der Ladestation bereitgestellte Spannung so umzuwandeln, dass sie der Nennspannung der Hochvoltbatterie des Elektrofahrzeugs entspricht. Ein derartiger Gleichspannungswandler kann zum Beispiel im Elektrofahrzeug bereitgestellt sein.
Je nach Schaltungstopologie kann der Anschluss der Hochvoltbatterie mit einer höheren Nennspannung als die von der Ladestation bereitgestellte Ladespannung zu einer Asymmetrie, d. h. einer Verschiebung des elektrischen Potenzials, zwischen den Hochvoltpotenzialen und der Schutzerde (PE) führen. In der Folge kann der zulässige Bereich einer Isolationsspannung überschritten werden. Darüber hinaus kann ein ISO-Wächter - insbesondere bei dynamischen Ausgleichsvorgängen beispielsweise zu Beginn eines Ladevorgangs - einen falschen Isolationswiderstand berechnen. Der ISO-Wächter, der den Isolationswiderstand zwischen Schutzerde (PE) und der Hochvoltseite, (HV) überwacht, interpretiert einen hohen Stromanstieg als Folge der Asymmetrie als einen fehlerhaften Isolationswiderstand und bricht den Ladevorgang ab. Somit können Elektrofahrzeuge mit Hochvoltbatterien, die eine höhere Batterienennspannung aufweisen als eine von einer Ladestation bereitgestellte Ladespannung, an solchen Ladestationen nicht oder zumindest nicht zuverlässig geladen werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Ladevorrichtung bereitzustellen, die jeweils ein Laden einer Hochvoltbatterie an einer Ladestation, die eine niedrigere Ladenennspannung als die Nennspannung der Hochvoltbatterie bereitstellt, ermöglichen, wobei das Laden sicher, stabil, zuverlässig und energieeffizient erfolgen soll. Zudem sollen das Ladeverfahren und die Ladevorrichtung technisch einfach und kostengünstig implementierbar sein sowie kompakt und mit geringem Gewicht bauen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-1.0 % zu verstehen.
Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, sind im Rahmen der Erfindung so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als z. B. „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ u. dgl. anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (z. B. eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs) die Hochvoltbatterie mit einer Batterienennspannung (z. B. 800 V) bereitgestellt und eine Ladestation mit einer Ladenennspannung (z. B. 400 V), die kleiner ist als die Batterienennspannung. Die Hochvoltbatterie kann ohne Beschränkung hierauf beispielsweise vorgesehen sein, ein Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs zu versorgen, beispielsweise einen Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder Batterie-Elektrofahrzeug (BEV).
Weiter weist das Verfahren ein elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss auf, um einen gemeinsamen Schutzleiter (auch mit „PE“ oder „Protective Earth“ bezeichnet) dazwischen auszubilden. Auf den Schutzleiter bezogen stellt die Ladestation symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. positives HV-Potenzial) und dem Schutzleiter und die Hälfte der Ladenennspannung zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. negatives HV-Potenzial) und dem Schutzleiter bereit.
Weiterhin sieht das Verfahren vor, eine Spannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. positives HV-Batteriepotenzial) und dem Schutzleiter an die halbe Ladenennspannung durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter anzugleichen. Des Weiteren wird das erste stationsseitige Hochvoltpotenzial mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial elektrisch verbunden, und das zweite stationsseitige Hochvoltpotenzial wird mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. negatives HV-Batteriepotenzial), wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter auf eine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter aufwärtsgewandelt wird (z. B. mittels eines einzigen DC/DC-Wandlers), um elektrische Energie von der Ladestation in die Hochvoltbatterie zu übertragen (hierin auch als Ladevorgang bezeichnet).
Der Ableitstrom wird beim Ladevorgang mittels einer Widerstandsregelung eines funktional zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter wirkenden Ableitwiderstands gesteuert. Der Widerstandswert des Ableitwiderstands ist stets durch die elektrischen Größen Strom und Spannung bestimmt. Die Spannung zwischen dem batterieseitigen HV-Potenzial und dem Schutzleiter ist im Wesentlichen eine Gleichspannung, die ggfs. eine gewisse (Rest-)Welligkeit aufweisen kann. In anderen Worten gehen in die Widerstandsregelung sowohl ein Spannungswert, z. B. die augenblickliche Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen HV-Potenzial und dem Schutzleiter, sowie ein Stromwert, z. B. der augenblickliche Wert des Ableitstroms, ein.
Grundsätzlich gilt, dass beim Laden einer Hochvoltbatterie an einer Ladestation stationsseitig die PE-Symmetrie gewährleistet sein muss, das heißt, dass die Spannung zwischen dem ersten HV-Potenzial der Ladestation und dem Schutzleiter betragsmäßig im Wesentlichen der Spannung zwischen dem zweiten HV-Potenzial der Ladestation und dem Schutzleiter entspricht. Gewöhnlich ist eine Restwelligkeit des auf dem Schutzleiter geführten Spannungspotenzials zu beobachten, die einen zuverlässigen Ladebetrieb, insbesondere hierbei das Einhalten der stationsseitigen PE-Symmetrie, erschwert und einen möglichen Betriebsbereich einer Ladeschaltung deutlich einengt.
Mittels der Widerstandsregelung, d. h. des über die Widerstandsregelung gesteuerten Ableitstroms, ermöglicht es die Erfindung in überraschender Weise, die stationsseitige PE-Symmetrie bei einem Ladevorgang der vorbeschriebenen Art (d. h. Batterienennspannung > Ladenennspannung) zuverlässig, stabil und präzise herzustellen und während des gesamten Ladevorgangs aufrechtzuerhalten.
Insbesondere ermöglicht die Widerstandsregelung, die PE-Symmetrie unabhängig von einem augenblicklichen Spannungsniveau der Hochvoltbatterie konstant zu halten. Eine Überwachung eines Isolationswiderstands zwischen den batterieseitigen Hochvoltpotenzialen und dem Schutzleiter (z. B. mittels ISO-Wächter) kann im Wesentlichen unbeeinflusst von dem erzwungenen Angleichen der jeweiligen batterieseitigen Hochvoltpotenziale an die stationsseitige PE-Symmetrie zuverlässig durchgeführt werden.
Im Gegensatz zur hierin offenbarten, erfindungsgemäßen Steuerung des Ableitstroms mittels der Widerstandsregelung erfordert zum Beispiel eine Konstantstromregelung, dass der für die Regelung erforderliche Sollstrom fortwährend an eine aktuelle Hochspannungslage (d. h. Spannung zwischen HV-Potenzial und PE) angepasst werden muss. Zu diesem Zweck muss dem Stromregelkreis zusätzliche ein Spannungsregelkreis mit einem wesentlich langsameren dynamischen Verhalten überlagert werden, der dafür sorgt, dass eine herkömmliche Isolationsüberwachung keine zu hohe Stromänderung detektiert, die als eine fehlerhafte Isolierung der Ladeschaltung interpretiert werden würde, was einen Abbruch des Ladevorgangs zur Folge hätte.
Eine derart überlagerte Spannungsregelschleife sieht die Erfindung nicht vor, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch einfacher zu implementieren ist.
Das Laden von Hochvoltbatterien, wie beispielsweise 800 V-Batterien, an Ladestationen mit einer geringeren Ladenennspannung, z. B. 400 V, kann mit der vorliegenden Erfindung zuverlässig durchgeführt werden. Unabhängig von der Höhe der tatsächlichen Batterienennspannung größer als die Ladenennspannung kann die technische Kompatibilität auf zahlreiche weitere Ladestationen erweitert bzw. sichergestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Spannung (d. h. Messspannung) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter gemessen wird und der zu dieser Spannung gehörende Ableitstrom gemessen wird (d. h. Messstrom) und hieraus eine Widerstands-Sollwertvorgabe (d. h. Sollwiderstand) für die Widerstandsregelung des Ableitwiderstands berechnet wird. Die Messspannung und der Messstrom stellen Ist-Werte der jeweiligen physikalischen Größen dar. Die Spannungsmessung kann wahlweise aktivierbar und deaktivierbar sein, ohne zwingend auf eine Zu- und Abschaltbarkeit beschränkt zu sein. Bevorzugt erfolgt die Spannungsmessung hochohmig, z. B. mit einem Eingangswiderstand von wenigstens 10 MΩ oder einigen wenigen Vielfachen von 10 MΩ, z. B. 20 MΩ, 30 MΩ, 40 MΩ oder 50 MΩ einschließlich der Zwischenwerte. Dies stellt sicher, dass die Spannungsmessung eine Bestimmung und Überwachung des Isolationswiderstands und damit eine zuverlässige Durchführung des Ladevorgangs im Wesentlichen nicht negativ beeinflusst.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird ein Sollwiderstand des Ableitwiderstands nach einem Abklingen eines transienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung (d. h. des Ladevorgangs), nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist, aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Ableitstrom berechnet wird und bei der nachfolgenden Steuerung des Ableitstroms konstant gehalten. Demnach wird der Sollwiderstand nach Einregeln der Spannungslagen automatisch anhand der Spannungs- und Strommesswerte errechnet und anschließend in den zulässigen Grenzen eingestellt. Während des Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung (d. h. kurz nach dem Einschalten des Ladevorgangs) kann der Sollwiderstand dynamisch verändert werden, wobei dieser vorzugsweise nach unten durch einen vorherbestimmten, konstanten Minimalwert begrenzt wird, den der für die Widerstandsregelung verwendete Sollwiderstand nicht unterschreiten kann. Insgesamt kann hierdurch das Konvergenzverhalten der Widerstandsregelung weiter verbessert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Isolationswiderstand zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung (z. B. ISO-Wächter) ermittelt und überwacht wird, wobei der Isolationsüberwachungseinrichtung der berechnete Ableitwiderstand bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die Isolationsüberwachungseinrichtung unmittelbar aus dem übermittelten Ableitwiderstand und dem ermittelten Isolationswiderstand den Gesamtisolationswiderstand der Schaltung bestimmen. In anderen Worten wird der augenblickliche Widerstandswert des Ableitwiderstands von der Isolationsüberwachungseinrichtung berücksichtigt, um den augenblicklichen Gesamtisolationswiderstand der Schaltung zu berechnen. Der Gesamtisolationswiderstand kann genau, schnell und ohne zusätzlichen Aufwand bestimmt werden.
Zu weiteren Verbesserung der Widerstandsregelung kann die gemessene Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter vor der Berechnung des Ableitwiderstands mittels eines Tiefpassfilters gefiltert werden, um hochfrequente Störungen im Messsignal wirksam zu unterdrücken und die Widerstandsregelung weiter zu stabilisieren,
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Tiefpassfilter wahlweise mit einer ersten Grenzfrequenz und einer zweiten Grenzfrequenz betrieben wird, wobei die erste Grenzfrequenz größer ist als die zweite Grenzfrequenz und der Tiefpassfilter mit der ersten Grenzfrequenz während eines transienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung bzw. des Ladevorgangs betrieben wird und der Tiefpassfilter mit der zweiten Grenzfrequenz betrieben wird, nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist. Auf diese Weise wird der hohen Dynamik zu Beginn des Ladevorgangs Rechnung getragen und eine schnelle und zuverlässige Konvergenz der Widerstandsregelung erreicht.
Optional kann die Widerstandsregelung eine Widerstandsdriftkompensation aufweisen, die eine schleichende (d. h. im Vergleich zu einer Zeitdauer eines einzigen Ladevorgangs wesentlich langsamer auftretende) Widerstandsveränderung eines Isolationswiderstands zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter bei der Bestimmung des Ableitwiderstands automatisch ausgleicht. Hierunter ist insbesondere eine auf Alterung beruhende Änderung von Materialeigenschaften des Isolationswiderstands zu verstehen, die bei nachlassender Isolationswirkung beispielsweise zu unerwünschten Kriechströmen führen können und den wirksamen Isolationswiderstand verringern. Die Widerstandsregelung zur Steuerung des Ableitstroms kann selbst bei Vorgabe eines konstanten Sollwiderstands auf diese Weise automatisch an die schleichende Widerstandsveränderung des Isolationswiderstands angepasst werden und die Betriebszuverlässigkeit weiter erhöhen. Der hier erwähnte Isolationswiderstand kann mit dem von einer Isolationsüberwachungseinrichtung - wie vorstehend bereits beschrieben - bestimmten Isolationswiderstand übereinstimmen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Ableitstrom mittels eines Transistors in einem linearen Betriebsbereich (d. h. außerhalb eines gesättigten Zustands) gesteuert. Transistorbauelemente, z. B. Leistungshalbleiter wie FET oder MOSFET, die hohe Ströme schalten und leiten können, sind allgemein gut verfügbar. Daher kann die Stromableitung mit geringen Kosten implementiert werden. Darüber hinaus erlaubt der Transistor eine hochdynamische Steuerung des Ableitstroms, die eine mögliche Unterbrechung des Ladevorgangs durch einen fälschlicherweise zu gering ermittelten Isolationswiderstand zuverlässig verhindert, insbesondere während eines transienten Einschaltvorgangs zum Beispiel unmittelbar nach Beginn des Ladevorgangs (d. h. Energieübertragung).
Da der Transistor den Ableitstrom nur zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter steuert, liegt die zu schaltende maximale Spannung über dem Transistor in der Größenordnung von lediglich der halben Ladenennspannung. Daher können in vorteilhafter Weise Transistoren mit einer geringeren Belastbarkeit zur Steuerung des Ableitstroms verwendet werden, bei durchzuführenden Ladevorgängen an 400 V-Ladestationen zum Beispiel Transistoren vom 650 V-Typ anstelle von üblicherweise 1200 V-Transistoren.
Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit kann der Transistor bei Auftreten einer Überspannung zwischen einem den Ableitstrom aufnehmenden Eingangsanschluss (z. B. Drain- oder Source-Anschluss) und einem den Ableitstrom abgebenden Ausgangsanschluss (d. h. Source- bzw. Drain-Anschluss) mittels einer Klemmschaltung kurzgeschlossen werden.
Die Widerstandsregelung kann bevorzugt mittels einer digitalen Verarbeitungseinheit, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller etc. ausgeführt werden. Die Widerstandsregelung selbst kann in diesem Fall ausschließlich in Software implementiert sein. Hierdurch lässt sich eine hohe Flexibilität und einfache Anpassbarkeit der Erfindung an unterschiedliche Einsatzzwecke erreichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie, z. B. eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, mit einer Batterienennspannung (z. B. 800 V) an einer Ladestation mit einer Ladenennspannung (z. B. 400 V), die kleiner ist als die Batterienennspannung, einen batterieseitigen Schutzleiteranschluss zum Verbinden mit einem stationsseitigen Schutzleiteranschluss auf, um bei einer Verbindung einen gemeinsamen Schutzleiter dazwischen auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. positives HV-Potenzial) und dem Schutzleiter und die Hälfte der Ladenennspannung zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. negatives HV-Potenzial) und dem Schutzleiter bereitstellt.
Die Hochvoltbatterie kann ohne zwingende Beschränkung hierauf beispielsweise vorgesehen sein, ein Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs zu versorgen, beispielsweise einen Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder Batterie-Elektrofahrzeug (BEV).
Weiterhin weist die Vorrichtung erfindungsgemäß einen ersten batterieseitigen, mit einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. positives HV-Batteriepotenzial) verbundenen Ladeanschluss zum Verbinden mit dem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial auf und einen zweiten batterieseitigen, mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. negatives HV-Batteriepotenzial) verbundenen Ladeanschluss zum Verbinden mit dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial sowie einen Aufwärtswandler (z. B. DC/DC-Wandier), um eine Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter auf eine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter zu wandeln.
Darüber hinaus weist die Ladevorrichtung eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen, um durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms mittels einer Widerstandsregelung eines funktional zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter wirkenden Ableitwiderstands eine Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter an die halbe Ladenennspannung der Ladestation anzugleichen.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als digitalen Verarbeitungseinheit, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller, digitaler Signalprozessor (DSP) etc., ausgeführt sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich vorrichtungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile vorrichtungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstands ist ferner eine Isolationsüberwachungseinrichtung zur Ermittlung und Überwachung eines Isolationswiderstands zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiter vorgesehen. Die Isolationsüberwachungseinrichtung gewährleistet zuverlässig die Betriebssicherheit während eines Ladevorgangs, indem der Ladevorgang bei Unterschreiten eines kritischen Widerstandswerts des Isolationswiderstands abgebrochen wird.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht einen in einem Linearbereich (d. h. außerhalb eines gesättigten Zustands) betreibbaren Transistor (z. B. Leistungshalbleiter wie FET, MOSFET etc.) zur Steuerung des Ableitstroms vor.
Darüber hinaus kann eine Klemmschaltung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, bei Auftreten einer Überspannung zwischen einem den Ableitstrom aufnehmenden Eingangsanschluss (z. B. Drain-Anschluss) des Transistors und einem den Ableitstrom abgebenden Ausgangsanschluss (z. B. Source-Anschluss) des Transistors den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss kurzzuschließen, um die Betriebssicherheit der Vorrichtung weiter zu erhöhen.
In diesem Sinne kann vorteilhaft auch ein steuerbares Schaltelement (z. B. Relais) zum wahlweisen galvanischen Trennen des Transistors vom ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und/oder vom zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial bereitgestellt sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie an einer Ladestation gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
2 die Vorrichtung aus 1 in einem zweiten Betriebszustand,
3 die Vorrichtung aus 1 in einem dritten Betriebszustand,
4 die Vorrichtung aus 1 in einem vierten Betriebszustand,
5 eine detaillierte Ansicht eines Teils der Vorrichtung aus 4,
6 ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Laden einer Hochvoltbatterie an einer Ladestation gemäß der Erfindung und
7 ein Funktionsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Laden einer Hochvoltbatterie an einer Ladestation gemäß der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt ein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Laden einer Hochvoltbatterie 2 an einer Ladestation 3 gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand dar. Die 2, 3 und 4 stellen die Vorrichtung 1 jeweils in einem zweiten, dritten bzw. vierten Betriebszustand dar. Sie dienen dazu, ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Laden der Hochvoltbatterie 2 an der Ladestation 3 gemäß der Erfindung darzustellen.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 wird vorliegend beispielhaft und ohne zwingende Beschränkung hierauf in einem Elektrofahrzeug 4 (z. B. HEV oder BEV), verwendet, um die HV-Batterie 2, die hier beispielsweise eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs 4 ist, an der Ladestation 3 zu laden. Die HV-Batterie 2 weist zum Beispiel eine Batterienennspannung von 800 V auf. Eine zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVN bereitgestellte Batteriespannung ist in den Fig. mit U_bat bezeichnet. Die Ladestation 3 weist zum Beispiel eine max. Ladenennspannung von 400 V auf. Eine zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV- bereitgestellte Ladespannung ist in den Fig. mit U_c bezeichnet.
Des Weiteren ist in 1 sowohl stationsseitig als auch batterieseitig ein Schutzleiter PE zu erkennen. Beide Schutzleiterteile sind über einen stationsseitigen Schutzleiteranschluss (nicht explizit dargestellt) mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss 5 elektrisch verbindbar, um einen gemeinsamen Schutzleiter PE dazwischen auszubilden, wie in 2 dargestellt ist.
Bezogen auf den Schutzleiter PE stellt die Ladestation 3 symmetrisch jeweils die Hälfte U_c/2 der Ladespannung U_c zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und dem Schutzleiter PE und die Hälfte U_c/2 der Ladenspannung U_c zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV- und dem Schutzleiter (PE) bereit.
Batterieseitige Ladeanschlüsse 6 und 7 zum elektrischen Verbinden des ersten batterieseitigen HV-Potenzials HVP mit dem ersten stationsseitigen HV-Potenzial HV+ bzw. zum elektrischen Verbinden des zweiten batterieseitigen HV-Potenzials HVN mit dem zweiten stationsseitigen HV-Potenzial HV- sind in 1 ebenfalls dargestellt.
Die Ladevorrichtung 1 aus 1 weist ferner einen DC/DC-Aufwärtswandler 8 auf, der in Reihe zwischen dem zweiten Ladeanschluss 7 und dem zweiten batterieseitigen HV-Potenzial HVN geschaltet ist. Der DC/DC-Aufwärtswandler 8 ist so konfiguriert, dass er die DC-Ladespannung U_c (im vorliegenden Fall 400 V) auf die Batterienennspannung U_bat (im vorliegenden Fall 800 V) anhebt, d. h. der DC/DC-Aufwärtswandler 8 hebt die von der Ladestation 3 bereitgestellte Spannung im vorliegenden Fall um 400 V an, d. h. die Step-Up-Spannung U_boost beträgt in dem in 1 dargestellten Beispiel 400 V.
Aus Sicherheitsgründen werden in Hochvoltnetzen wie dem von der Ladestation 3 und der HV-Batterie 2 während eines Ladevorgangs temporär gebildeten Netz üblicherweise Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 oder sogenannte ISO-Wächter zur Bestimmung und Überwachung eines Isolationswiderstands R_isoP, R_isoN zwischen PE und dem entsprechenden batterieseitigen HV-Potenzial HVP bzw. HVN eingesetzt, wie in 1 dargestellt ist. Wenn die ermittelten Isolationswiderstände R_isoP, R_isoN unter vorgegebene Widerstandsschwellenwerte fallen, wird ein Sicherheitsmechanismus (nicht dargestellt) ausgelöst, um eine Energieübertragung (vgl. 4) zwischen der Ladestation 3 und der HV-Batterie 2 unmittelbar zu unterbrechen, z. B. durch Öffnen eines Schalters, Relais und dergleichen. Es versteht sich, dass die Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 Bestandteile der Ladevorrichtung 1 sein können. Die Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Die Überwachungseinrichtungen 9 können Komponenten sein, die außerhalb der Ladevorrichtung 1 vorgesehen sind, also nicht in der Ladevorrichtung 1 selbst enthalten sind.
Die jeweiligen Isolationswiderstände R_isoP, R_isoN werden von den batterieseitigen Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 überwacht. Obwohl in 1 nicht dargestellt, versteht es sich, dass ähnliche Isolationsüberwachungseinrichtungen auch in der Ladestation 3 vorgesehen sein können.
In der in 1 dargestellten Situation liegt die Batteriespannung U_bat bezogen auf den Schutzleiter PE zur Hälfte zwischen dem HV-Potenzial HVP und PE (d. h. U_bat/2) und zur anderen Hälfte zwischen dem HV-Potenzial HVN und PE (d. h. U_bat/2) an, wie in 1 dargestellt ist.
Ferner zeigt 1 einen funktionalen Ableitwiderstand 10 der beispielhaften Ladevorrichtung 1, der in 5 detailliert dargestellt ist und bei der Beschreibung von 5 ausführlicher dargelegt werden wird.
Anhand der 1 bis 4 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer Hochvoltbatterie (z. B. HV-Batterie 2) beschrieben, das die Schritte aufweist:

- Bereitstellen der Hochvoltbatterie 2 mit einer Batterienennspannung U_bat (vgl. 1),
- Bereitstellen einer Ladestation (z. B. Ladestation 3) mit einer Ladenennspannung U_c, die kleiner ist als die Batterienennspannung (vgl. 1),
- elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (z. B. Anschluss 5), um einen gemeinsamen Schutzleiter PE dazwischen auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation 3 symmetrisch jeweils die Hälfte U_c/2 der Ladenennspannung U_c zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und dem Schutzleiter PE und die Hälfte U_c/2 der Ladenennspannung U_c zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV- und dem Schutzleiter PE bereitstellt (vgl. 2),
- Angleichen einer Spannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE an die halbe Ladenennspannung (U_c/2) durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms I_d zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE (vgl. 3),
- elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV+ mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und elektrisches Verbinden des zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV- mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVN, wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV- und dem Schutzleiter PE auf eine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVN und dem Schutzleiter PE aufwärtsgewandelt wird (z. B. mittels des DC/DC-Wandlers 8), um elektrische Energie von der Ladestation 3 in die Hochvoltbatterie 2 zu übertragen (vgl. 4), und
- Steuern des Ableitstroms I_d mittels einer Widerstandsregelung eines funktional zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE wirkenden Ableitwiderstands 10.

Aus den 1 bis 4 ist ersichtlich, dass ohne Ableiten des Ableitstroms I_d eine Asymmetrie, d. h. eine Verschiebung des elektrischen Potentials zwischen den Hochspannungsseiten HV+ und HVP in Bezug auf PE, dazu führt, dass zwischen der Ladestation 3 und der Hochvoltbatterie 2 unmittelbar nach der Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen diesen (d. h. nach Aktivierung des Ladevorgangs) hohe transiente Ströme fließen würden. Diese Verschiebung kann dazu führen, dass eine Isolationsspannung zwischen den HV-Potenzialen HVP, HVN, HV+, HV- und PE überschritten wird. Zusätzlich würden die Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 aufgrund der hohen Ausgleichströme einen falschen Isolationswiderstand R_isoP und/oder R_isoN ermitteln. Der hohe Stromanstieg würde als fehlerhafter Isolationswiderstand R_isoP, R_isoN interpretiert werden und der Ladevorgang würde unterbrochen werden.
Die Erfindung vermeidet solche Betriebszustände wirksam und ermöglicht ein zuverlässiges, sicheres und effizientes Laden der Hochvoltbatterie 2 an der Ladestation 3, die eine Ladespannung U_c bereitstellt, die kleiner ist als die Batteriespannung U_bat der Hochvoltbatterie 2.
5 stellt eine detaillierte Ansicht des funktionalen Ableitwiderstands 10 der Vorrichtung 1 aus 4 dar. Wie zu erkennen ist, wird bei der vorliegenden Ladevorrichtung 1 bzw. Ladeverfahren der Ableitstrom I_d mittels eines Transistors 11 (z. B. Leistungshalbeiterschalter wie FET, MOSFET o. ä.) gesteuert, wobei der Transistor 11 in einem linearen Betriebsbereich betrieben wird.
Mittels einer Steuereinrichtung µC, die bevorzugt als digitale Verarbeitungseinheit wie z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller, DSP o. ä. ausgebildet ist und das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wird der Transistor 11 derart angesteuert, dass sich die Stromableitung I_d im Wesentlichen funktional wie ein gesteuerter ohmscher Widerstand zwischen dem Hochvoltpotenzial HVP und PE mit einstellbarem Widerstandswert verhält. Dieser steuerbare Widerstand wird hierin als Ableitwiderstand 10 bezeichnet.
Der Ableitstrom I_d wird mittels einer Widerstandsregelung des Ableitwiderstands 10 derart gesteuert, dass die Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE an die halbe Ladenennspannung U_c/2 der Ladestation 3 angeglichen wird. Die Widerstandsregelung ist in 5 innerhalb der Umrisslinien der Steuereinrichtung µC mit ihren wesentlichen Funktionsgruppen dargestellt.
Wie zu erkennen ist, wird vorliegend eine Spannung U_m (d. h. Messspannung) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE gemessen. Außerdem wird der zu dieser Messspannung U_m gehörende Ableitstrom I_d als Messstrom I_m gemessen. Aus den Messwerten U_m und I_m wird eine Widerstands-Sollwertvorgabe, d. h. ein Widerstandssollwert R_s, für die Widerstandsregelung des Ableitwiderstands 10 berechnet. Die Messspannung U_m und der Messstrom I_m stellen Ist-Werte der jeweiligen physikalischen Größen dar.
Wie 5 zu entnehmen ist, ist ein Bestandteil der Widerstandsregelung eine Spannungsregelung 12, welche die normalerweise zwischen dem HV-Potenzial HVP und PE anliegende Spannung U_bat/2 (vgl. 1) auf die halbe Ladespannung U_c/2, die den Spannungssollwert der Spannungsregelung 12 darstellt, regelt und beispielsweise als eine PI-Regelung ausgeführt sein kann. Hierzu wird der Spannungsregelung 12 die Messspannung U_m zugeführt, wie in 5 dargestellt ist. Anschließend wird der von der Spannungsregelung 12 ausgegebene Spannungswert unter Berücksichtigung des Messstroms I_m in einen Widerstandswert R umgerechnet, um die Widerstands-Sollwertvorgabe R_s zu erhalten. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann die Berechnung des Sollwiderstands Rs durch eine vorbestimmbare Widerstandsuntergrenze R_lim nach unten begrenzt werden. Insbesondere zu Beginn des Ladevorgangs, der einen transienten Vorgang darstellt, stellt die Widerstandsbegrenzung R_lim sicher, dass die Widerstandsregelung nicht auf unzulässig kleine Widerstandswerte R regelt. Der geregelte Widerstand R weist somit in jedem Fall den Mindestwiderstand R_lim auf.
Da mittels des Transistors 11 der Ableitstrom I_d gesteuert wird, wandelt die Widerstandsregelung den Sollwiderstand Rs unter Berücksichtigung der erfassten Messspannung U_m in einen Sollstrom I_s um, der einer Stromregelung 13 bzw. Stromregelschleife, die beispielsweise als eine PID-Regelung ausgeführt sein kann, zugeführt wird, wie in 5 dargestellt ist. Die Stromregelung 13 steuert den Transistor 11 derart, dass dieser den dem zuvor bestimmten Sollwiderstand R_s entsprechenden Ableitstrom I_d bei der augenblicklich über dem Transistor 11 anliegenden Messspannung U_m durchleitet. Damit verhält sich der Ableitwiderstand 10 funktional wie ein realer ohmscher Widerstand, der zwischen dem HV-Potenzial HVP und dem Schutzleiter PE geschaltet wäre.
Die Widerstandsregelung der vorliegenden Ladevorrichtung 1 wird vollständig von der digitalen Verarbeitungseinheit µC durchgeführt und ist damit vorliegend eine digitale Widerstandsregelung. Die Ansteuerung der Stromregelung 13 kann wahlweise ebenfalls von der digitalen Verarbeitungseinheit µC durchgeführt werden, obwohl die Stromregelung 13 des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels außerhalb der digitalen Verarbeitungseinheit µC dargestellt ist und vorliegend analog, z. B. unter Verwendung eines Operationsverstärkers (nicht dargestellt), implementiert ist. Die Strom-Sollwertvorgabe I_s für die Stromregelung 13 kann analog mittels eines Digital-Analog-Konverters (DAC) oder mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) bereitgestellt werden.
In 5 ist weiter zu erkennen, dass die beispielhafte Ladevorrichtung 1 eine optionale Klemmschaltung 14 aufweisen kann, mit welcher der Transistor 11 bei Auftreten einer Überspannung zwischen einem den Ableitstrom I_d aufnehmenden Eingangsanschluss und einem den Ableitstrom I_d abgebenden Ausgangsanschluss kurzgeschlossen wird.
Außerdem stellt 5 ein Widerstandsnetzwerk 15 dar, das beispielsweise einen Widerstand von etwa 100 kΩ in einer nicht näher dargestellten Konfiguration 3P3S von Einzelwiderständen (vorliegend z. B. 3 parallel verschaltete Widerstandsstränge mit jeweils 3 Serienwiderständen) aufweisen kann. Das Widerstandsnetzwerk 15 begrenzt den maximalen Ableitstrom I_d, um die Betriebssicherheit der Vorrichtung 1 weiter zu erhöhen.
Des Weiteren ist in 5 ein steuerbares Schaltelement 16 (z. B. Relais) zum wahlweisen galvanischen Trennen des Transistors 11 vom ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP zu erkennen.
5 stellt ein Funktionsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Laden einer Hochvoltbatterie (z. B. HV-Batterie 2) an einer Ladestation (z. B. Ladestation 3) gemäß der Erfindung dar. Neben den bereits in 5 gezeigten funktionalen Komponenten, ist 6 zusätzlich ein Tiefpassfilter 17 zu entnehmen. Vorliegend wird die gemessene Spannung U_m zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE vor der Berechnung des Sollwiderstands R_s mittels des Tiefpassfilters gefiltert. Außerdem ist der wesentliche Teil der Widerstandsregelung in 6 mit einer gestrichelten Umrandung 20 gekennzeichnet.
Der Tiefpassfilter 17 kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wahlweise mit einer ersten Grenzfrequenz f_G1 und einer zweiten Grenzfrequenz f_G2 betrieben werden, wobei die erste Grenzfrequenz f_G1 größer ist als die zweite Grenzfrequenz f_G2. Der Tiefpassfilter 17 wird hierbei mit der ersten Grenzfrequenz f_G1 während eines transienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung (d. h. zu Beginn des Ladevorgangs) betrieben und anschließend mit der zweiten Grenzfrequenz f_G2 betrieben, nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist. Trotz der während des transienten Einschwingvorgangs hohen elektrischen Dynamik wird auf diese Weise eine schnelle und zuverlässige Konvergenz der Widerstandsregelung erreicht.
Das zu steuernde System, z. B. das Laden der HV-Batterie 2 an der Ladestation 3 unter Verwendung der Steuerung des Ableitstroms I_d mittels des Transistors 11, ist in 6 bei 18 dargestellt, eine Messeinrichtung zum Erfassen der Messgrößen U_m und I_m bei 19. Zusätzlich zu den Spannungs- und Strommesswerten Um bzw. Im kann die Messeinrichtung 19 weitere Messwerte wie beispielsweise eine Temperatur (nicht dargestellt) der Ladeschaltung bzw. des Ableitwiderstands 10, der HV-Batterie 2 und dergleichen erfassen, die für den Betrieb der Ladevorrichtung ebenfalls berücksichtigt werden können, um beispielsweise bei Überschreiten zulässiger Grenzwerte eine Unterbrechung des Ladevorgangs zu bewirken.
7 stellt ein Funktionsdiagramm eines nach weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Laden einer Hochvoltbatterie (z. B. HV-Batterie 2) an einer Ladestation (z. B. Ladestation 3) gemäß der Erfindung dar. Bei dem vorliegend dargestellten Verfahren weist die Widerstandsregelung zusätzlich eine strichpunktiert umrandete Widerstandsdriftkompensation 21 auf, die eine schleichende und damit im Vergleich zu einer Zeitdauer eines einzigen Ladevorgangs wesentlich langsamer auftretende Widerstandsveränderung 22 eines Isolationswiderstands zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE (z. B. Isolationswiderstand R_isoP) und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE (z. B. Isolationswiderstand R_isoN) bei der Bestimmung des Sollwiderstands R_s des Ableitwiderstands (z. B. Ableitwiderstand 10) automatisch ausgleicht. Die Widerstandsveränderung 21 stellt einen Störeinfluss bei der Widerstandsregelung des Ableitwiderstands 10 (vgl. 1) dar. Dieser wird durch einen Widerstandsdriftregler 23 bei der Bestimmung des Sollwiderstands R_s berücksichtigt. Zusätzlich wird die Messspannung U_m vorliegend vor der Driftregelung 23 mittels eines Filters 24 gefiltert.
In 7 ist die Messeinrichtung 19 nicht dargestellt, sondern lediglich die dem gesteuerten System 18 entnommenen Messgrößen U_m und I_m.
Darüber hinaus weist das in 7 dargestellte Verfahren gegenüber dem in 6 dargestellten Verfahren die Besonderheit auf, dass zu Beginn des Ladevorgangs, d. h. während des transienten Einschwingvorgangs beim Einsetzen der Energieübertragung zwischen der Ladestation 3 und der HV-Batterie 2, in einer ersten Regelstufe A lediglich eine Spannungsregelung, z. B. die Spannungsregelung 12, zur Bestimmung des Sollstroms I_s für die Stromregelung 13 des Ableitstroms I_d verwendet wird. Nachdem der Einschwingvorgang abgeklungen ist, das heißt die Energieübertragung einen im Wesentlichen stabilen Zustand erreicht hat und sich folglich die zwischen dem HV-Potenzial HVP und dem Schutzleiter PE anliegende Spannung auf die halbe Ladespannung U_c/2 eingeschwungen hat, wechselt das in 7 dargestellte Verfahren zur zweiten Regelstufe B (durch gestrichelte Linien gekennzeichnet), um die Widerstandsregelung des Ableitwiderstands 10 (vgl. 1) während des Ladevorgangs auszuführen. Die erste Regelstufe A wird durch den Wechsel beendet.
Beim Wechsel von Stufe A nach B wird bei dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel der Sollwiderstand R_s des Ableitwiderstands 10 nach dem Abklingen eines transienten Einschwingvorgangs aus der gemessenen Spannung U_m und dem gemessenen Ableitstrom I_m berechnet und bei der nachfolgenden Steuerung des Ableitstroms I_d, das heißt bei der Widerstandsregelung, konstant gehalten. Der Widerstandssollwert R_s wird damit vorliegend während des Ladevorgangs nicht mehr verändert.
Es sei erwähnt, dass bevorzugt bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Isolationswiderstand R_isoP, R_isoN zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVP und dem Schutzleiter PE mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung (z. B. der Isolationsüberwachungseinrichtung 9) ermittelt und überwacht werden kann, wobei der Isolationsüberwachungseinrichtung der berechnete Ableitwiderstand R bereitgestellt wird (in den Fig. nicht explizit dargestellt), um einen sich aus dem Isolationswiderstand R_isoP, R_isoN und dem Ableitwiderstand R zusammensetzenden Gesamtisolationswiderstand der Ladeschaltung zu bestimmen.
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie und die erfindungsgemäße Ladevorrichtung sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin expiizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Ladevorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs (z. B. Traktionsbatterie mit 800 V Batterienennspannung oder höher) an einer Ladestation, die eine geringere Ladespannung (z. B. max. 400 V) als die Batterienennspannung der zu ladenden HV-Batterie bereitstellt, verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Ladevorrichtung
2: Hochvoltbatterie
3: Ladestation
4: Elektrofahrzeug
5: Batterieseitiger Schutzleiteranschluss
6: Erster batterieseitiger Ladeanschluss
7: Zweiter batterieseitiger Ladeanschluss
8: DC/DC-Aufwärtswandler
9: Isolationsüberwachungseinrichtung (ISO-Wächter)
10: Funktionaler Ableitwiderstand
11: Transistor
12: Spannungsregelung
13: Stromregelung
14: Klemmschaltung
15: Widerstandsnetzwerk
16: Schaltelement
17: Tiefpassfilter
18: Gesteuertes System
19: Messeinrichtung
20: Widerstandsregelung
21: Widerstandsdriftkompensation
22: Widerstandsveränderung
23: Widerstandsdriftregelung
24: Filter
A: Erste Regelstufe
B: Zweite Regelstufe
fG1: Erste Grenzfrequenz
fG2: Zweite Grenzfrequenz
HV+: Stationsseitiges positives Hochvoltpotenzial
HV-: Stationsseitiges negatives Hochvoltpotenzial
HVP: Batterieseitiges positives Hochvoltpotenzial
HVN: Batterieseitiges negatives Hochvoltpotenzial
I: Strom
Id: Ableitstrom
Im: Messstrom
Is: Sollstrom
µC: Digitale Verarbeitungseinheit, z. B. Mikrocontroller
PE: Schutzleiter (Schutzerde)
R: Widerstand
Rlim: Widerstandsuntergrenze
Rs: Sollwiderstand
U: Spannung
Ubat: Batteriespannung
Uboost: Step-Up-Spannung
Uc: Ladespannung
Um: Messspannung
Us: Sollspannung

Claims

Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (2), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen der Hochvoltbatterie (2) mit einer Batterienennspannung (U_bat), - Bereitstellen einer Ladestation (3) mit einer Ladenennspannung (U_c), die kleiner ist als die Batterienennspannung (U_bat), - elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5), um einen gemeinsamen Schutzleiter (PE) dazwischen auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation (3) symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung (U_c) zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und dem Schutzleiter (PE) und die Hälfte der Ladenennspannung (U_c) zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) bereitstellt, - Angleichen einer Spannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) an die halbe Ladenennspannung (U_c) durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms (I_d) zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE), - elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und elektrisches Verbinden des zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN), wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) auf eine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN) und dem Schutzleiter (PE) aufwärtsgewandelt wird, um elektrische Energie von der Ladestation (3) in die Hochvoltbatterie (2) zu übertragen, und - Steuern des Ableitstroms (I_d) mittels einer Widerstandsregelung eines funktional zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) wirkenden Ableitwiderstands (10).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung (U_m) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) gemessen wird und der zu dieser Spannung (U_m) gehörende Ableitstrom (I_d) gemessen wird und hieraus ein Sollwiderstand (R_s) für die Widerstandsregelung des Ableitwiderstands (10) berechnet wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwiderstand (R_s) des Ableitwiderstands (10) nach einem Abklingen eines transienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Ladeenergieübertragung, nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist, aus der gemessenen Spannung (U_m) und dem gemessenen Ableitstrom (I_m) berechnet wird und bei der nachfolgenden Steuerung des Ableitstroms (I_d) konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationswiderstand (R_isoP, R_isoN) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung (9) ermittelt und überwacht wird, wobei der Isolationsüberwachungseinrichtung (9) der berechnete Ableitwiderstand (R_s) bereitgestellt wird, um einen sich aus dem Isolationswiderstand (R_isoP, R_isoN) und dem Ableitwiderstand (R) zusammensetzenden Gesamtisolationswiderstand zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Spannung (U_m) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) vor der Berechnung des Sollwiderstands (R_s) mittels eines Tiefpassfilters (17) gefiltert wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefpassfilter (17) wahlweise mit einer ersten Grenzfrequenz (f_G1) und einer zweiten Grenzfrequenz (f_G2) betrieben wird, wobei die erste Grenzfrequenz (f_G1) größer ist als die zweite Grenzfrequenz (f_G2) und der Tiefpassfilter (17) mit der ersten Grenzfrequenz (f_G1) während eines transienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung betrieben wird und der Tiefpassfilter (17) mit der zweiten Grenzfrequenz (f_G2) betrieben wird, nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsregelung eine Widerstandsdriftkompensation (21) aufweist, die eine schleichende Widerstandsveränderung (22) eines Isolationswiderstands (R_isoP, R_isoN) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) automatisch ausgleicht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableitstrom (I_d) mittels eines Transistors (11) in einem linearen Betriebsbereich gesteuert wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (11) bei Auftreten einer Überspannung zwischen einem den Ableitstrom (I_d) aufnehmenden Eingangsanschluss und einem den Ableitstrom (I_d) abgebenden Ausgangsanschluss mittels einer Klemmschaltung (14) kurzgeschlossen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsregelung mittels einer digitalen Verarbeitungseinheit (µC) ausgeführt wird.
Vorrichtung (1) zum Laden einer Hochvoltbatterie (2), insbesondere Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs, mit einer Batterienennspannung (U_bat) an einer Ladestation (3) mit einer Ladenennspannung (U_c), die kleiner ist als die Batterienennspannung (U_bat), aufweisend: - einen batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5) zum Verbinden mit einem stationsseitigen Schutzleiteranschluss, um bei einer Verbindung einen gemeinsamen Schutzleiter (PE) dazwischen auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation (3) symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung (U_c) zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und dem Schutzleiter (PE) und die Hälfte der Ladenennspannung (U_c) zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) bereitstellt, - einen ersten batterieseitigen, mit einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) verbundenen Ladeanschluss (6) zum Verbinden mit dem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+), - einen zweiten batterieseitigen, mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN) verbundenen Ladeanschluss (7) zum Verbinden mit dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-), - einen Aufwärtswandler (8), um eine Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) auf eine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN) und dem Schutzleiter (PE) zu wandeln, und - eine Steuereinrichtung (µC), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, um durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms (I_d) mittels einer Widerstandsregelung eines funktional zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) wirkenden Ableitwiderstands (10) eine Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) an die halbe Ladenennspannung der Ladestation (3) anzugleichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Isolationsüberwachungseinrichtung (9) zur Ermittlung und Überwachung eines Isolationswiderstands (R_isoP, R_isoN) zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE).
Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen in einem Linearbereich betreibbaren Transistor (11) zur Steuerung des Ableitstroms (I_d).
Vorrichtung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Klemmschaltung (14), die ausgebildet ist, bei Auftreten einer Überspannung zwischen einem den Ableitstrom (I_d) aufnehmenden Eingangsanschluss des Transistors (11) und einem den Ableitstrom (I_d) abgebenden Ausgangsanschluss des Transistors (11) den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss kurzzuschließen.
Vorrichtung gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein steuerbares Schaltelement (16) zum wahlweisen galvanischen Trennen des Transistors (11) vom ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und/oder vom zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN).