DE102022110248A1

DE102022110248A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerstrombehandlung bei einer mit einer Ladestation über eine Ladeschaltung verbundenen Hochvoltbatterie

Info

Publication number: DE102022110248A1
Application number: DE102022110248.3A
Authority: DE
Inventors: Marc Neitz; Gian Battista Cappelletti; Kaj-Uwe Decker
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2022-04-27
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-11-02
Also published as: US20230352948A1; CN116945962A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerstrombehandlung bei einer mit einer Ladestation (3) über eine Ladeschaltung (13) verbundenen Hochvoltbatterie (2), insbesondere in einem Kraftfahrzeug (1), bei dem eine elektrische Schutzleiterverbindung (9) zwischen einem ladestationsseitigen Schutzleiter (4a) und einem in einem Nicht-Störzustand gegenüber dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV- ) elektrisch isolierten, batterieseitigen Schutzleiter (4b), um den batterieseitigen Schutzleiter (4b) über den ladestationsseitigen Schutzleiter (4a) mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial (PE) hergestellt werden, um in einem optionalen Ladeschritt die Hochvoltbatterie (2) mit einer über der Ladenennspannung der Ladestation (3) liegenden und durch einen zur Ladeschaltung (13) gehörigen Aufwärtswandler (14) aufwärtsgewandelten Ladespannung zu beaufschlagen, um elektrische Energie von der Ladestation (3) in die Hochvoltbatterie (2) zu übertragen. Die Erfindung sieht vor, dass mit Eintreten eines Störzustands, bei dem sich durch niederohmiges Verbinden (11) des ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzials (HVP) oder des zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzials (HVN) mit dem batterieseitigen Schutzleiter (4b) ein Fehlerstromkreises über die Ladestation (3) und die Schutzleiterverbindung (9) mit einem aus der Hochvoltbatterie (2) gespeisten Fehlerstrom (FI) ausbildet, der Fehlerstrom (FI) während des Störzustands durch einen zur Ladeschaltung (13) gehörigen Fehlerstromregler (15) auf einen reduzierten Fehlerstrom (FI') zumindest für eine vorgegebene Mindestzeitdauer, gegebenenfalls nach positiver Detektion des Störzustandes reduziert und/oder begrenzt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Ladeschaltung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerstrombehandlung bei einer über eine Ladeschaltung mit einer Ladestation elektrisch leitend verbundenen Hochvoltbatterie sowie eine zugehörige Vorrichtung. 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.
Wenn ein Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie, z. B. einer Batterie mit einer Batterienennspannung von 800 V, an einer externen Ladestation geladen wird, die eine niedrigere Ladenennspannung als die Batterienennspannung bereitstellt, d. h. im gegebenen Beispiel niedriger als 800 V, zum Beispiel 400 V, ist es ebenfalls üblich, eine Ladeschaltung mit einem Aufwärtswandler, hier einen DC/DC-Wandler zu verwenden, um die von der Ladestation bereitgestellte Ladespannung so umzuwandeln, dass sie der Batterienennspannung der Hochvoltbatterie des Elektrofahrzeugs entspricht oder höher liegt. Ein derartiger Gleichspannungswandler kann zum Beispiel im Elektrofahrzeug bereitgestellt sein. Beim leitungsgebundenen Laden aber auch schon beim ladestromfreien elektrischen Verbinden der Hochvoltbatterie mit der Ladestation mittels eines Ladekabels ist es gemäß DIN EN IEC 61851-1 erforderlich Vorkehrungen und Maßnahmen zum Fehlerstromschutz vorzusehen, dazu gehört unter anderem das Herstellen einer elektrisch leitenden Schutzleiterverbindung eines ladestationsseitigen Schutzleiter, der mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial leitend verbunden ist, mit einem batterieseitigen Schutzleiter, um den in einem Nicht-Störzustand gegenüber den batterieseitigen Hochvoltpotenzialen der Hochvoltbatterie elektrisch isolierten, batterieseitigen Schutzleiter über den ladestationsseitigen Schutzleiter mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial zu verbinden. Typischerweise ist der batterieseitige Schutzleiter mit der Fahrzeugkarosserie, als Fahrzeugmasse bezeichnet, elektrisch leitend verbunden. Im Falle einer Störung, bei dem sich eine der batterieseitigen Hochvoltpotenziale (HV+ oder HV-) mit dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss niederohmig verbindet, was hier als Störzustand verstanden wird, kommt es zu einem Fehlerstromkreis über eine der elektrischen Ladeverbindungen, die Ladestation und den gemeinsamen Schutzleiter, wobei der zugehörige Fehlerstrom aus der Hochvoltbatterie gespeist wird. Dieser Fehlerstrom führt regelmäßig dazu, dass im Fehlerstromkreis liegende, ladestationsseitig vorgesehene Schutzelemente „durchgehen“ und ladestationsseitig die jeweils mit dem Fehlerstrom beaufschlagte, elektrische Ladeverbindung und die Schutzleiterverbindung niederohmig verbunden werden und somit kurzgeschlossen werden, was dazu führt, dass die Fehlerstromstärke zunimmt und gegebenenfalls über die Stromtragfähigkeit hinaus die Schutzleiterverbindung belastet. Aber auch die Beaufschlagung der Schutzleiterverbindung mit einem betragsmäßigen Potenzial von mehr als 60 Volt gegenüber Erdmasse kann für sich genommen im Falle einer Berührung ein erhebliches Risiko für Leib und Leben der berührenden Person darstellen und muss unbedingt vermieden werden. Da darüber hinaus bei DC-Ladestationen mit geringerer Ladenennspannung die den Schutzleiter bildende, ladestationsseitige Verkabelung nicht auf einen Fehlerstrom dieser Stärke ausgelegt sind, kommt es bei längerer anhaltendem Fehlerstrom zu einer übermäßigen Erhitzung und letztlich einem Durchschmelzen des ladestationsseitigen Schutzleiters, was eine nicht reversible Schädigung der Ladestation darstellt und dem Schutzleiter seiner Funktion beraubt, so dass das mit dem batterieseitigen Schutzleiter elektrisch verbundene Hochvoltpotenzial (HV+ oder HV-) am batterieseitigen Schutzleiter anliegt und im Falle einer Berührung eine Gefahr für Leib und Leben der berührenden Person darstellt. Es ist zwar 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 Hochspannungsladenetzes sicherstellen zu können, wobei für den Fall, dass der aus der Messung ermittelte Isolationswiderstand zu niedrig ist, ein Sicherheitsmechanismus die Stromübertragung, so auch des Fehlerstroms, unterbricht, z. B. durch Öffnen eines Schalters, Relais o. ä. Diese ISO-Wächter weisen jedoch eine gewisse Trägheit auf, die sich durch die Verzögerung zwischen Detektion und Trennung der Stromübertragung ergibt, so dass diese Maßnahme nicht ausreicht, die erforderliche Sicherheit im Falle eines Störzustandes, wie eingangs beschrieben, zu gewährleisten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fehlerstrombehandlung sowie ein zugehörige Ladevorrichtung bereitzustellen, die die Auswirkungen eines durch eine niederohmige elektrische Verbindung eines batterieseitigen Hochvoltanschlusses mit dem Schutzleiter bewirkten Fehlerstroms einschränkt und somit den Fehlerstromschutz, insbesondere den Personenschutz und den Schutz vor Schäden an der Ladestation, verbessert, für den Fall, dass eine Ladestation mit einer Hochvoltbatterie verbunden wird, deren Batterienennspannung die Nennspannung der Ladestation, insbesondere 400 V, übersteigt. 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 Ladevorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 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 +/-10 % 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Fehlerstrombehandlung bei einer mit einer Ladestation über eine elektrische Ladeschaltung verbundenen Hochvoltbatterie, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. In einem erfindungsgemäßen Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen der Hochvoltbatterie mit einer Batterienennspannung von beispielsweise etwa 900 Volt, und einer zugehörigen Ladeschaltung. Bei der Hochvoltbatterie handelt es sich beispielsweise aber nicht zwingend um eine Traktionsbatterie eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Ferner wird die Ladeschaltung bereitgestellt, die mindestens einen Aufwärtswandler aufweist und bevorzugt batterieseitig, insbesondere kraftfahrzeugseitig, vorgesehen ist. Als batterieseitig wird eine zur Hochvoltbatterie gehörige, beispielsweise mechanisch festgelegte und elektrisch verbundene, Anordnung verstanden.
In einem erfindungsgemäßen weiteren Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen einer Ladestation, bevorzugt einer Gleichspannungsladestation, mit einer Ladenennspannung, die kleiner ist als die Batterienennspannung, wie beispielsweise etwa 450 Volt. Die Ladestation ist beispielsweise mit einem Stromversorgungsnetz verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein Verbindungsschritt vorgesehen, bei dem eine elektrische Schutzleiterverbindung zwischen einem ladestationsseitigen Schutzleiter mit einem batterieseitigen Schutzleiter hergestellt wird, um den batterieseitigen Schutzleiter über den ladestationsseitigen Schutzleiter mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial, auch mit „PE“ oder „Protective Earth“ bezeichnet, zu verbinden. Der Iadestationsseitige Schutzleiter und der batterieseitige Schutzleiter bilden über die Schutzleiterverbindung einen gemeinsamen, mit dem ladestationsseitigen Massepotenzial verbundenen Schutzleiter aus. Der batterieseitige Schutzleiter und damit der gemeinsame Schutzleiter ist in einem Nicht-Störzustand gegenüber dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial elektrisch isoliert.
Erfindungsgemäß ist ein weiterer, bevorzugt nahezu gleichzeitig mit dem vorgenannten Verbindungsschritt durchgeführter Verbindungsschritt vorgesehen, um jeweils eine elektrische Ladeverbindung des ersten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und des zweiten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial herzustellen, um in einem optional durchgeführten Ladeschritt die Hochvoltbatterie mit einer über der Ladenennspannung der Ladestation liegenden und durch den Aufwärtswandler, wie einen DC/DC-Wandler, aufwärtsgewandelten Ladespannung zu beaufschlagen, um elektrische Energie von der Ladestation in die Hochvoltbatterie zu übertragen.
Bevorzugt erfolgt das Herstellen der elektrischen Schutzleiterverbindung und der mehreren Ladeverbindungen durch ein Ladekabel, das über ein oder mehrere Steckverbindungen einerseits mit der Hochvoltbatterie und andererseits mit der Ladestation verbindbar ist. Die Ausgangssituation ist dabei mit der zuvor beschriebenen identisch.
Für den Fall des Eintretens eines Störzustands, bei dem sich durch niederohmiges Verbinden des ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzials oder des zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzials mit dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss ein Fehlerstromkreises über die Ladestation und den gemeinsamen Schutzleiter mit einem aus der Hochvoltbatterie gespeisten Fehlerstrom ausbildet, sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt vor, bei dem der Fehlerstrom während des Störzustands durch einen Fehlerstromregler, beispielsweise einen Fehlerstrombegrenzer, auf einen reduzierten Fehlerstrom reduziert wird und/oder auf einen reduzierten Fehlerstrom begrenzt wird. Gegebenenfalls erfolgt die Begrenzung bzw. Reduzierung unmittelbar oder verzögert nach positiver Detektion des Störzustandes durch eine Detektionseinrichtung und gegebenenfalls erst nach Aktivieren des Fehlerstromreglers, beispielsweise Schalten des Fehlerstromreglers in den Fehlerstromkreis. Die Verzögerung ergibt sich beispielsweise durch die Signalverarbeitung und/oder die gegebenenfalls notwendige verzögerte Aktivierung des Fehlerstromreglers.
Durch die erfindungsgemäße Fehlerstromreduzierung bzw. -Begrenzung kann zumindest eines der zuvor genannten Störzustandsszenarien, wie Kurzschluss des ladestationsseitigen Schutzelements, Durchschmelzen und Unterbrechung der Schutzleiterverbindung sowie zumindest eine dem Hochvoltpotenzial entsprechende Potenzialbeaufschlagung auf dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss vermieden werden.
Bevorzugt wird der Fehlerstrom durch den Fehlerstromregler so begrenzt, dass ein an dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss anliegendes Berührpotenzial gegenüber dem ladestationsseitigen Massepotenzial nicht mehr als 350 Volt bevorzugt nicht mehr als 60 Volt beträgt. Dadurch kann eine Personengefährdung beispielsweise im Falle einer händischen Berührung des batterieseitigen Schutzleiteranschlusses vermieden werden.
Bevorzugt beträgt ein Minimalquerschnitt des ladestationsseitigen Schutzleiters, beispielsweise als Teil der inneren Verkabelung der Ladestation, 0,75 mm² oder weniger. Beispielsweise wird der Fehlerstrom durch den Fehlerstromregler derart eingestellt, dass die Stromtragfähigkeit des ladestationsseitigen Schutzleiters nicht gefährdet ist.
Bevorzugt weist die Ladestation ein mit dem Fehlerstrom beaufschlagtes Schutzelement, wie einen Varistor, auf, über das im Störzustand eine Fehlspannung abfällt, die bevorzugter mehr als 50% der Batterienennspannung ausmacht. Beispielsweise wird der Fehlerstrom durch den Fehlerstromregler derart eingestellt, dass die Stromtragfähigkeit des Schutzelements nicht gefährdet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Fehlerstromregler in den gemeinsamen Schutzleiter, beispielsweise in das Ladekabel integriert. Bevorzugt ist der Fehlerstromregler in den batterieseitigen Schutzleiter integriert, wodurch eine Aktivierung, d.h. elektrische Aufschaltung, des Fehlerstromreglers entbehrlich ist. Bevorzugt ist der Fehlerstromregler Teil der der elektrischen Ladeschaltung und wird beispielsweise von einer Ladeschaltungskomponenten aktiviert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Fehlerstromregler in der mit dem Fehlerstrom beaufschlagten elektrischen Ladeverbindung aus erster und zweiter Ladeverbindung vorgesehen. Bevorzugt sind alle Ladeverbindungen mit einem Fehlerstromregler versehen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Fehlerstromkreis innerhalb einer Dauer von maximal 20 ms, bevorzugter maximal 15 ms, meist bevorzugt maximal 10 ms, nach positiver Detektion des Störzustands unterbrochen wird.
In einer Ausgestaltung erfolgt die positive Detektion durch eine Spannungsüberwachung der Schutzleiterverbindung, insbesondere des batterieseitigen Schutzleiters. Beispielsweise wird eine vorgegebene Annäherung der am batterieseitigen Schutzleiter anliegenden gemessenen Spannung mit einer der batterieseitigen Hochvoltpotenziale festgestellt, so wird der Störzustand positiv detektiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden der Störzustand durch eine Isolationsüberwachungseinrichtung zur Ermittlung und Überwachung eines Isolationswiderstands zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem batterieseitigen Schutzleiter und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem batterieseitigen Schutzleiter ermittelt und der Störzustand beispielsweise anhand eines Unterschreitens eines jeweils vorgegebenen Wertes für den jeweiligen Isolationswiderstand positiv detektiert.
Bevorzugt wird nach der Mindestzeitdauer zumindest die den Fehlerstrom tragende elektrische Ladeverbindung aus erster und zweiter Ladeverbindung durch eine, bevorzugt außerhalb der Ladestation vorgesehene, bevorzugter batterieseitige Schutzeinrichtung, wie ein Schaltrelais, unterbrochen. Bevorzugt umfasst die Schutzeinrichtung ein pyrotechnisches Trennelement und/oder ein reversibel trennendes Halbleiterelement.
Die Erfindung betrifft ferner eine Ladeschaltung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die ausgebildet ist, in Zusammenwirken mit einer eine Batterienennspannung aufweisenden Hochvoltbatterie und einer Ladestation mit einer Ladenennspannung, die geringer als die Batterienennspannung ist, das Verfahren zur Fehlerstrombehandlung in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen, wobei die Ladeschaltung zumindest den zuvor beschriebenen Fehlerstromregler aufweist. Die Ladeschaltung weist dazu beispielsweise eine Steuereinrichtung in Form einer digitalen Verarbeitungseinheit, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller, digitaler Signalprozessor (DSP) etc., auf. Um durch die digitale Signalverarbeitung bedingte Verzögerungen zu vermeiden, ist die Ladeschaltung überwiegend diskret aufgebaut. Bevorzugt ist zumindest der Fehlerstromregler und falls gegebenenfalls vorhanden, die zu seiner Aktivierung notwendige Aktivierungsschaltung, diskret aufgebaut.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung aus einer Ladestation, einer Hochvoltbatterie und einer Ladeschaltung, wie zuvor beschrieben.
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.
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 eine schematische Funktionsdarstellung zur Erläuterung des durch das erfindungsgemäße Verfahren zu begegnenden Störzustands mit seinem ersten erfindungsgemäß vermeidbaren Störszenarium;
2 eine schematische Funktionsdarstellung zur Erläuterung eines sich durch den Störzustand ergebenden und erfindungsgemäß vermeidbaren zweiten Störszenariums;
3 eine schematische Funktionsdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs;
4 eine schematische Darstellung des Fehlerstromverlaufs.

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.
Wenn, wie in 1 gezeigt, ein Kraftfahrzeug 1, hier ein Elektrofahrzeug, mit einer Hochvoltbatterie 2, z. B. einer Batterie mit einer Batterienennspannung von 900 V, an einer externen Ladestation 3 über ein Kabel 7 geladen wird und die Ladestation 3 eine niedrigere Ladenennspannung als die Batterienennspannung bereitstellt, d. h. im gegebenen Beispiel niedriger als 900 V, zum Beispiel 450 V, wird eine Ladeschaltung 13 mit einem Aufwärtswandler 14, hier einen DC/DC-Wandler verwendet, um die von der Ladestation 3 bereitgestellte Ladespannung so umzuwandeln, dass sie der Batterienennspannung der Hochvoltbatterie 2 des Kraftfahrzeugs entspricht oder höher liegt. Beim leitungsgebundenen Laden aber auch schon beim ladestromfreien elektrischen Verbinden der Hochvoltbatterie 2 mit der Ladestation 3 mittels eines Ladekabels 7 ist es gemäß DIN EN IEC 61851-1 erforderlich Vorkehrungen und Maßnahmen zum Fehlerstromschutz vorzusehen, dazu gehört unter anderem das Herstellen einer elektrisch leitenden Schutzleiterverbindung 9 eines ladestationsseitigen Schutzleiters 4a, der mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial PE leitend verbunden ist, mit einem batterieseitigen Schutzleiter 4b, um den in einem Nicht-Störzustand gegenüber den batterieseitigen Hochvoltpotenzialen HV+ und HV- der Hochvoltbatterie 2 elektrisch isolierten, batterieseitigen Schutzleiter 4b über den ladestationsseitigen Schutzleiter 4a mit dem ladestationsseitigen Massepotenzial PE zu verbinden. Typischerweise wird der batterieseitige Schutzleiter 4b zumindest teilweise von der Fahrzeugkarosserie ausgebildet, und wird typischerweise Fahrzeugmasse bezeichnet. Neben der über das Kabel 7 hergestellten Schutzleiterverbindung 9 werden bei Herstellung der Steckverbindungen auch mehrere Ladeverbindungen 5, 6 ausgebildet, wobei einerseits das erste ladestationsseitige Hochvoltpotenzial HVP mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HV+ über die Ladeschaltung 13 verbunden wird und andererseits das zweite ladestationsseitige Hochvoltpotenzial HVN mit dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HV- über die Ladeschaltung 13 verbunden wird. Dadurch kann in einem Ladeschritt die Hochvoltbatterie 2 mit der über der Ladenennspannung der Ladestation 3 liegenden und durch den zur Ladeschaltung 13 gehörigen Aufwärtswandler 14 aufwärtsgewandelten Ladespannung beaufschlagt werden, um elektrische Energie von der Ladestation 3 in die Hochvoltbatterie 2 zu übertragen.
Im Falle einer Störung, bei dem sich eine der batterieseitigen Hochvoltpotenziale HV+ oder HV-, hier HV-, mit dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss 4b niederohmig verbindet, was hier als Störzustand verstanden wird und mit dem Blitzsymbol 11 bezeichnet ist, kommt es zu einem Fehlerstromkreis über eine, hier 5, der elektrischen Ladeverbindungen 5, 6, die Ladestation 3 und die Schutzleiterverbindung 9, wobei der zugehörige, hier durch Pfeile angedeutete, Fehlerstrom FI aus der Hochvoltbatterie 2 gespeist wird. Dieser Fehlerstrom FI führt regelmäßig dazu, dass vom Fehlerstromkreis betroffene, ladestationsseitig vorgesehene Schutzelemente 8 „durchgehen“ und Iadestationsseitig die jeweils mit dem Fehlerstrom FI beaufschlagte, elektrische Ladeverbindung 5 der mehreren Ladeverbindungen 5, 6 und die Schutzleiterverbindung 9 niederohmig verbunden werden und somit kurzgeschlossen werden, was dazu führt, dass die Fehlerstromstärke zunimmt, an der Schutzleiterverbindung 9 ein betragsmäßig über 60 Volt liegendes, berührgefährliches Potenzial anliegt und über die Stromtragfähigkeit hinaus die Schutzleiterverbindung 9 belastet wird. Da insbesondere bei DC-Ladestationen mit geringerer Ladenennspannung die den ladestationsseitigen Schutzleiter 4a bildende, ladestationsseitige Verkabelung nicht auf einen Fehlerstrom dieser Stärke ausgelegt sind, kommt es bei längerer anhaltendem Fehlerstrom FI zu einer übermäßigen Erhitzung und letztlich einem Durchschmelzen des ladestationsseitigen Schutzleiters 4a, wie es in 2 gezeigt ist und mit der mit dem Bezugszeichen 17 versehenen Unterbrechung angedeutet ist. Dies stellt eine nicht reversible Schädigung der Ladestation 3 dar und beraubt der Schutzleiterverbindung 9 ihrer Funktion, so dass das mit dem batterieseitigen Schutzleiter 4b elektrisch verbundene Hochvoltpotenzial HV+ oder HV-, hier HV-, am batterieseitigen Schutzleiter 4b anliegt und bei einer betragsmäßig über 60 Volt liegenden Spannung gegenüber Masse eine berührgefährliche Spannung und somit eine Gefahr für Leib und Leben der berührenden Person darstellt,
Diese Störszenarien werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden und in Bezug auf 3 erläutert. Die Ausgangssituation ist identisch mit der zuvor beschriebenen. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Fehlerstrombehandlung bei einer mit einer Ladestation 3 über eine elektrische Ladeschaltung 13 verbundenen Hochvoltbatterie 2 in einem Kraftfahrzeug 1. In einem erfindungsgemäßen Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen der Hochvoltbatterie 2 mit einer Batterienennspannung von beispielsweise etwa 900 Volt, und einer zugehörigen Ladeschaltung 13. Bei der Hochvoltbatterie 2 handelt es sich beispielsweise aber nicht zwingend um eine Traktionsbatterie eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 1. Ferner werden eine Ladeschaltung bereitgestellt, die mindestens einen Aufwärtswandler aufweist und bevorzugt batterieseitig, insbesondere kraftfahrzeugseitig, vorgesehen ist. Als batterieseitig wird eine zur Hochvoltbatterie 2 gehörige, beispielsweise mechanisch festgelegte und elektrisch verbundene, Anordnung verstanden.
In einem erfindungsgemäßen weiteren Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen einer Ladestation 3, bevorzugt einer Gleichspannungsladestation, mit einer Ladenennspannung, die kleiner ist als die Batterienennspannung, wie beispielsweise etwa 450 Volt. Die Ladestation 3 ist beispielsweise mit einem nicht dargestellten Stromversorgungsnetz verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein Verbindungsschritt vorgesehen, bei dem eine elektrische Schutzleiterverbindung 9 zwischen einem ladestationsseitigen Schutzleiter mit einem batterieseitigen Schutzleiter hergestellt wird, um den batterieseitigen Schutzleiter 4b über den ladestationsseitigen Schutzleiter 4a mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial PE zu verbinden. Der ladestationsseitige Schutzleiter 4a und der batterieseitige Schutzleiter 4b bilden über die Schutzleiterverbindung 9 einen gemeinsamen, mit dem ladestationsseitigen Massepotenzial PE verbundenen Schutzleiter aus. Der batterieseitige Schutzleiter 4b und damit der gemeinsame Schutzleiter ist in einem Nicht-Störzustand gegenüber dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HV- elektrisch isoliert und eben nicht, wie durch das Blitzsymbol 11 der 3 angedeutet, elektrisch verbunden.
Erfindungsgemäß ist ein weiterer, bevorzugt nahezu gleichzeitig mit dem vorgenannten Verbindungsschritt durchgeführter Verbindungsschritt vorgesehen, um jeweils eine elektrische Ladeverbindung 5, 6, einerseits des ersten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials HVP mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und andererseits des zweiten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials HVN mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial HVherzustellen, um in einem optional durchgeführten Ladeschritt die Hochvoltbatterie 2 mit einer über der Ladenennspannung der Ladestation liegenden und durch den Aufwärtswandler 14, wie einen DC/DC-Wandler, aufwärtsgewandelten Ladespannung zu beaufschlagen, um elektrische Energie von der Ladestation 3 in die Hochvoltbatterie 2 zu übertragen. Hier erfolgt das Herstellen der elektrischen Schutzleiterverbindung 9 und der mehreren Ladeverbindungen 5, 6 durch ein Ladekabel 7, das über ein oder mehrere Steckverbindungen einerseits mit der Hochvoltbatterie 2 und andererseits mit der Ladestation 3 verbindbar ist.
Für den Fall des Eintretens eines Störzustands, wie er durch das Blitzsymbol 11 gezeigt ist, bei dem sich durch niederohmiges Verbinden des ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzials HV+ oder des zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzials HV-, hier letzteres, mit dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss 4b ein Fehlerstromkreises über die Ladestation 3 und die Schutzleiterverbindung 9 mit einem aus der Hochvoltbatterie 2 gespeisten Fehlerstrom ausbildet, sieht das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Schritt vor. Durch einen Fehlerstromregler 15, beispielsweise einen Fehlerstrombegrenzer, wird zumindest für eine vorgegebene Mindestzeitdauer während des Störzustandes der Fehlerstrom FI auf einen reduzierten Fehlerstrom FI' reduziert und/oder der Fehlerstrom FI für eine vorgegebene Zeitdauer auf einen reduzierten Fehlerstrom FI' begrenzt. Gegebenenfalls erfolgt die Begrenzung bzw. Reduzierung unmittelbar mit Einstellen des Störzustands oder verzögert nach positiver Detektion des Störzustandes durch eine nicht dargestellte Detektionseinrichtung.
Durch die erfindungsgemäße Fehlerstromreduzierung bzw. -Begrenzung kann zumindest eines der zuvor genannten Störzustandsszenarien, wie Kurzschluss des ladestationsseitigen Schutzelements 8, wie in 1 gezeigt, Durchschmelzen und Unterbrechung eines der Schutzleiter insbesondere des ladestationsseitigen Schutzleiters 4a sowie ein Anliegen eines der Hochvoltpotenziale HV+ oder HVauf dem batterieseitigen Schutzleiteranschluss 4b vermieden werden.
In der hier gezeigten Ausführungsform beträgt ein Minimalquerschnitt des ladestationsseitigen Schutzleiters 4a, beispielsweise als Teil der inneren Verkabelung der Ladestation 3, 0,75 mm² oder weniger. Beispielsweise wird der Fehlerstrom FI durch den Fehlerstromregler 15 derart eingestellt, dass die Stromtragfähigkeit des gemeinsamen Schutzleiters, insbesondere des ladestationsseitigen Schutzleiters 4a zumindest über die vorgegebene Zeitdauer nicht gefährdet ist.
Hier weist die Ladestation 3 ein mit dem Fehlerstrom FI beaufschlagtes Schutzelement 8, wie einen Varistor, auf, über das im Störzustand eine Fehlspannung von 550V abfällt, die minimal einen Bruchteil der Batterienennspannung ausmacht. Beispielsweise wird der Fehlerstrom FI durch den Fehlerstromregler 15 derart eingestellt, dass die Stromtragfähigkeit des Schutzelements 8 zumindest über die vorgegebene Zeitdauer nicht gefährdet ist.
Wie in 3 gezeigt, ist der Fehlerstromregler 15 in den batterieseitigen Schutzleiter 4b integriert und Teil der der elektrischen Ladeschaltung 13.
Hier wird der Fehlerstrom FI durch den Fehlerstromregler 15 so begrenzt, dass ein an dem batterieseitigen Schutzleiter 4b anliegendes Berührpotenzial gegenüber dem ladestationsseitigen Massepotenzial nicht mehr als 350 Volt beträgt. Dadurch kann eine Personengefährdung beispielsweise im Falle einer händischen Berührung des batterieseitigen Schutzleiters 4b vermieden werden. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt die Mindestzeitdauer mindestens 15 ms, über die der Fehlerstromregler 15 ausgehend vom Einsetzen des Störzustands, gegebenenfalls eine gewissen Reaktionszeit einschließend, den Fehlerstrom FI auf einen reduzierten Fehlerstrom FI' reduziert, wie es in 4 gezeigt ist. Die gestrichelte Linie deutet dabei den Verlauf des Fehlerstroms FI an, wie er sich ohne die erfindungsgemäße Maßnahme entwickeln würde, bevor schließlich die in 4 nicht dargestellte Unterbrechung, wie in Zusammenhang mit 2 erläutert, einsetzt. Die zum Zeitpunkt t1 einsetzende Unterbrechung des Fehlerstroms FI' ergibt sich dadurch, dass nach der Mindestzeitdauer zumindest die den Fehlerstrom tragende elektrische Ladeverbindung der beiden Ladeverbindungen 5, 6 durch eine in 3 gezeigte, batterieseitige Schutzeinrichtung 16, wie ein pyrotechnisches Trennelement, unterbrochen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN IEC 61851-1 [0002, 0029]

Claims

Verfahren zur Fehlerstrombehandlung bei einer mit einer Ladestation (3) über eine Ladeschaltung (13) verbundenen Hochvoltbatterie (2), insbesondere in einem Kraftfahrzeug (1), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen der Hochvoltbatterie (2) mit einer zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) anliegenden Batterienennspannung; - Bereitstellen der Ladeschaltung (13); - Bereitstellen einer Ladestation (3) mit einer zwischen einem ersten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und einem zweiten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzial (HVN) anliegenden Ladenennspannung, die kleiner ist als die Batterienennspannung, - Herstellen einer elektrischen Schutzleiterverbindung (9) zwischen einem ladestationsseitigen Schutzleiter (4a) und einem in einem Nicht-Störzustand gegenüber dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) elektrisch isolierten, batterieseitigen Schutzleiter (4b), um den batterieseitigen Schutzleiter (4b) über den ladestationsseitigen Schutzleiter (4a) mit einem ladestationsseitigen Massepotenzial (PE) zu verbinden; - Herstellen jeweils einer elektrischen Ladeverbindung (5, 6) des ersten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials (HVP) mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und des zweiten ladestationsseitigen Hochvoltpotenzials (HVN) mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) über die Ladeschaltung (13), um in einem optionalen Ladeschritt die Hochvoltbatterie (2) mit einer über der Ladenennspannung der Ladestation (3) liegenden und durch einen zur Ladeschaltung (13) gehörigen Aufwärtswandler (14) aufwärtsgewandelten Ladespannung zu beaufschlagen, um elektrische Energie von der Ladestation (3) in die Hochvoltbatterie (2) zu übertragen; - Eintreten eines Störzustands, bei dem sich durch niederohmiges Verbinden (11) des ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzials (HVP) oder des zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzials (HVN) mit dem batterieseitigen Schutzleiter (4b) ein Fehlerstromkreis über die Ladestation (3) und die Schutzleiterverbindung (9) mit einem aus der Hochvoltbatterie (2) gespeisten Fehlerstrom (FI) ausbildet; - Reduzieren und/oder Begrenzen des Fehlerstroms (FI) während des Störzustands durch einen zur Ladeschaltung (13) gehörigen Fehlerstromregler (15) auf einen reduzierten Fehlerstrom (FI'), gegebenenfalls erst nach positiver Detektion des Störzustandes.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der reduzierte Fehlerstrom (FI') durch den Fehlerstromregler (15) so eingestellt wird, dass ein an dem batterieseitigen Schutzleiter (4) anliegendes Berührpotenzial gegenüber dem ladestationsseitigen Massepotenzial nicht mehr als 350 Volt, bevorzugt nicht mehr als 60 Volt beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ladestationsseitige Schutzleiter (4a) einen Minimalquerschnitt von 0,75 mm² oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladestation (3) ein in der im Störzustand mit dem Fehlerstrom (FI) beaufschlagten Ladeverbindung (5, 6) vorgesehenes Schutzelement (8), wie einen Varistor, aufweist, über das im Störzustand eine Fehlspannung abfällt, die bevorzugt mehr als 50% der Batterienennspannung ausmacht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerstrom (FI) durch den Fehlerstromregler (15) derart reduziert und/oder begrenzt wird, dass eine Stromtragfähigkeit des ladestationsseitigen Schutzleiters (4a) und/oder des Schutzelements (8) durch den Fehlerstrom nicht überschritten wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerstromregler (15) in den batterieseitigen Schutzleiter (4b) integriert ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerstromregler (15) in der mit dem Fehlerstrom (FI) beaufschlagten elektrischen Ladeverbindung (5, 6) vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fehlerstromkreis innerhalb einer der positiven Detektion des Störzustandes folgenden Dauer von maximal 20 ms, bevorzugt maximal 15 ms, meist bevorzugt maximal 10 ms, unterbrochen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Störzustand durch eine Isolationsüberwachungseinrichtung zur Ermittlung und Überwachung eines Isolationswiderstands zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und dem batterieseitigen Schutzleiter und/oder zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem batterieseitigen Schutzleiter (4b) ermittelt wird und der Störzustand beispielsweise anhand eines Unterschreitens eines jeweils vorgegebenen Wertes für den jeweiligen Isolationswiderstand positiv detektiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die den reduzierten Fehlerstrom (FI') tragende elektrische Ladeverbindung (5, 6) durch eine, bevorzugt außerhalb der Ladestation (3) vorgesehene, bevorzugter batterieseitig vorgesehene Schutzeinrichtung (16) der Ladeschaltung (13) unterbrochen wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Schutzeinrichtung (16) ein pyrotechnisches Trennelement und/oder ein reversibel trennendes Halbleiterelement aufweist.
Ladeschaltung (13), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (1), die ausgebildet ist, in Zusammenwirken mit einer eine Batterienennspannung aufweisenden Hochvoltbatterie (2) und einer Ladestation (3) mit einer Ladenennspannung, die geringer als die Batterienennspannung ist, das Verfahren zur Fehlerstrombehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen und zumindest den Fahlerstromregler (15) aufweist.