DE102022110039A1 - Verfahren und Vorrichtung für geglättete Versorgungsspannung von Hochvolt-Verbrauchern am Hochvolt-Zwischenkreis des Ladegerätes - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms (303) für Hochvolt-Verbraucher (114), bei dem ein Batterie-elektrisches Fahrzeug zu einem Laden einer Hochvolt-Batterie (102) eine Lade-Leistungseinheit mit einem Hochvolt-Zwischenkreis (110) aufweist, wobei an dem Hochvolt-Zwischenkreis (110) ein Ladegerät (106), welches eine hohe Kapazität aufweist, mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) mit einer Verbindung zur Hochvolt-Batterie (102), und mindestens ein Hochvolt-Verbraucher (114) angeordnet werden, wobei der Hochvolt-Zwischenkreis (110) zumindest durch das Ladegerät (106) eine hohe Zwischenkreiskapazität aufweist, wobei die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112, 112b) mit einer Pulsdauermodulation angesteuert wird, wobei durch die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) aus der Hochvolt-Batterie (102) dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher (114) über den Hochvolt-Zwischenkreis (110) ein Versorgungsstrom (303) bereitgestellt wird, wobei der Versorgungsstrom (303) auf Grund der hohen Zwischenkreiskapazität stark geglättet wird. Ferner wird eine Vorrichtung beansprucht, welche dazu konfiguriert ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer geglätteten Versorgungsspannung für Hochvolt-Verbraucher an einem Zwischenkreis in einer Lade-Leistungseinheit. Ferner wird eine entsprechende Vorrichtung beansprucht.
  • PTC-Heizelemente, wobei „PTC“ abgekürzt für Englisch „positive temperature coefficient“ steht, finden heutzutage bspw. in Elektrofahrzeugen eine weitverbreitete Anwendung zur Innenraumerwärmung. Einfach im jeweiligen Luftstrom vor einer Austrittsöffnung angeordnet, begrenzen sie eine übermäßige Aufheizung automatisch durch den mit der Temperatur des PTC-Heizelementes steigenden elektrischen Widerstand.
  • Die Druckschrift DE 10 2019 127 709 A1 betrifft eine Pulsdauermodulation, abgekürzt als „PWM“ für Englisch „pulse with modulation“, mit der eine jeweilige Leistung mehrerer Verbraucher an einem Hochspannungsnetz eines Fahrzeugs gesteuert wird. Jeder Verbraucher, darunter bspw. ein Heizelement, wird über eine individuelle Steuerschaltung angesteuert.
  • Allerdings verursachen niederfrequent im Bereich von wenigen 100 Hz taktende PTC-Heizer gemäß dem Stand der Technik rechteckige Stromverläufe. Solch niedrige Frequenzen können von einfachen Kapazitäten nicht mehr sinnvoll gedämpft werden, da hierzu Kapazitäten von einigen hundert Millifarad notwendig wären, was mit entsprechend voluminösen bzw. bauraumeinehmenden und kostenintensiven Kondensatoren einherginge. Wird aber auf eine Filterung verzichtet, so müsste der rechteckig verlaufende Strom direkt von einem Versorger, insbesondere einer Hochvoltbatterie, getragen werden. Um hierbei zu verhindern, dass es zu Überschreitung technischer Grenzwerte der Hochvoltbatterie kommt, muss für den PTC-Heizer ein Spitzenstrom vorgehalten werden. Ein Verhältnis dieses vorzuhaltenden Spitzenstroms zu einem von einer realen Heizleistung tatsächlich in Anspruch genommenen Mittelstrom kann jedoch, insbesondere bei PWM-gesteuerten Heizgeräten, in einem Schwachlastbereich sehr groß ausfallen.
  • Wird bspw. 1 kW mittlere Heizleistung über Pulsdauermodulation bei 20 kW Spitzenleistung mit einem Taktverhältnis 1/20 eingestellt, bleiben letztlich 19 kW Batterieleistung durch das notwendige Vorhalten der 20 kW Spitzenleistung ungenutzt und können auch nicht anderen Verbraucher bereitgestellt werden. Hat eine Hochvoltbatterie zu einem betrachteten Arbeitspunkt eine Leistungsfreigabe von bspw. 50 kW, so würde einem ebenfalls zu versorgenden Antrieb nur 30 kW Leistung zur Verfügung stehen. Verschärft wird diese Problematik durch einen Einschaltstromwert, welcher bei PWM-gesteuerten PTC-Heizern durch einen gemäß PTC-Kennlinie bei niedriger Einschalttemperatur geringen Widerstand Rmin sehr hoch ausfällt. Zudem weisen weitere dynamische Hochvoltverbraucher ähnliche Probleme auf, so wie bspw. bei elektrischen Fahrwerken für kurze dynamische Lasten, bspw. durch Schlaglöcher gebildet, genauso eine höhere Leistung als die im Mittel abgefragte Leistung vorgehalten werden muss.
  • In der Druckschrift DE 10 2021 107 775 A1 umfasst ein Fahrzeugnetz einen Gleichspannungswandler und einen Hochspannungsbus, welche an einen gemeinsamen Schaltkreis angeschlossen sind. Während der Gleichspannungswandler Spannung einer Hochspannungsbatterie für ein Niedrigspannungsnetz mit einem PTC-Heizelement herabsetzt, versorgt der Hochspannungsbus einen Antriebsmotor und ein Hochspannungsheizelement mit Strom.
  • Die chinesische Druckschrift CN 112 789 192 A beansprucht ein Heizelement als Hochspannungsverbraucher, welches über einen Hochspannungszwischenkreis mit der Hochspannungsbatterie eines Elektrofahrzeugs verbunden ist. Zwischen dem Hochspannungszwischenkreis und der Hochspannungsbatterie ist ein Gleichspannungswandler angeordnet.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern von an einem Hochvolt-Zwischenkreis angeschlossenen Hochvolt-Verbrauchern zur Verfügung zu stellen, wobei eine Leistung hierzu aus einer Hochvolt-Batterie bereitgestellt wird. Eine hohe Leistungsvorhaltung soll vermieden werden. Ferner soll eine Vorrichtung beansprucht werden, auf welcher das Verfahren umgesetzt werden kann.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms für Hochvolt-Verbraucher vorgeschlagen, bei dem ein Batterie-elektrisches Fahrzeug zu einem Laden einer Hochvolt-Batterie eine Lade-Leistungseinheit mit einem Hochvolt-Zwischenkreis aufweist. An dem Hochvolt-Zwischenkreis werden ein Ladegerät, welches eine hohe Kapazität aufweist, mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe mit einer Verbindung zur Hochvolt-Batterie, und mindestens ein Hochvolt-Verbraucher angeordnet. Der Hochvolt-Zwischenkreis weist damit zumindest durch das Ladegerät eine hohe Zwischenkreiskapazität auf. Die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe wird mittels einer Pulsdauermodulation angesteuert. Durch die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe wird aus der Hochvolt-Batterie dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher über den Hochvolt-Zwischenkreis ein Versorgungsstrom bereitgestellt, wobei der Versorgungsstrom auf Grund der hohen Zwischenkreiskapazität stark geglättet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt vorteilhaft die hohe Zwischenkreiskapazität des Hochvolt-Zwischenkreises, um eine Leistung aus Strompulsen der Pulsdauermodulation kapazitiv zu laden und zwischen den jeweiligen Strompulsen wieder an den Hochvolt-Zwischenkreis abzugeben, wodurch die Glättung im Stromverlauf des Versorgungsstroms des mindestens einen Hochvolt-Verbrauchers am Hochvolt-Zwischenkreis resultiert.
  • Die Ansteuerung mittels Pulsdauermodulation dient zu einer Leistungsregelung des mindestens einen Hochvolt-Verbrauchers. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft eine durch eine Höhe der Strompulse gegebene Peakleistung, welche nach dem Stand der Technik den Leistungsvorhalt definiert, für einen Leistungsvorhalt der Hochvolt-Batterie nicht mehr relevant. Eine von der Hochvolt-Batterie dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher gelieferte mittlere Leistung, welche sich ohne das erfindungsgemäße Verfahren aus der Peakleistung und einem Taktverhältnis der Pulsdauermodulation ergibt und einem realen Verbrauchsbedarf entspricht, stellt nun vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig auch die in der Hochvolt-Batterie den anderen Verbrauchern nicht zur Verfügung stehende Leistung dar.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine Hochvoltverbraucher aus folgender Liste gewählt: PTC-Heizer, Hochvoltheizer, DCDC-Gleichspannungswandler, adaptive Fahrwerksregelung, Fahrzeugkühleinrichtung. Ein Hochvoltheizer ist bspw. durch einen HV-Luftheizer oder einen HV-Wasserheizer gebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe durch einen Gleichspannungswandler mit hoher Kapazität gebildet.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ladegerät dazu ausgelegt, zur Aufladung der Hochvolt-Batterie an ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen zu werden. Hierzu weist das Ladegerät eine hohe Kapazität im Bereich von einigen Millifarad auf. Zumindest durch diesen hohen Kapazitätswert wird die hohe Zwischenkreiskapazität gebildet. Jedoch kann je nach Bauart auch die mindestens eine Leistungsausgangstufe hohe Kapazitätswerte aufweisen, welche dann zusätzlich zur hohen Zwischenkreiskapazität beitragen.
  • In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Leistungsvorhalt der Hochvolt-Batterie für den mindestens einen Hochvolt-Verbraucher auf einen verbleibenden Schwankungsbereich des geglätteten Versorgungsstroms reduziert. Damit wird die Performanz in keinem Arbeitspunkt der Hochvolt-Batterie mehr eingeschränkt und die ansonsten benötigten Leistungsvorhalte werden vorteilhaft freigegeben, um bspw. einem Traktionssystem zur Verfügung zu stehen. Da eine Fahrzeugreichweite in einem Kaltbereich, bspw. bei morgendlichem Fahrbeginn von einer zur Verfügung stehenden Leistung bestimmt wird, erhöht sich diese, insbesondere bei kalten Umgebungsbedingungen, erheblich. Auch nimmt weiter vorteilhaft eine Rippelbelastung im gesamten System ab, welche ansonsten durch die hohen Strompulse der Pulsdauermodulation verursacht ist.
  • Ferner wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms für Hochvolt-Verbraucher beansprucht, bei der die Vorrichtung eine Hochvolt-Batterie und eine Lade-Leistungseinheit mit einem Hochvolt-Zwischenkreis umfasst, wobei der Hochvolt-Zwischenkreis ein Ladegerät mit einer hohen Kapazität, mindestens eine mit der Hochvolt-Batterie verbundene bidirektionale Leistungsausgangsstufe mit einer Steuerung, und mindestens einen Hochvolt-Verbraucher aufweist, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, mittels einer Pulsdauermodulation der mindestens einen bidirektionalen Leistungsausgangsstufe aus der Hochvolt-Batterie dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher über den Hochvolt-Zwischenkreis einen Versorgungsstrom bereitzustellen, wobei der Versorgungsstrom auf Grund der hohen Zwischenkreiskapazität stark geglättet ist.
  • In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine Hochvoltverbraucher aus folgender Liste gewählt: PTC-Heizer, Hochvoltheizer, DCDC-Gleichspannungswandler, adaptive Fahrwerksregelung, Fahrzeugkühleinrichtung. Der Hochvoltheizer kann bspw. ein HV-Luftheizer oder ein HV-Wasserheizer sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe durch einen Gleichspannungswandler mit hoher Kapazität gebildet.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Ladegerät dazu ausgelegt, zur Aufladung der Hochvolt-Batterie an ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen zu werden. Hierzu weist das Ladegerät eine hohe Kapazität im Bereich von einigen Millifarad auf.
  • In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Leistungsvorhalt der Hochvolt-Batterie für den mindestens einen Hochvolt-Verbraucher auf einen verbleibenden Schwankungsbereich des geglätteten Versorgungsstroms reduziert.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • 1 zeigt eine schematische Schaltung und jeweilige Stromverläufe in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 werden eine schematische Schaltung zu einem Hochspannungsbordnetz 100 und jeweilige Stromverläufe 200, 300 in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In dem Hochspannungsbordnetz 100 sind ein Hochvolt-Zwischenkreis 110, eine Hochvolt-Batterie 102 und ein Netzanschluss 108 bspw. für drei Wechselstromphasen angeordnet. Das Hochspannungsbordnetz 100 ist bei einem Batterie-elektrischen Fahrzeug mit einem Antriebsmotor als Last 118 verbunden. Auch ist beispielhaft ein Gleichspannungswandler 116 an das Hochspannungsbordnetz 100, bspw. um eine Hochspannung des Hochvolt-Zwischenkreises 110 auf ein Niederspannungsversorgungsnetz (12 V) herabzusetzen. Der angeschlossene Hochvolt-Zwischenkreis 110 umfasst ein Ladegerät 106, welches eine hohe Kapazität im Bereich einiger Millifarad aufweist, zwei bidirektionale Gleichspannungswandler 112a, 112b, und einen Hochvolt-Verbraucher 114, bspw. einen Hochvolt-Heizer. Die hohe Kapazität des Ladegerätes 106 ist ursprünglich durch eine Ladefunktion definiert, d. h. aus einer Notwendigkeit, zu einer Aufladung der Hochvolt-Batterie 102 eine 50 Hz-Netzfrequenz zu glätten. Da auch Hochvolt-Verbraucher 114, wie bspw. ein PTC-Heizer, in sehr ähnlichen Frequenzen, welche zwischen 50 bis 200 Hz liegen, angesteuert werden, wird erfindungsgemäß eine Glättungsfunktion des Hochvolt-Zwischenkreises 110, welche ursprünglich zum Aufladen der Hochvolt-Batterie 102 vorgesehen ist, zur Leistungsversorgung des Hochvolt-Verbrauchers 114 verwendet. Auch die beiden bidirektionalen Gleichspannungswandler 112a, 112b weisen hohe Kapazitäten auf, so dass insgesamt der Hochvolt-Zwischenkreis 110 eine hohe Kapazität im Bereich einiger Millifarad aufweist. Eine graphische Darstellung 200 eines aus der Hochvolt-Batterie 102 zur Leistungsversorgung des Hochvolt-Verbrauchers 114 fließenden Batterielaststromes 202 entlang einer Zeitachse 201 zeigt auf, dass ein maximal abfließender Strom Imax 204 nur geringfügig oberhalb eines über die Zeit gemittelten abfließenden Stromes Imean 203 liegt. In der graphischen Darstellung 300 eines Zwischenkreisstromes 302 entlang einer Zeitachse 301 ist zu sehen, dass durch eine Regelung gemäß Pulsdauermodulation bereitgestellte Strompulse mit einem Stromwert IHeizer,max 304 in ihren „On“-Zeiten 310 durch die hohe Zwischenkreiskapazität auf einen mittleren Versorgungsstrom Imean 303 geglättet werden. Die hohe Kapazität des Hochvolt-Zwischenkreises 110 ist bei einer Leistungsregelung des Hochvolt-Verbrauchers 116 mittels Pulsdauermodulation in der Lage, ein Verhältnis Imean/IHeizer,max, welches, wie in der graphischen Darstellung 300 angedeutet, einen Faktor von bspw. 10 aufweisen kann, bei einem von der Hochvolt-Batterie 102 abfließenden Batterielaststrom 202 auf ein Verhältnis Imean/Imax im Bereich von eins zu reduzieren. Damit sind Leistungsvorhalte bei der Hochvolt-Batterie 102 vorteilhaft nicht weiter nötig, und eine Gesamtleistung der gesamten Hochvolt-Batterie 102 stellt - abzüglich der Versorgungsleistung des Hochvolt-Verbrauchers 114 - weiteren Verbrauchern zur Verfügung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019127709 A1 [0003]
    • DE 102021107775 A1 [0006]
    • CN 112789192 A [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms (303) für Hochvolt-Verbraucher (114), bei dem ein Batterie-elektrisches Fahrzeug zu einem Laden einer Hochvolt-Batterie (102) eine Lade-Leistungseinheit mit einem Hochvolt-Zwischenkreis (110) aufweist, wobei an dem Hochvolt-Zwischenkreis (110) ein Ladegerät (106), welches eine hohe Kapazität aufweist, mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) mit einer Verbindung zur Hochvolt-Batterie (102), und mindestens ein Hochvolt-Verbraucher (114) angeordnet werden, wobei der Hochvolt-Zwischenkreis (110) zumindest durch das Ladegerät (106) eine hohe Zwischenkreiskapazität aufweist, wobei die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112, 112b) mit einer Pulsdauermodulation angesteuert wird, wobei durch die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) aus der Hochvolt-Batterie (102) dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher (114) über den Hochvolt-Zwischenkreis (110) ein Versorgungsstrom (303) bereitgestellt wird, wobei der Versorgungsstrom (303) auf Grund der hohen Zwischenkreiskapazität stark geglättet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Hochvoltverbraucher (114) aus folgender Liste gewählt wird: PTC-Heizer, Hochvoltheizer, DCDC-Gleichspannungswandler, adaptive Fahrwerksregelung, Fahrzeugkühleinrichtung.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112, 112b) durch einen Gleichspannungswandler mit hoher Kapazität gebildet wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Ladegerät (106) dazu ausgelegt wird, zur Aufladung der Hochvolt-Batterie (102) an ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen zu werden, wozu das Ladegerät (106) eine hohe Kapazität im Bereich von einigen Millifarad aufweist.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Leistungsvorhalt der Hochvolt-Batterie (102) für den mindestens einen Hochvolt-Verbraucher auf einen verbleibenden Schwankungsbereich des geglätteten Versorgungsstroms (303) reduziert wird.
  6. Vorrichtung zum Bereitstellen eines Versorgungsstroms (303) für Hochvolt-Verbraucher (114), wobei die Vorrichtung eine Hochvolt-Batterie (102) und eine Lade-Leistungseinheit mit einem Hochvolt-Zwischenkreis (110) umfasst, wobei der Hochvolt-Zwischenkreis (110) ein Ladegerät (106) mit einer hohen Kapazität, mindestens eine mit der Hochvolt-Batterie (102) verbundene bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) mit einer Steuerung, und mindestens einen Hochvolt-Verbraucher (114) aufweist, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, mittels einer Pulsdauermodulation der mindestens einen bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) aus der Hochvolt-Batterie (102) dem mindestens einen Hochvolt-Verbraucher (114) über den Hochvolt-Zwischenkreis (110) einen Versorgungsstrom (303) bereitzustellen, wobei der Versorgungsstrom (303) auf Grund der hohen Zwischenkreiskapazität stark geglättet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Hochvoltverbraucher (114) aus folgender Liste gewählt ist: PTC-Heizer, Hochvoltheizer, DCDC-Gleichspannungswandler, adaptive Fahrwerksregelung, Fahrzeugkühleinrichtung.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die mindestens eine bidirektionale Leistungsausgangsstufe (112a, 112b) durch einen Gleichspannungswandler mit hoher Kapazität gebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ladegerät (106) dazu ausgelegt ist, zur Aufladung der Hochvolt-Batterie (102) an ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen zu werden, wozu das Ladegerät (106) eine hohe Kapazität im Bereich von einigen Millifarad aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Leistungsvorhalt der Hochvolt-Batterie (102) für den mindestens einen Hochvolt-Verbraucher (114) auf einen verbleibenden Schwankungsbereich des geglätteten Versorgungsstroms (303) reduziert ist.
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