DE10220255A1

DE10220255A1 - Anordnung und Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses in einem Hybridelektrofahrzeug

Info

Publication number: DE10220255A1
Application number: DE10220255A
Authority: DE
Inventors: Mark Steven Yamazaki
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: US20020167223A1; DE10220255B4; GB2377100A; US6597072B2; GB2377100B; GB0208442D0

Abstract

Es wird eine Anordnung (10) und ein Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses (12) in einem Fahrzeug (14) mit einer oder mehreren elektrischen Energiequellen (16), die dem Fahrzeug (14) elektrische Energie liefern, beschrieben. Die Anordnung (10) umfasst eine Steuereinrichtung (18), ein Vorlade-Schaltschütz (20), einen Vorlade-Widerstand (22), ein Hauptschaltschütz (24) und einen Busspannungssensor (26). Das Vorlade-Schaltschütz (20) und das Hauptschaltschütz (24) sind jeweils wechselseitig über die elektrischen Busse (28, 30) mit der Steuereinrichtung (18) verbunden. Der Busspannungssensor (26) ist durch Verwendung des elektrischen Busses (32) wechselseitig mit der Steuereinrichtung (18) verbunden. In der Steuereinrichtung (18) wird die Spannung und die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12) berechnet. Diese Werte werden in einem Algorithmus (50) zum Schließen des Vorlade-Schaltschützes (20) und des Hauptschaltschützes (24) verwendet, wodurch der Hochspannungsbus (12) geladen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses in einem Hybridelektro fahrzeug, welche bzw. welches ein relativ schnelles und leichtes Laden des Hochspannungsbusses des Fahrzeugs ermög licht.

Bei Hybridelektrofahrzeugen (HEVs = hybrid electric ve hicles) werden sowohl Verbrennungskraftmotoren als auch ein oder mehrere Elektromotoren eingesetzt, um Energie und Drehmoment zu erzeugen. Die Elektromotoren werden aus einer elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise aus einer oder mehrerer Batterien oder Brennstoffzellen, mit Energie versorgt. Dabei wird ein Hochspannungsbus verwendet, um den Strom von der elektrischen Energiequelle zu den Elektromoto ren bzw. dem Elektromotor und zu anderen Hochspannungsbau teilen zu leiten. Die Verbindung des Hochspannungsbusses mit der elektrischen Energiequelle erfolgt über verschiedene Re lais oder Schaltschütze, welche durch eine Steuereinrichtung des Fahrzeugs gesteuert werden.

Insbesondere wird ein Vorlade-Schaltschütz verwendet, um den Bus mit der Batterie über einen Widerstand zu verbinden, wo bei das Vorlade-Schaltschütz den Bus bis zur vollen Batte riespannung auflädt, während bzw. so lange die Speicherkon densatoren des Motors geladen werden. Wenn das Vorladen ("pre charging") abgeschlossen bzw. beendet ist, werden die stromführenden Hauptschaltschütze geschlossen, was aufgrund des Stromabflusses aus den Hochspannungsbauteilen eine Span nungswelligkeit bzw. ein Spannungsbrummen oder einen Span nungseinbruch (voltage ripple) auf dem Bus bewirkt. Wenn sich die Busspannung stabilisiert hat, ist die Hochspan nungseinrichtung betriebsbereit und das Fahrzeug kann be trieben werden. Es ist erstrebenswert, den Hochspannungsbus so schnell wie möglich zu laden, ohne Gefahr zu laufen, die Anordnung oder deren Komponenten zu beschädigen, da auf die se Weise das Fahrzeug ohne signifikante oder unnötige Verzö gerungen in Betriebsbereitschaft versetzt werden kann. Ob wohl mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses ein vollständiges Laden möglich ist, erfolgt das Laden des Busses nicht immer in der schnellsten Weise oder auf die effizienteste Art. Darüber hinaus ist auch keine genaue Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem der Hochspannungsbus innerhalb eines Hybridelektrofahr zeuges stabil wird und die Stromversorgung der Hochspan nungsbauteile gewährleisten kann, möglich. Folglich kann bei Einsatz der bekannten Verfahren das Fahrzeug nicht in der kürzest möglichen Zeit in Betriebsbereitschaft versetzt wer den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses in einem Hybridelektrofahrzeug zu schaffen, welche bzw. welches ein vollständiges Laden des Hochspannungsbusses auf relativ schnelle und effiziente Weise ohne signifikante oder unnöti ge Verzögerungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung ge mäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach den Patentan sprüchen 12 und 16 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen stände der Unteransprüche.

Ein erster Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine genaue und rechtzeitige Bestimmung des Zeitpunktes ermöglicht wird, zu dem der Hochspannungsbus in einem Hybridelektrofahrzeug stabil wird und die Stromversorgung der Hochspannungsbauteile gewährleisten kann.

Ein zweiter Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Bestimmung von Fehlerbedingungen während des Bus ladevorganges ermöglicht wird. Dies erfolgt dadurch, dass dann, wenn die überwachte Ladesequenz signifikant von der erwarteten Ladesequenz abweicht, eine Meldung erfolgt.

Ein dritter Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Anordnung und ein Verfahren zum Laden eines Hoch spannungsbusses in einem Hybridelektrofahrzeug zur Verfügung gestellt wird, durch welche bzw. welches die Gesamtzeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft der Hochspannungsein richtung reduziert wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum La den eines Hochspannungsbusses in einem Fahrzeug zur Verfü gung gestellt. Die Anordnung umfasst eine Stromquelle, ein Vorlade-Schaltschütz, welches mit der Stromquelle und dem Hochspannungsbus verbunden ist und welches eine selektive und wirksame Verbindung des Hochspannungsbusses mit der Stromquelle herstellt, ein Hauptschaltschütz, welches mit der Stromquelle und dem Hochspannungsbus verbunden ist und welches eine selektive und wirksame Verbindung des Hochspan nungsbusses mit der Stromquelle herstellt, einen Busspan nungssensor, der eine Messung der Spannung des Hochspan nungsbusses und eine Erzeugung von Signalen in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung ermöglicht, und eine Steuerein richtung, die wechselseitig mit dem Vorlade-Schaltschütz, dem Hauptschaltschütz und dem Busspannungssensor verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung die Signale empfängt und diese verwendet, um die Spannung des Hochspannungsbusses und die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus zu berechnen, und wobei die Steuereinrichtung ferner eine Verwendung der berechneten Spannung und der Änderung der Spannung über die Zeit in einer State Machine-(Zustandsma schinen)Strategie ermöglicht, um das Vorlade-Schaltschütz und das Hauptschaltschütz zu schließen, wodurch der Hoch spannungsbus selektiv geladen wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses in einem Fahrzeug mit einer Stromquelle, sowie einem Vorlade-Schaltschütz und ei nem Hauptschaltschütz, welche die Stromquelle mit dem Hoch spannungsbus selektiv verbinden, zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Schritte aufweist: Überwachen der Spannung des Hochspannungsbusses, Überwachen der Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus, und Verwen den der überwachten Spannung und der überwachten Änderung der Spannung über die Zeit in einem Algorithmus, um zu er mitteln, wann das Vorlade-Schaltschütz und das Hauptschalt schütz zu schließen sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispiel haft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung, welche zum Laden des Hochspannungsbusses ei nes Fahrzeugs eingesetzt wird;

Fig. 2 ein Zustandsdiagramm, in dem die Schließstrategie der Anordnung gemäß Fig. 1 zum Laden des Hochspan nungsbusses des Fahrzeugs dargestellt wird, und

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Busspannung über die Zeit für einen typischen Bus-Ladezyklus.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen An ordnung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er findung. Die Anordnung 10 ermöglicht ein effizientes und schnelles Laden eines Hochspannungsbusses 12 innerhalb eines Fahrzeugs 14. Die Anordnung 10 ist zur Verwendung in Kombi nation mit einem Fahrzeug 14 mit einer oder mehreren Strom quellen 16 ausgebildet, wobei die Stromquellen 16 die elek trische Energie für das Fahrzeug 14 liefern. In einer bevor zugten Ausführungsform ist das Fahrzeug 14 ein elektrisches oder ein Hybridelektrofahrzeug.

Die Anordnung 10 umfasst eine Steuereinrichtung 18, ein Vor lade-Schaltschütz 20, einen Vorlade-Widerstand 22, ein Hauptschaltschütz 24 und einen Busspannungssensor 26. Das Vorlade-Schaltschütz 20 und das Hauptschaltschütz 24 sind jeweils unter Verwendung der elektrischen Busse 28, 30 wech selseitig mit der Steuereinrichtung 18 gekoppelt. Der Bus spannungssensor 26 ist mittels des elektrischen Busses 32 wechselseitig mit der Steuereinrichtung 18 verbunden. Das Fahrzeug 14 beinhaltet ferner einen oder mehrere Elektromo toren 34 und Hochspannungsbauteile 36, welche jeweils mit dem Hochspannungsbus 12 gekoppelt sind und elektrische Ener gie von diesem aufnehmen.

Der Hochspannungsbus 12 ist ein herkömmlicher Hochspannungs bus mit einem oder mehreren Speicherkondensatoren (nicht dargestellt). Die Stromquelle 16 besteht aus einer oder meh reren elektrischen stromerzeugenden Einrichtungen, wie bei spielsweise Brennstoffzellen oder Batterien. In der bevor zugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 18 eine herkömmliche, auf einem Mikroprozessor basierende Steuerein heit, insbesondere umfasst die Steuereinrichtung 18 bei spielsweise einen Teil einer herkömmlichen Fahrzeug-System steuerung (VSC = vehicle system controller).

Das Vorlade-Schaltschütz 20 steht in elektrischer Verbindung mit der Stromquelle 16, beispielsweise einer Batterie, und dem Hochspannungsbus 12. Das Vorlade-Schaltschütz 20 bein haltet ein oder mehrere herkömmliche elektronisch gesteuerte Schaltschütze oder Schalter (beispielsweise Relais), die in Abhängigkeit von Signalen arbeiten, welche von der Steuer einrichtung 18 empfangen werden. Diese Schaltschütze oder Schalter ermöglichen eine selektive und wirksame (bzw. ope rative) Verbindung der Batterie bzw. Stromquelle 16 mit dem Hochspannungsbus 12, was ein Vorladen des Hochspannungsbus ses 12 ermöglicht. Der Vorlade-Widerstand 22 ist ein her kömmlicher Vorlade-Widerstand mit einem relativ hohen Wider standswert. Das Hauptschaltschütz 24 ist mit der Stromquel le 16 und dem Hochspannungsbus 12 verbunden. Das Haupt schaltschütz 24 besteht aus ein oder mehreren herkömmlichen elektronisch gesteuerten Schaltschützen oder Schaltern (bei spielsweise Relais), welche in Abhängigkeit von Signalen ar beiten, die von der Steuereinrichtung 18 aufgenommen werden. Diese Schaltschütze oder Schalter ermöglichen eine selektive und wirksame Verbindung der Stromquelle 16 mit dem Hochspan nungsbus 12, wodurch wiederum ein Laden des Hochspannungs busses 12 und das Liefern von Strom an den Elektromotor 34 und die Hochspannungsbauteile 36 ermöglicht wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind das Vorlade-Schaltschütz 20 und das Hauptschaltschütz 24 parallel zueinander angeordnet. Obwohl in Fig. 1 einzelne Schaltschütze oder Schalter abgebildet sind, sei darauf hingewiesen, dass jedes Schaltschütz 20, 24 tatsächlich mehrere verschiedene Schalter oder Relais ent halten kann, welche zur Herstellung der erforderlichen Ver bindung zwischen der Stromquelle 16 und dem Hochspannungs bus 12 zusammenwirken.

Der Busspannungssensor 26 beinhaltet einen oder mehrere her kömmliche und kommerziell erhältliche Spannungssensoren, durch welche die Spannung im Hochspannungsbus 12 gemessen und/oder abgeschätzt werden kann. Der Busspannungssensor 26 misst die Spannung und/oder schätzt diese ab und übermittelt Signale an die Steuereinrichtung 18, welche die gemessenen und/oder abgeschätzten Spannungswerte repräsentieren. Die Steuereinrichtung 18 verwendet diese Signale zur Abschätzung der Spannung des Hochspannungsbusses 12, um die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus 12 zu berechnen und diese Werte zum Betreiben der Schaltschütze 20, 24 in gewünschter Weise zu verwenden.

Ein mit 34 bezeichneter Elektromotor besteht aus einem oder mehreren herkömmlichen Motoren, der bzw. die elektrische Energie aus der Stromquelle 16 bzw. der Batterie aufnehmen und diese elektrische Energie in Drehmoment und Kraft zum Antrieb des Fahrzeugs 14 umwandelt bzw. umwandeln (bei spielsweise um die Antriebswelle und/oder die Räder des Fahrzeugs in Rotation zu versetzen). Die Hochspannungsbau teile 36 umfassen herkömmliche Fahrzeugbauteile, die mittels hochgespannter elektrischer Energie aus dem Hochspannungs bus 12 betrieben werden.

Im Betrieb steuert die Steuereinrichtung 18 das Schließen der Schaltschütze 20, 24 unter Verwendung einer besonderen Strategie bzw. eines Algorithmus 50, der in dem Zustandsdia gramm in Fig. 2 dargestellt ist. Der Algorithmus 50 verwen det eine synchrone State Machine (bzw. Zustandsmaschine), um die Schaltschütze 20, 24 zu schließen und das Aufladen des Hochspannungsbusses 12 zu überwachen. Die State Machine wird in der Steuereinrichtung 18 abgearbeitet und arbeitet gemäß einer nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsform in zeitlichen Abständen von 10 Millisekunden (ms). Der Algo rithmus 50 teilt das Aufladen des Hochspannungsbusses 12 in einen vorbestimmten Ablauf von Ereignissen. Die Steuerein richtung 18 steuert und verfolgt dann diese Ereignisse. Hierdurch wird die Steuereinrichtung 18 in die Lage ver setzt, den Zeitpunkt, zu dem der Hochspannungsbus 12 stabil wird und den Elektromotor 34 sowie die Hochspannungsbautei le 36 mit elektrischer Energie versorgen kann, sofort und präzise zu bestimmen. Der Algorithmus 50 ermittelt ferner Fehlerbedingungen durch eine Feststellung, ob der überwachte Ladeablauf signifikant von einem "erwarteten" oder typischen Ladeablauf abweicht. Fig. 3 zeigt einen typischen oder "er warteten" Busladeverlauf in Form einer graphischen Darstel lung des Verlaufs der Busspannung über die Zeit 100.

Der Algorithmus 50 der State Machine ist in zwei Hauptberei che bzw. Zyklen unterteilt, nämlich einen Steuerzyklus 52 für das Vorlade-Schaltschütz 20 und einen Steuerzyklus 54 für das Hauptschaltschütz 24. Während der Steuerzyklus 52 für das Vorladen abläuft, steigt die Busspannung sehr schnell an, weil die Speicherkondensatoren des Hochspan nungsbusses 12 aufgeladen werden. Wenn die Busspannung auf das Potential der Stromquelle 16 bzw. der Batterie angestie gen ist, wird das Hauptschaltschütz 24 im Steuerzyklus 54 geschlossen und der Hochspannungsbus 12 wird stabilisiert.

Fig. 2 zeigt eine besondere und nicht einschränkend aufzu fassende Ausführungsform des Algorithmus 50 der State Machi ne, welcher von der Steuereinrichtung 18 verwendet wird. Be züglich der Zeit- und Spannungsangaben in Fig. 2 wird dar auf hingewiesen, dass diese Angaben lediglich zur Verdeutli chung wiedergegeben werden und dass diese in Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften des Fahrzeugs 14, der Stromquelle 16 und/oder des Elektromotors 34 verändert oder angepasst werden können. Insbesondere alle Werte für die Spannung (V) und die Änderung der Spannung über die Zeit (dv/dt) können auf jeden vorbestimmten und justierbaren Wert eingestellt werden, der basierend auf den Eigenschaften des Fahrzeugs 14 und der Spannungsquelle 16 als wünschenswert oder geeignet erscheint.

Der Algorithmus 50 zum Schließen der Schaltschütze beginnt mit dem Steuerzyklus 52 für das Vorladen. Wenn das Fahr zeug 14 angelassen wird (beispielsweise durch Betätigung des Zündschlüssels), tritt die Steuereinrichtung 18 in den Zu stand 0 "Start der Vorladung" ein und schließt das Vorlade- Schaltschütz 20. Die Steuereinrichtung 18 übermittelt zu diesem Zweck ein Signal an das Vorlade-Schaltschütz 20, wel ches ein Schließen des Vorlade-Schaltschützes 20 bewirkt. Die Steuereinrichtung 18 schaltet in den Zustand 1 "Vorla dung läuft" weiter, wenn der Anstieg der Spannung über den Hochspannungsbus 12 (d. h. dv/dt) 4 Volt (V) pro 50 Millise kunden (ms) überschreitet (d. h., wenn dv/dt < 4 V/50 ms ist). Die Steuereinrichtung 18 schaltet weiterhin dann in den Zustand 1 weiter, wenn die erfasste Busspannung 200 Volt überschreitet. Diese Situation tritt dann auf, wenn die Speicherkondensatoren aufgrund eines vorhergehenden Ladevor ganges noch aufgeladen sind. Diese Bedingung könnte bei spielsweise auftreten, wenn das Fahrzeug 14 gestartet wird, unmittelbar nachdem es ausgeschaltet wurde. Wenn die Ände rung der Spannung über die Zeit geringer als 2 Volt in 10 Sekunden beträgt (d. h., wenn dv/dt < 2 Volt/10 Sekunden ist), schaltet die Steuereinrichtung 18 in den Zustand 3 "Vorladefehler" und ein Vorladefehler wird festgestellt. In Zustand 3 beendet die Steuereinrichtung 18 den Ladevorgang (d. h. entkoppelt das Vorlade-Schaltschütz 20) und gibt eine Fehlermeldung an die Systemsteuereinheit des Fahrzeugs ab.

Wenn sich die Steuereinheit 18 im Zustand 1 befindet, wird das Vorlade-Schaltschütz 20 geschlossen und die Busspannung steigt auf das Spannungspotential der Stromquelle 16 an. Die Änderung der Busspannung über die Zeit (d. h. dv/dt) fällt ab, wenn die Busspannung das Potential der Stromquelle bzw. der Batterie erreicht. Wenn die Änderung der Busspannung über die Zeit unterhalb von 2 Volt in 50 Millisekunden ab fällt (d. h., wenn dv/dt < 2 Volt/50 Millisekunden ist), schaltet die Steuereinheit 18 in den Zustand 2 "Vorladung beendet" weiter.

In Zustand 2 überprüft die Steuereinrichtung 18 die "endgül tige" vorlade-Busspannung mittels des Busspannungssen sors 26. Wenn diese endgültige vorlade-Busspannung größer als 200 Volt ist, tritt die Steuereinrichtung 18 in den Zu stand 4 "Schließen des Hauptschaltschützes" ein. Wenn dage gen die endgültige Vorlade-Busspannung nicht mehr als 200 Volt erreicht, tritt die Steuereinrichtung 18 in den Zu stand 3 ein und stellt einen Vorladefehler fest. Wenn die Steuereinrichtung 18 aus dem Zustand 2 in den Zustand 3 wei terschaltet, wird ein schwerwiegender Fehler festgestellt und das Laden des Hochspannungsbusses wird beendet (d. h., das Vorlade-Schaltschütz 20 wird geöffnet). Beim Eintritt in den Zustand 3 gibt die Steuereinrichtung 18 die Fehlermel dung an die Systemsteuereinheit des Fahrzeugs weiter. Um ei nen solchen schwerwiegenden Fehler zu beheben, muss das Fahrzeug 14 aus- und wieder angeschaltet werden, d. h. der Zündschalter des Fahrzeugs muss zunächst in die "Aus"- Stellung und dann wieder in die "Start"-Stellung bewegt wer den.

In Zustand 4 tritt die Steuereinrichtung 18 in den Steuerzy klus 54 für das Hauptschaltschütz 24 des Algorithmus 50 ein und bewirkt ein Schließen des stromführenden Hauptschalt schützes 24. D. h., dass die Steuereinrichtung 18 ein Signal an das Hauptschaltschütz 24 übermittelt, welches ein Schlie ßen des Hauptschaltschützes 24 bewirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Vorlade- Schaltschütz 20 geöffnet, nachdem das Hauptschaltschütz 24 geschlossen wurde. Wenn das Hauptschaltschütz 24 erfolgreich geschlossen wurde, schaltet die Steuereinrichtung 18 in den Zustand 5 "Busstabilisierung" weiter. Insbesondere, wenn die gemessene Busspannung nach dem Schließen des Hauptschalt schützes 24 größer als 200 Volt bleibt, tritt die Steuerein richtung 18 in den Zustand 5 ein. Wenn ein Zustand aufgetre ten ist, die einen Abfall des Wertes der Busspannung unter halb von 200 Volt bewirkt, schaltet die Steuereinrichtung 18 in den Zustand 7 "Hauptschaltschützfehler" weiter und es wird ein Hauptschaltschützfehler festgestellt.

Wenn das Hauptschaltschütz 24 geschlossen wird, werden der Elektromotor 34 und die Hochspannungsbauteile 36 mit dem Hochspannungsbus 12 verbunden, was eine Schwankung des Ni veaus der Busspannung bewirkt. In Zustand 5 wird eine Stabi lisierung dieser Schwankung ermöglicht. Die Änderung der Spannung über die Zeit (d. h. dv/dt) fällt ab, wenn der Hoch spannungsbus 12 eine Stabilität erreicht. Wenn die Änderung der Busspannung über die Zeit unterhalb von 2 Volt für 50 Millisekunden (d. h., wenn dv/dt < 2 V/50 ms ist) abfällt, schaltet die Steuereinrichtung 18 in den Zustand 6 "Bus vollständig geladen" weiter.

In Zustand 6 wird die "endgültige" Busspannung erneut über prüft. Wenn die Busspannung 200 Volt überschreitet, wird die Stabilität des Hochspannungsbusses 12 festgestellt und der Elektromotor 34 sowie die Hochspannungsbauteile 36 sind be triebsbereit. Wenn die Busspannung unterhalb 200 Volt liegt, wird in den Zustand "Hauptschaltschützfehler" übergeleitet und ein Hauptschaltschützfehler festgestellt.

In Zustand 7 stellt die Steuereinrichtung 18 einen schwer wiegenden Fehler fest und beendet den Ladevorgang für den Hochspannungsbus 12. Insbesondere wird der Ladevorgang in Zustand 7 durch die Steuereinrichtung 18 beendet (d. h. die Steuereinrichtung 18 entkoppelt das Hauptschaltschütz 24) und eine Fehlermeldung durch die Steuereinrichtung 18 an die Systemsteuereinheit des Fahrzeugs abgegeben. Um einen derar tigen schwerwiegenden Fehler zu beheben, muss das Fahr zeug 14 aus und wieder eingeschaltet werden, d. h. der Zünd schalter des Fahrzeugs muss zunächst in die "Aus"-Stellung und dann in die "Start"-Stellung bewegt werden.

Der erfindungsgemäße Algorithmus 50 der State Machine bietet deutliche Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses. Weil die Än derung der Busspannung über die Zeit (d. h. dv/dt) sowohl im Steuerzyklus 52 für das Vorladen als auch im Steuerzyklus 54 für das Hauptschließen überwacht wird, wird die für die Sta bilisierung der Busspannung erforderliche Zeit signifikant verkürzt. Dies liegt daran, dass die erfindungsgemäße Anord nung 10 bzw. der Algorithmus 50 keine festgelegte Pufferzeit benötigt. Wenn der Ablauf des Vorladens vollständig beendet ist, schaltet die State Machine von Zustand 1 "Vorladung läuft" in Zustand 2 "Vorladung beendet", sobald dv/dt < 2 Volt/50 Millisekunden ist. Wenn das Hauptschaltschütz 24 ge schlossen ist, schaltet die State Machine in gleicher Weise von Zustand 5 "Busstabilisierung" in Zustand 6 "Bus voll ständig geladen", sobald dv/dt < 2 V/ms ist.

Bei dem State Machine Algorithmus 50 wird keine Pufferzone zwischen den Übergängen benötigt, weil der Zustand selbst als Pufferzone wirkt. Der Zustandsübergang tritt nicht ein, bis der Bus stabil ist. Die Übergang tritt jedoch sofort auf, sobald der Bus stabil ist. Hieraus folgt, dass die Sta bilität des Busses sofort festgestellt wird, wenn dies mög lich ist. Hierbei werden unterschiedliche Bedingungen be rücksichtigt, wie beispielsweise der Ladezustand der Batte rie und der verfügbare Quellenstrom. Die State Machine kann die Stabilität des Hochspannungsbusses für einen gegebenen Satz von Fahrzeugbedingungen immer in der geringsten Zeit spanne feststellen.

Es wurde festgestellt, dass die Zeit vom Drehen des Zün dungsschalters des Fahrzeugs in die "Start"-Stellung bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Hochspannungsbus des Fahrzeugs be triebsbereit war, durch Verwendung des Algorithmus 50 der State Machine auf 450 Millisekunden reduziert werden konnte. Dies bedeutet eine Reduzierung der Ladezeit um 34% gegen über dem Stand der Technik und stellt somit eine deutliche Verbesserung dar.

Der Einsatz der State Machine bzw. des Algorithmus hat den Vorteil, dass der Zustand, in dem sich der Bus innerhalb des Ladevorgangs befindet, und der Zeitpunkt, zu dem dieser in den nächsten Zustand eingetreten ist, präzise bestimmt wer den kann. Dieses direkte Verfolgen der Busspannung während des Ladens führt zur schnellstmöglichen Bestimmung der Bus stabilität. Dadurch wiederum wird die Zeit vom Drehen des Zündschalters des Fahrzeugs in die "Start"-Stellung bis zu dem Punkt, zu dem das Fahrzeug vollständig betriebsbereit ist, verkürzt. Es hat sich herausgestellt, dass die erfin dungsgemäße Anordnung 10 sehr leistungsfähig ist und sich diese als sehr robust und zuverlässig erwiesen hat, wobei unterschiedliche Fahrzeugkonfigurationen berücksichtigt wur den.

Bezugszeichenliste

10

Anordnung

12

Hochspannungsbus

14

Fahrzeug

16

elektrische Energiequelle

18

Steuereinrichtung

20

Vorlade-Schaltschütz

22

Vorlade-Widerstand

24

Hauptschaltschütz

26

Busspannungssensor

28

Bus

30

Bus

32

Bus

34

Elektromotor(en)

36

Hochspannungsbauteile

50

Algorithmus

52

Steuerzyklus (für das Vorlade-Schaltschütz)

54

Steuerzyklus (für das Hauptschaltschütz)

100

Verlauf der Busspannung über die Zeit

Claims

1. Anordnung (10) zum Laden eines Hochspannungsbusses inner halb eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch
eine elektrische Energiequelle (16),
ein Vorlade-Schaltschütz (20), welches mit der elektri sche Energiequelle (16) und dem Hochspannungsbus (12) verbunden ist und welches eine selektive und wirksame Verbindung des Hochspannungsbusses (12) mit der elektri sche Energiequelle (16) herstellt,
ein Hauptschaltschütz (24), welches mit der elektrische Energiequelle (16) und dem Hochspannungsbus (12) verbun den ist und eine selektive und wirksame Verbindung des Hochspannungsbusses (12) mit der elektrischen Energie quelle (16) herstellt,
einen Busspannungssensor (26), der eine Messung der Span nung des Hochspannungsbusses (12) und eine Erzeugung von Signalen in Abhängigkeit von der gemessenen Spannung er möglicht, und
eine Steuereinrichtung (18), die wechselseitig mit dem Vorlade-Schaltschütz (20), dem Hauptschaltschütz (24) und dem Busspannungssensor (26) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (18) die Signale aufnimmt und diese verwendet, um die Spannung des Hochspannungsbusses (12) und die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspan nungsbus (12) zu berechnen, und wobei die Steuereinrich tung (18) ferner eine Verwendung der berechneten Spannung und Änderung der Spannung über die Zeit in einem Algo rithmus (50) ermöglicht, um das Vorlade-Schaltschütz (20) und das Hauptschaltschütz (24) zu schließen, wodurch der Hochspannungsbus (12) selektiv geladen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorlade-Schaltschütz (20) parallel zum Hauptschalt schütz (24) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorlade-Schaltschütz (20) ein Relais umfasst.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das Hauptschaltschütz (24) ein Relais umfasst.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Algorithmus (50) einen Steuerzy klus (52) für das Vorladen, in dem das Vorlade- Schaltschütz (20) geschlossen ist, und einen Steuerzy klus (54) für das Hauptladen, in dem das Hauptschalt schütz (24) geschlossen ist, umfasst.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) dahingehend ausgebildet ist, dass ein Übergang vom Steuerzyklus (52) für das Vorladen zum Steuerzyklus (54) für das Hauptladen nur dann er folgt, wenn die berechnete Spannung einen ersten vorbe stimmten Wert überschreitet und die berechnete Änderung der Spannung über die Zeit geringer ist als ein zweiter vorbestimmter Wert.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) eine Betriebsbereitschaft des Fahrzeugs (14) nur dann feststellt, wenn sich der Al gorithmus (50) im Steuerzyklus (54) für das Hauptladen befindet, die berechnete Spannung einen dritten vorbe stimmten Wert überschreitet und die berechnete Änderung der Spannung über die Zeit geringer ist als ein vierter vorbestimmter Wert.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorbestimmte Wert annähernd 200 Volt be trägt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite vorbestimmte Wert annähernd 2 Volt für 50 ms beträgt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der dritte vorbestimmte Wert annähernd 200 Volt beträgt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass der vierte vorbestimmte Wert annähernd 2 Volt für 50 ms beträgt.

12. Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses innerhalb eines Fahrzeugs mit einer elektrischen Energiequelle, ei nem Vorlade-Schaltschütz und einem Hauptschaltschütz, wo bei die elektrische Energiequelle mit dem Hochspannungs bus selektiv über das Vorlade-Schaltschütz und das Haupt schaltschütz verbunden sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Überwachen der Spannung des Hochspannungsbusses (12),
Überwachen der Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12), und
Verwenden der überwachten Spannung und der überwachten Änderung der Spannung über die Zeit in einem Algorith mus (50), um zu ermitteln, wann das Vorlade-Schalt schütz (20) und das Hauptschaltschütz (24) zu schließen sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus (50) einen Steuerzyklus (52) für das Vor laden, in dem das Vorlade-Schaltschütz (20) geschlossen ist, und einen Steuerzyklus (54) für das Hauptladen, in dem das Hauptschaltschütz (24) geschlossen ist, umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von dem Steuerzyklus (52) für das Vorladen in den Steuerzyklus (54) für das Hauptladen nur erfolgt, wenn die überwachte Spannung einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet und die überwachte Änderung der Span nung über die Zeit geringer ist als ein zweiter vorbe stimmter Wert.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nur festgestellt wird, dass der Hochspannungsbus (12) vollständig geladen und das Fahrzeug (14) betriebsbereit ist, wenn der Algorithmus (50) sich im Steuerzyklus (54) für das Hauptladen befindet und die überwachte Spannung einen dritten vorbestimmten Wert überschreitet und die überwachte Änderung der Spannung über die Zeit geringer ist als ein vierter vorbestimmter Wert.

16. Verfahren zum Laden eines Hochspannungsbusses (12) in ei nem Fahrzeug (14) mit einer elektrischen Energiequel le (16), welches ein Vorlade-Schaltschütz (20) und ein Hauptschaltschütz (24) umfasst, welche die elektrische Energiequelle (16) mit dem Hochspannungsbus (12) selektiv verbinden, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Schließen des Vorlade-Schaltschützes (20), das eine Ver bindung des Hochspannungsbusses (12) mit der elektrischen Energiequelle (16) herstellt,
Überwachen der Spannung des Hochspannungsbusses (12),
Überwachen der Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12),
Bestimmen, ob die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12) einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet und ob die Spannung des Hochspannungsbus ses (12) einen zweiten vorbestimmten Wert überschreitet,
Weiterschalten in einen ersten Zustand, wenn die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12) den ersten vorbestimmten Wert überschreitet oder wenn die Spannung des Hochspannungsbusses (12) den zweiten vorbe stimmten Wert überschreitet,
Bestimmen, ob die Änderung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12) geringer ist als ein dritter vorbe stimmter Wert im ersten Zustand,
Weiterschalten in einen zweiten Zustand, wenn die Ände rung der Spannung über die Zeit im Hochspannungsbus (12) geringer ist als der dritte vorbestimmte Wert im ersten Zustand,
Bestimmen, ob die Spannung des Hochspannungsbusses (12) einen vierten vorbestimmten Wert im zweiten Zustand über schreitet,
Weiterschalten auf einen dritten Zustand, wenn die Span nung des Hochspannungsbusses (12) den vierten vorbestimm ten Wert im zweiten Zustand nicht überschreitet, und Öff nen des Vorlade-Schaltschützes (20) im dritten Zustand, wodurch das Laden des Hochspannungsbusses (12) beendet wird,
Weiterschalten in einen vierten Zustand, wenn die Span nung des Hochspannungsbusses (12) den vierten vorbestimm ten Wert im zweiten Zustand überschreitet, und Schließen des Hauptschaltschütz (24) im vierten Zustand,
Bestimmen, ob die Busspannung größer ist als ein fünfter vorbestimmter Wert im vierten Zustand,
Weiterschalten in einen fünften Zustand, wenn die Span nung des Hochspannungsbusses (12) den fünften vorbestimm ten Wert im vierten Zustand überschreitet,
Bestimmen, ob die Änderung der Spannung über die Zeit ge ringer ist als ein sechster vorbestimmter Wert im fünften Zustand,
Weiterschalten in einen sechsten Zustand, wenn die Ände rung der Spannung über die Zeit geringer ist als der sechste vorbestimmte Wert im fünften Zustand,
Bestimmen, ob die Spannung des Hochspannungsbusses (12) einen siebten vorbestimmten Wert im sechsten Zustand überschreitet,
Weiterschalten in einen siebten Zustand, wenn die Span nung des Hochspannungsbusses (12) den vierten vorbestimm ten Wert im zweiten Zustand nicht überschreitet, und Be enden des Ladens des Hochspannungsbusses (12) im siebten Zustand, und
Ermitteln, dass der Hochspannungsbus (12) vollständig ge laden und betriebsbereit ist, wenn die Spannung des Hoch spannungsbusses (12) den siebten vorbestimmten Wert im sechsten Zustand überschreitet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten, vierten, fünften und siebten vorbestimmten Werte sämtlich annähernd gleich sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten, vierten, fünften und siebten vorbestimmten Werte jeweils annähernd 200 Volt betragen.

19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekenn zeichnet, dass die dritten und sechsten vorbestimmten Werte annähernd gleich sind.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten und sechsten vorbestimmten Werte annähernd 2 Volt für 50 ms betragen.