EP3787922A1 - Hochgeschwindigkeitsentladesystem für einen hochspannungsenergiespeicher - Google Patents

Hochgeschwindigkeitsentladesystem für einen hochspannungsenergiespeicher

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EP3787922A1
EP3787922A1 EP19720532.1A EP19720532A EP3787922A1 EP 3787922 A1 EP3787922 A1 EP 3787922A1 EP 19720532 A EP19720532 A EP 19720532A EP 3787922 A1 EP3787922 A1 EP 3787922A1
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EP
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voltage
inverter
discharge system
speed discharge
line
Prior art date
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Application number
EP19720532.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian UTZ
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Innofas GmbH
Original Assignee
Innofas GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B60L55/00—Arrangements for supplying energy stored within a vehicle to a power network, i.e. vehicle-to-grid [V2G] arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/12—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation
    • Y04S10/126—Monitoring or controlling equipment for energy generation units, e.g. distributed energy generation [DER] or load-side generation the energy generation units being or involving electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV], i.e. power aggregation of EV or HEV, vehicle to grid arrangements [V2G]

Definitions

  • the invention relates to a discharge system for a high voltage source.
  • This disclosure relates to electrically powered vehicles, and more particularly, but not exclusively, to a discharge device for a high voltage power storage device for selectively discharging energy stored in a high voltage power source of an electrically operated vehicle.
  • Hybrid electric vehicles HEVs
  • plug-in hybrid electric vehicles PHEVs
  • battery electric vehicles BEVs
  • fuel cell vehicles and other well-known electric vehicles from conventional motor vehicles in that they are powered by one or more electric machines (ie, electric motors and generators) instead of or in addition to an internal combustion engine.
  • the supply of high voltage power for powering these types of electric machines is typically accomplished by a traction battery system having one or more battery cells that store energy.
  • so-called high-voltage memory cells are used whose operating voltage is well above 48V, eg at 650 V.
  • the discharge of a high-voltage battery can, for. B. by activating all electrical consumers, such as interior heating, air conditioning ge, heated rear window, headlights and heated seats.
  • electrical consumers such as interior heating, air conditioning ge, heated rear window, headlights and heated seats.
  • power of a few kilowatts flow.
  • the unloading process takes about three hours. Pure electric vehicles with energy contents of up to 100 kWh would take about a day to complete.
  • a solution is known in which a sensor is provided which is designed so that it detects egg nen parameter of a high voltage source and a controller in communication with the sensor and a discharge circuit, which energy stored in the high voltage source, in response to a command signal from the controller discharges.
  • the discharge circuit comprises a plurality of resistors which are connected in parallel with one another.
  • Such and similar known solutions are, but not suitable, a vehicle battery with a charging capacity between 20 KW and 50KW or greater (at a typical operating voltage between 300V and 450V to partly 1000V). sufficiently fast to discharge. So that at a battery voltage of z. B.
  • the invention is therefore an object of the invention overcome above-mentioned disadvantages and to propose a solution for a test stand for cost-effective, fast and efficient unloading of a high voltage energy storage, the
  • a high-speed discharge system for discharging a high-voltage energy store via a grid connection into a conventional power grid up to a certain residual charge (SOC) of the charging capacity, comprising a grid-side connected inverter which is connected via a connecting line to a junction box arranged on or in the high-voltage energy store can be connected or connected and during operation of the high-speed discharge between the inverter and the high-voltage energy storage an intermediate circuit voltage U Z K is applied, further comprising a control device is provided, which ensures during the discharge that the intermediate circuit voltage U ZK is greater than the peak value of the network change - Voltage U Ne tz of the power grid.
  • SOC residual charge
  • Control device comprises a transformer which is netzwoodssei tig between the inverter and the power supply, said transformer having a transmission ratio to the output voltage U Ne tz_neu at the inverter to at least the mains voltage U Ne tz raise, in the event that the voltage U Netz-neu is lower than that of the mains voltage U Ne tz ⁇
  • the inverter works unloading by not drawing the energy from the mains, but taking it from the high-voltage battery and feeding it into the grid. Due to the high battery capacity of a high voltage energy storage device, the battery voltage remains almost stable throughout the discharge until the SOC of the battery, which could increase the current flow to values higher than 100A, but this is prevented by current limiting.
  • the minimum possible intermediate circuit voltage must be above the peak value of the mains voltage. Since the vehicle test stand must be able to discharge the vehicle battery to a customer SOC of 0%, achieving a minimum DC link voltage is absolutely necessary.
  • SOC stands for "State of charge” and describes the state of charge of the vehicle battery in percent. Due to the prevailing mains voltage, which is currently typically above the minimum DC link voltage, the aforementioned transformer is required.
  • a DC / AC feed is not performed, but specifically a DC / DC feed via a converter unit in order to store the electrical energy in a buffer memory. It is further preferred to provide a device with a switching branch in order to be able to use both discharge options and preferably to switch the discharge path to the buffer reservoir and / or the mains connection by means of a controller.
  • a zero-current control is realized. In this case, the control is designed in such a way that, as far as possible, no feedback, ie "zero" current, flows into the network, but rather the power supply. as long as self-consumption is possible, fed into the "own" network to the consumers, or preferred for charging reserves
  • Discharge process is used to load the DC buffer.
  • the controller can make a targeted current flow regulation by the user in accordance with an individually selectable prioritization, which further adapts itself dynamically, depending on time variant sizes.
  • the discharge behavior at night tariff times can be controlled differently than at the time of day tariffs, whereby in each case preferably the zero-current control is superimposed as a control loop.
  • a combination filter and preferably still a line filter are arranged for filtering high-frequency voltage disturbances, the combined filter further preferably comprises a throttle.
  • Another aspect of the present invention relates to the fact that the high-voltage energy storage is installed in a vehicle at its intended in accordance installation location.
  • the cables of the PTC interior heating and of the electric air conditioning compressor (EKK) are too weakly dimensioned for connection. No energy can be drawn from the AC charging socket (LD), as the on-board charger (OBC) can supply power to the high-voltage battery but can not operate any consumers via the charging socket. Since a standardized DC charging socket is currently not available on many vehicles, the use of this cable would definitely restrict the compatibility of the high-speed discharge system.
  • Traction cables between power electronics (LE) are subjected to AC voltage, so that here too no suitable connection to the high-voltage battery can be created.
  • the invention thus comprises the high-speed discharge system in a preferred embodiment, a cable set comprising the connec tion line and two breakout boxes.
  • the first breakout box is provided with a connector for connecting the connection cable to the vehicle's junction box.
  • the connection line of the first breakout box extends into the second breakout box, from where a detachable connection line leads as part of the cable set to the control cabinet or inverter.
  • the second breakout box three cable pairs of the cable set from each of a high-voltage lines (HV +) and a high-voltage lines (HV) run, in each case the high-voltage lines (HV +) and the high-voltage lines (HV-) via a common Busbar (71 and 72) are electrically connected to each other.
  • a line pair leads (out of the breakout box) to egg nem attached to the breakout box connector (housing connector), which provides the interface for connecting the circuit to the inverter with the inverter.
  • HV +, HV- Another line pair (HV +, HV-) is led out through cable bushings from the second breakout box for connection to the power electronics (LE) of the vehicle.
  • L power electronics
  • the first and second breakout boxes each have a metallic in particular shielded housing, which are connected to a common equipotential bonding line (PE), which leads to the connector for connecting the inverter to the connection of a connection line to the inverter at the same time establish a connection to an external equipotential bonding.
  • PE equipotential bonding line
  • a mechanical unlocking and locking device is provided on the second breakout box, which is designed such that a locking bracket (for locking the plug connection) is provided which is in a position when the plug connection is locked With an inserted mating connector, a position switch in the breakout box is operated directly or indirectly.
  • An actuating tappet for the position switch can be arranged in the direction of actuation behind the locking bracket, so that it is actuated when the shutter is opened.
  • the position switch is used to realize a break contact with double break, which safely disconnects the emergency stop circuit.
  • the vehicle test bench is advantageously implemented in such a way that a control cabinet is provided in which the inverter is accommodated and leads a line to the mains connection of a three-phase network (L1, L2, L3).
  • Another aspect of the present invention relates to a method of discharging a high voltage energy storage in a vehicle having a high speed discharge system as described above.
  • the driving readiness of the vehicle is produced directly or via a manipulation of the vehicle control unit and then the unloading process is started.
  • the preparation of the driving readiness is necessary insofar as a discharge is even permitted by the on-board electronics of a vehicle.
  • An initially obvious possibility for producing the unloading readiness is to activate the ignition of the vehicle by means of the start / stop button.
  • the signal from the on-board power supply control unit is read in, which closes the corresponding relay. If the gateway is supplied with power, the HVK causes the high-voltage contactors to close.
  • the terminal is automatically deactivated again after a few minutes. This has the consequence that the contactors open and the unloading process is interrupted. Thus, this variant is unsuitable for discharging a high-voltage battery.
  • Energy is stored in the battery. Furthermore, the battery current is monitored. Here, a parameter determines the amount of current that may flow permanently, without the battery management system having a Reduction of the current flow causes.
  • the limit and measured values of the battery management system are communicated via a CAN bus and thus made available to all bus users. So that no further line from the test bed to the vehicle to be unloaded must be performed, the CAN communication should be carried out in an advantageous manner by radio transmission.
  • a transmitter and a receiver module are used, wherein the transmitter is connected to the vehicle and supplied from the 12 V starter battery.
  • the receiver is connected to the PLC via CAN cables at the test bench.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment egg nes high-speed discharge system
  • Fig. 2 is an illustration of the voltage level between the high
  • FIG. 3 shows a cable set for connecting the high-voltage energy supply chers with the inverter and the power electronics
  • FIG. 4 shows a schematic partial view of a vehicle with a part of the components of the fluid speed ignition system
  • FIG. 6 shows a schematic view of a wiring of the inverter in the control cabinet
  • Fig. 7 is a flowchart for explaining the unloading process; 8 shows an exemplary voltage profile during the discharge process and
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a high-speed discharge system 1
  • High-speed discharge system 1 is designed for discharging a floating-voltage energy storage device 10 via a network connection N into a public or private power grid up to a specific residual charge SOC of the charging capacity.
  • the SOC is a value specified by the manufacturer up to which a battery cell or energy cell should be discharged to the maximum in order to ensure a long service life.
  • the high-speed discharge system 1 comprises an inverter 20 which is connected to the grid and which can be connected or connected via a connecting line 2 to a junction box 61 (as shown by way of example in FIG. 4) arranged on or in the high-voltage energy store 10. Furthermore, mains voltage side in the connection between the inverter 20 and the power connection N, a combi filter 40, a mains filter 50, a choke 51 and a transformer 30 are arranged. The filters and the choke are used to filter out high-frequency voltage fluctuations and current peaks.
  • an intermediate circuit voltage UZK is applied between the inverter 20 and the high-voltage energy store 10, wherein a control device 30 is also provided which ensures during the discharging process that the intermediate circuit voltage UZK is greater than the peak value of the network change voltage U. Network of the electricity network is.
  • the transformer 30 is provided, the mains voltage side between the inverter 20 and a Netzan circuit N is arranged, the transformer 30 has a gear ratio to the output voltage U Ne t z _neu at the inverter 20th to at least the mains voltage U Ne t z , in the event that the voltage U Ne tz_ n eu is lower than that of the mains voltage U Ne tz ⁇
  • the high voltage energy storage 10 is discharged with a power of up to 48 kW.
  • FIGS. 3 and 4 it is shown how the cable set according to the invention is designed to connect the high-voltage energy store 10 to the inverter 20 and the power electronics LE.
  • the cable set comprises a first and a second breakout box 60, 70 respectively connected to the connection line 2.
  • the breakout box 60 is equipped with a connection 63 for connecting the connection line 2 to the junction box 61.
  • the first breakout box 60 is connected to the second breakout box 70 via the lines 2 of the line pair HV + and HV-.
  • the second breakout box 70 three pairs of lines each consisting of a high-voltage line HV + and a high-voltage line HV- are provided, wherein on the one hand the three high-voltage lines HV + and on the other hand the three high-voltage lines HV- via a common busbar 71 and 72 with each other are electrically connected.
  • Each busbar 71, 72 is electrically isolated from the other busbar and from the housing.
  • a line pair HV +, HV- leads to a connector 73 attached to the breakout box 70, which establishes the interface for connecting the connection line 2 to the inverter 20.
  • Another line pair HV +, HV- leads out through cable bushings from the second breakout box 70 and indeed for connection to the power electronics LE of the vehicle, as is shown schematically in FIG.
  • the first and second breakout boxes 60, 70 each have a metallic, in particular shielded housing 65, 75, which are connected to a common equipotential bonding PE, which leads to the connector 73 and from there to the not shown in detail control cabinet of the vehicle.
  • PE equipotential bonding
  • FIG. 3 also shows a mechanical unlocking and locking device 80, namely at the second breakout box 70.
  • the latter is designed such that a locking bow 73a of the plug connector 73 is in a position for locking the plug connection with an inserted mating plug 74 (FIG. which is connected to the connecting line to the inverter or control cabinet), a position switch 81 in Breakoutbox indirectly or directly operated.
  • This makes it possible to ensure that an unlocking lock can be realized in a simple and cost-effective manner. If an operator would like to release the mating connector 74 from the plug-in connector 73 under load, this would already occur when opening the connector.
  • locking bracket 73a of the position switch 81 is actuated and the load path un interrupted.
  • FIG. 5 shows a schematic view of components for establishing a possibility of vehicle operational readiness for a discharge process.
  • the preparation of the unloading readiness is to activate the ignition of the vehicle.
  • the signal of the start / stop button is read in by the onboard supply control unit, which closes the relay at terminal 15. If the gateway is supplied with voltage, closing of the high-voltage contactors is initiated. However, not only is the actuation of the start / stop button initiated, but also the actuation of the brake is controlled by a PLC. In the general part of the description of the invention, another way is explained to prepare the vehicle operational readiness for a discharge.
  • FIG. 5 schematically shows the course of the load path in the control cabinet of the vehicle test stand.
  • a switch-disconnector is installed, which is operated by a built-in lever in the door.
  • the tap is taken to the pre-charging contactor, which is protected by a 25 A fuse. From there, the terminals L1, L2 and L3 of the inverter are contacted. This contactor only serves to pre-charge the inverter-side DC link. As soon as the set intermediate circuit voltage is reached, the pre-charging contactor is opened and the line contactor is closed. Thus, the inverter is ready for operation.
  • the output of the line choke is via the line contactor with the terminals U, V and W. connected to the inverter.
  • FIG. 7 shows a flow chart of a software support
  • Inverter in a certain operating mode in order not to operate the inverter in the usual basic setting for operation under high overload. Since during dynamic discharging of a high-voltage battery no dynamic changes in the current characteristic are to be expected, the rated current may be increased to the maximum value. In addition, the desired intermediate circuit voltage can be adjusted by setting a parameter.
  • the DC contactors within the test stand are initially open and the regenerative current limit is set to the minimum achievable value of 3%. This variable controls the discharge capacity.
  • the current battery voltage U Batt is transmitted via the CAN bus and the switching state is set by means of z.
  • the preparations for closing the DC contactors are made first. For this, the setpoint DC link voltage is raised to the battery voltage plus 15 V and the inverter is given the controller enable so that it can set the DC link voltage to the desired value. After a waiting period of two seconds, closed the DC contactors. At this point, a timer is necessary because changing the intermediate circuit voltage takes several hundred milliseconds in entitlement. Thereafter, another time delay of two seconds takes place. This prevents the power from being raised while the contactors are closing.
  • the set DC link voltage is set to 280 V. This voltage is chosen because it is above the minimum DC link voltage of 243V but less than the minimum required battery voltage of 300V. It must be ensured that the set DC link voltage is always below the battery voltage so that the inverter can reach the specified current limit. As long as the inverter is operated in its current limit, the intermediate circuit voltage can no longer be acted upon. Permanently queried are several parameters. The state of the Discharge button is required in order to be able to terminate the unloading process manually. The target SOC and the current SOC must be permanently compared therewith, so that the discharge process when reaching the ge desired state of charge of the high-voltage battery 10 is terminated. For the calculation of the discharge power, the battery voltage and the
  • Discharge current needed In addition, an operator can choose to unload at maximum power or at lower power. This selection is made via a controller on the touch display and is stored in the variable P_soii_Regier.
  • the variable P_ e ntiade_belot serves as an auxiliary variable. Before the calculated value can be assigned to the parameter regenerative current limit, it must first be checked for plausibility. For a calculated power, which is greater than the maximum allowed 48 kW, the value 100% is stored in the generator current limit parameter. Since values smaller than 3% lead to a malfunction of the inverter, they must never be transmitted. Values between 3% and 100% are unchanged in the parameter for the genera- toric current limit stored.
  • Discharge power is reduced to the minimum value of 3% and the DC link voltage is increased to the current battery voltage plus 15 V.
  • the inverter operates as a generator and due to the permanently set motor current limit of 0%, the current flow can be reduced to a minimum.
  • the DC contactors are opened, the inverter is de-energized and the program can start again from the beginning.
  • FIG. 8 shows the profile of the mains voltage, the intermediate circuit voltage and the SOC as a function of time.
  • the program flow is particularly easy to recognize.
  • the DC contactors When the DC contactors are open, the DC link voltage corresponds to the minimum voltage of 243 V.
  • the Discharge button is activated, the DC link voltage is increased to 436 V. This value corresponds to the battery voltage plus 15 V.
  • the DC contactors are closed. Since the motor current limit is 0% and thus no current flow is permitted, the target DC link voltage of 436 V can not be maintained.
  • the DC link voltage is drawn from the high-voltage battery to its current voltage level.
  • the setpoint DC bus voltage is reduced and the regenerative current limit is set to the value of 100%. Due to the high current flow and the internal resistance of the high-voltage battery, the intermediate circuit voltage drops to 408 V. During the
  • Discharging process decreases the battery voltage in addition to the SOC, until it has reached its minimum voltage of 360 V.
  • the mains voltage during idle is 403 V and is during the feed-in solution is raised to 405 V in order to be able to achieve a current flow in the line direction.
  • the current limit is set to 3%, and raised again the intermediate circuit voltage to 15 V. After a waiting time of 2 s, the DC contactors are opened. After that, the inverter-side intermediate circuit voltage drops back to its minimum value of 243 V.
  • FIG. 9 shows the discharge currents and the discharge capacities as a function of time. It can be seen here that, despite a constant DC link current l z, the current on the 400 V mains side l Ne tz decreases slowly. This is the effect of decreasing battery voltage. With constant mains voltage and decreasing discharge power, the level of current I Net2 must therefore decrease. As soon as the discharge current is limited by the battery management system, a clear decrease of the discharge power PZK and consequently also P Ne tz can be seen.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher (10) über einen Netzanschluss (N) in ein Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapazität umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter (20), der über eine Anschlussleitung (2) mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher (10) angeordneten Junction-Box (61) verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zwischen dem Wechselrichter (20) und dem Hochspannungsenergiespeicher (10) eine Zwischenkreisspannung UZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung (30) vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung UZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung UNetz des Stromnetzes.

Description

Hochgeschwindigkeitsentladesystem für einen
Hochspannungsenergiespeicher
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Entladesystem für eine Hochspannungsquelle.
Diese Offenbarung betrifft elektrisch betriebene Fahrzeuge und insbesonde- re, aber nicht ausschließlich, eine Entladevorrichtung für eine Hochspannungsquelle bzw. einen Hochspannungsenergiespeicher zum gezielten Ent- laden von Energie, die in einer Hochspannungsquelle eines elektrisch betrie benen Fahrzeugs gespeichert ist. Hybridelektrofahrzeuge (HEVs für engl hybrid electric vehicles), Plug-in- Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs für engl plug-in electric hybrid vehicle), bat- teriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs für engl battery electric vehicles), Brennstoffzellenfahrzeuge und andere bekannte elektrisch betriebene Fahr- zeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Motorfahrzeugen insofern, als sie von einer oder mehreren Elektromaschinen (d. h. Elektromotoren und Generatoren) anstelle von oder zusätzlich zu einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung angetrieben werden. Die Versorgung mit Hochspannungsstrom zum Speisen dieser Typen von Elektromaschinen erfolgt typischerweise durch ein Traktionsbatteriesystem mit einer oder mehreren Batteriezellen, welche Energie speichern. Zunehmend finden sogenannte Hochvolt- Speicherzellen Anwendung, deren Betriebsspannung deutlich über 48V liegt, z.B. bei 650 V.
Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen spielt nicht nur die Reichweite eine bedeutende Rolle, sondern auch das Ladeequipment. Serienmäßig ver- fügen heutige Elektro- und Hybridfahrzeuge über ein Ladekabel, welches das fahrzeugeigene Ladegerät mit elektrischer Energie versorgt. Zukünftig wird verstärkt induktives Laden über eine Bodenplatte mit Primärspule und einer im Fahrzeug verbauten Sekundärspule eingesetzt. Um diese Technologien auf einem ausgereiften Niveau anwenden zu können, sind bei der Entwicklung zahlreiche Ladetests nötig. Da die Kapazität der Batterien begrenzt ist, müssen Versuche regelmäßig unterbrochen werden, um die Hochvolt- Speicher zeitaufwendig zu entladen.
Es ist bei elektrischen und anderen Prüfungen auf Prüfständen und für ande- re Untersuchungen demzufolge immer wieder erforderlich, die Hochspan nungsquelle gezielt und schnell zu entladen.
Das Entladen einer Hochvolt-Batterie kann z. B. durch das Aktivieren aller elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise Innenraumheizung, Klimaanla- ge, Heckscheibenheizung, Scheinwerfer und Sitzheizung erfolgen. Dabei fließen Leistungen von wenigen Kilowatt. Bei Hybridfahrzeugen mit geringer Batteriekapazität dauert der Entladevorgang ca. drei Stunden. Reine Elektro- fahrzeuge mit Energieinhalten von bis zu 100 kWh würden dafür ca. einen Tag in Anspruch nehmen.
In der Praxis werden alternativ z. B. zu prüfende Fahrzeuge oder Testfahr zeuge durch einen Fahrzeugführer solange im Straßenverkehr oder auf einer Teststrecke betrieben d. h. gefahren, bis der gewünschte Entladezustand eingetreten ist. Bei solchen Erprobungsfahrzeugen, die offen auf der Straße bewegt werden dürfen, muss bei jedem Entladevorgang die Messverkabe lung entfernt und nach der Rückkehr wieder angeschlossen werden. Fahr zeuge, die über ein induktives Ladesystem verfügen, sind vor einem erneu ten Ladeversuch wieder millimetergenau im Prüfstand an der vorherigen Position zu positionieren, um gleiche Prüfbedingungen zu erhalten. Nachteilig ist dabei nicht nur der Umstand, dass dieser Vorgang zeitaufwen dig und teuer ist, sondern auch jeweils die in der Batteriezelle gespeicherte Energie nutzlos verschwendet werden muss.
Im Stand der Technik sind Entladeivorrichtungen für Batterien bekannt, um Batterien zu entladen. Aus der DE 10 2014 224 779 A1 ist z. B. eine Lösung bekannt bei der ein Sensor vorgesehen ist, der so ausgelegt ist, dass er ei nen Parameter einer Hochspannungsquelle erfasst und eine Steuerung in Kommunikation mit dem Sensor und einen Entladekreis, welcher Energie, die in der Hochspannungsquelle gespeichert ist, in Reaktion auf ein Befehlssignal von der Steuerung entlädt. Der Entladekreis umfasst hierzu eine Mehr- zahl von Widerständen, die parallel zueinander geschaltet sind. Solche und ähnliche bekannte Lösungen sind, aber nicht geeignet eine Fahrzeugbatterie mit einer Ladekapazität zwischen 20 KW und 50KW oder größer (bei einer typischen Betriebsspannung zwischen 300V und 450V bis teilweise 1000V) ausreichend schnell zu entladen. Damit bei einer Batteriespannung von z. B. 300 V noch eine gewünschte Leistung von 50 kW erzielt werden kann, sollte eine Hochvolt-Entladekomponente mit Strömen von bis etwa 175 A entladen können. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Lösung für einen Prüfstand zum kostengünstigen, schnellen und effizienten Entladen eines Hochspannungsenergiespeichers vorzuschlagen, die
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Hochgeschwindigkeitsentladesystem zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeicher über einen Netzanschluss in ein herkömmliches Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapazität vorgeschlagen, umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter, der über eine Anschlussleitung mit einer am oder im Hoch- spannungsenergiespeicher angeordneten Junction-Box verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystem zwischen dem Wechselrichter und dem Hochspannungsenergiespeicher eine Zwi- schenkreisspannung UZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung UZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechsel- spannung UNetz des Stromnetzes. Eine solche Lösung kann mit Vorteil in einem einen Schaltschrank aufweisenden Prüfstand integriert werden bzw. damit verbunden sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Steuerungseinrichtung einen Transformator umfasst, der netzspannungssei tig zwischen dem Wechselrichter und dem Netzanschluss angeordnet ist, wobei der Transformator ein Übersetzungsverhältnis aufweist, um die Aus- gangsspannung UNetz_neu am Wechselrichter auf mindestens die Netzspannung UNetz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung UNetz-neu niedriger ist als die die Netzspannung UNetz·
In dem Entlademodus arbeitet der Wechselrichter entladend, indem er die Energie nicht aus dem Stromnetz bezieht, sondern von der Hochvolt-Batterie entnimmt und in das Stromnetz einspeist. Aufgrund der hohen Batteriekapa zität eines Hochspannungsenergiespeichers bleibt die Batteriespannung über den Entladevorgang bis zum SOC der Batterie nahezu stabil, wodurch der Stromfluss auf Werte höher als 100 A steigen könnte, was allerdings durch eine Strombegrenzung verhindert wird.
Die minimal mögliche Zwischenkreisspannung muss oberhalb des Scheitel wertes der Netzspannung liegen. Da der Fahrzeugprüfstand in der Lage sein muss die Fahrzeugbatterie auf einen Kunden-SOC von 0 % zu entladen, ist das Erreichen einer minimalen Zwischenkreisspannung zwingend erforder- lieh. Die Bezeichnung SOC steht für„State of Charge“ und bezeichnet den Ladezustand der Fahrzeugbatterie in Prozent. Aufgrund der vorherrschenden Netzspannung, welche derzeit typischerweise oberhalb der minimalen Zwischenkreisspannung liegt, ist der zuvor genannte Transformator erforderlich.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass nicht eine DC/AC Einspeisung vorgenommen wird, sondern gezielt eine DC/DC Umspeisung über eine Umspeiseeinheit, um die elektrische Energie in einen Pufferspeicher zu speichern. Weiter bevorzugt ist es, eine Vorrichtung mit einem Schaltzweig vorzusehen, um beide Entladeoptionen nutzen zu können und vorzugsweise mittels einer Steuerung den Entladepfad zum Pufferspei- eher und/oder zum Netzanschluss zu schalten. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Nullstromregelung realisiert wird. Hierbei wird die Steuerung so ausgebildet, dass möglichst keine Rückspeisung d.h.„Null“-Strom ins Netz fließt, sondern die Ener- gie, solange ein Eigenverbrauch möglich ist, in das„eigene“ Netz zu den Verbrauchern gespeist wird oder bei Ladereserven bevorzugt beim
Entladevorgang zum Laden der DC-Pufferspeicher verwendet wird. Die Steuerung kann hierzu vom Nutzer gemäß einer individuell auswählbaren Priorisierung eine gezielte Stromflussregelung vornehmen, die weiter bevor zugt sich selbständig dynamisch anpasst, abhängig von Zeitvarianten Grö ßen. So kann das Entladeverhalten zu Nachttarifzeiten anders gesteuert werden als zu Tagtarifzeiten, wobei jeweils bevorzugt die Nullstromregelung als Regelkreis überlagert ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass fer ner netzspannungsseitig in der Verbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Netzanschluss ein Kombifilter und vorzugsweise noch ein Netzfilter angeordnet sind, zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsstörungen, wobei der Kombifilter weiter bevorzugt eine Drossel umfasst. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Umstand, dass der Hochspannungsenergiespeicher in einem Fahrzeug an seinem bestim mungsgemäßen Einbauort eingebaut ist.
Die Leitungen der PTC-Innenraumheizung und des elektrischen Klimakom pressors (EKK) sind zum Verbinden zu schwach dimensioniert. Über die AC- Ladedose (LD) kann keine Energie entnommen werden, da der On-Board Charger (OBC) zwar die Hochvolt-Batterie mit Energie versorgt, aber keine Verbraucher über die Ladedose betreiben kann. Da eine standardisierte DC- Ladedose derzeit bei vielen Fahrzeugen noch überhaupt nicht verfügbar ist, würde die Verwendung dieser Leitung die Kompatibilität des Hochgeschwindigkeitsentladesystem eutlich einschränken. Die
Traktionsleitungen zwischen Leistungselektronik (LE) werden mit Wechselspannung beaufschlagt, so dass auch hier keine geeignete Verbindung zur Hochvoltbatterie geschaffen werden kann. Erfindungsgemäß umfasst damit das Hochgeschwindigkeitsentladesystem in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Kabelsatz, umfassend die Verbin dungsleitung und zwei Breakoutboxen. Die erste Breakoutbox ist mit einem Anschluss versehen, zum Verbinden der Anschlussleitung mit der Junction- Box des Fahrzeugs. Ferner verläuft die Anschlussleitung der ersten Break- outbox in die zweite Breakoutbox, von wo eine lösbare Verbindungsleitung als Teil des Kabelsatzes zum Schaltschrank bzw. Wechselrichter führt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in der zweiten Breakoutbox drei Leitungspaare des Kabelsatzes aus jeweils einer Hochvoltleitungen (HV+) und einer Hochvoltleitungen (HV-) verlaufen, wobei jeweils die Hochvoltleitungen (HV+) und die Hochvoltleitungen (HV-) über eine gemeinsame Stromschiene (71 bzw. 72) miteinander elektrisch verbun- den sind. Ein Leitungspaar führt dabei (aus der Breakoutbox heraus) zu ei nem an der Breakoutbox angebrachten Steckverbinder (Gehäusesteckverbinder), der die Schnittstelle zum Verbinden der An schlussleitung mit dem Wechselrichter bereitstellt.
Ein anderes Leitungspaar (HV+, HV-) ist durch Kabeldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox zur Verbindung mit der Leistungselektronik (LE) des Fahrzeugs herausgeführt. Durch einen wie zuvor beschriebenen (zum Teil bestimmungsgemäß über Steckverbindungen trennbaren) Kabelsatz aus Verbindungsleitungen und den beiden Breakoutboxen, lässt sich eine Ver bindung und damit lösbare Anschlussleitung zwischen dem Wechselrichter und dem im Fahrzeug verbauten Hochspannungsenergiespeicher realisieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und zweite Breakoutboxen jeweils ein metallisches insbeson dere geschirmtes Gehäuse aufweisen, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichleitung (PE) verbunden sind, die zu dem Steckverbinder zum Anschluss des Wechselrichters führt, um beim Anschluss einer Verbindungs- leitung zum Wechselrichter gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich herzustellen.
Um ferner einen sicheren Betrieb beim Entladevorgang zu gewährleisten, muss sichergestellt sein, dass kein unbeabsichtigtes Trennen der lösbaren Verbindung zum Wechselrichter möglich ist und dabei z. B. ein Lichtbogen gezündet werden könnte.
Erfindungsgemäß wird hierzu in einer vorteilhaften Ausführung vorgeschlagen, dass eine mechanische Freischalt- und Verriegelungsvorrichtung an der zweiten Breakoutbox vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass ein Verrie- gelungsbügel (zum Verriegeln der Steckverbindung) vorgesehen ist, der in einer Position beim Verriegeln der Steckverbindung mit einem eingesteckten Gegenstecker einen Positionsschalter in der Breakoutbox mittelbar oder un- mittelbar betätigt. Ein Betätigungsstößel für den Positionsschalter kann dabei in Betätigungsrichtung hinter dem Verriegelungsbügels angeordnet werden, so dass dieser beim Öffnen des Verschlusses betätigt wird. Mit dem Positi- onsschalter wird ein Öffner mit Doppeiunterbrechung realisiert, welcher den Not-Halt-Kreis sicher trennt.
Der Fahrzeugprüfstand ist mit Vorteil so realisiert, dass ein Schaltschrank vorgesehen ist, in dem der Wechselrichter untergebracht ist und ein Lei- tungspfad zum Netzanschluss eines Dreiphasennetzes (L1 , L2, L3) führt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines Hochspannungsenergiespeichers in einem Fahrzeug mit einem wie zuvor beschriebenen Hochgeschwindigkeitsentladesystem. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass nach dem Verbinden des Hochspannungsenergiespeichers mit dem Wechselrichter (bzw. dem Fahrzeugprüfstand) über die steckbare Anschlussleitung die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs unmittelbar oder über eine Manipulation des Fahrzeugsteuergerätes hergestellt wird und dann der Entladevorgang gestartet wird.
Das Herstellen der Fahrbereitschaft ist insofern notwendig, als dass eine Ent- ladung überhaupt von der Bordelektronik eines Fahrzeugs zugelassen wird. Eine zunächst naheliegend erscheinende Möglichkeit zur Herstellung der Entladebereitschaft besteht darin, die Zündung des Fahrzeuges mittels Start/Stop-Taster zu aktivieren. Dabei wird das Signal des vom Bordnetz- steuergerät eingelesen, welches das entsprechende Relais schließt. Wird das Gateway mit Spannung versorgt, veranlasst der HVK das Schließen der Hochvolt-Schütze. Um die 12 V Starter- Batterie zu schonen, wird die Klem- me allerdings nach einigen Minuten automatisch wieder deaktiviert. Dies hat zur Folge, dass die Schütze öffnen und der Entladevorgang unterbrochen wird. Somit ist diese Variante zum Entladen einer Hochvolt-Batterie ungeeig- net.
Gemäß der Idee der vorliegenden Erfindung arbeitet das
Hochgeschwindigkeitsentladesystem nach dem Schließen der entsprechen den Schütze indem nicht nur das Betätigen des Start/Stop-Tasters, sondern auch das Betätigen der Bremse durch eine SPS übernommen wird. Ferner kann durch gezielte Manipulation des Fahrzeugsteuergerätes der Zustand „Fahrbereitschaft“ entsprechend hergestellt oder simuliert werden
Beim Entladen einer Hochvolt-Batterie wird einerseits die Ist-Spannung ausgelesen und auf dem Display des Prüfstandes angezeigt. Andererseits wird der SOC überwacht. Beim Entladen muss spätestens bei einem von 0 % der Entladevorgang beendet werden, wobei dann noch entsprechende Rest-
Energie in der Batterie gespeichert ist. Ferner wird der Batteriestrom überwacht. Hierbei wird durch einen Parameter die Höhe des Stroms festgelegt, der dauerhaft fließen darf, ohne dass das Batteriemanagementsystem eine Reduzierung des Stromflusses veranlasst.
Da beim Entladen einer Hochvolt-Batterie die Energie nicht über die Leistungselektronik fließt und somit fahrzeugseitig nicht von der Leistungselekt ronik geregelt werden kann, muss diese Aufgabe von dem
Hochgeschwindigkeitsentladesystem bzw. dem Prüfstand übernommen wer den. Um innerhalb der Grenzwertvorgaben zu bleiben, soll der tatsächliche Entladestrom nie höher sein als die maximale Sollwertvorgabe.
Die Grenz- und Messwerte des Batteriemanagementsystems werden über eine CAN-Bus kommuniziert und somit allen Busteilnehmern zur Verfügung gestellt. Damit keine weitere Leitung vom Prüfstand zu dem zu entladenden Fahrzeug geführt werden muss, soll die CAN-Kommunikation in vorteilhafter Weise per Funkübertragung erfolgen. Hierfür werden ein Sender- und ein Empfängermodul verwendet, wobei der Sender mit dem Fahrzeug verbunden und aus der 12 V Starterbatterie versorgt wird. Der Empfänger ist am Prüf- stand über CAN-Leitungen mit der SPS verbunden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels ei nes Hochgeschwindigkeitsentladesystems,
Fig. 2 eine Darstellung der Spannungspegel zwischen dem Hoch
spannungsenergiespeicher gemäß Figur 1 und dem Netzan- Schluss;
Fig. 3 ein Kabelsatz zur Verbindung des Hochspannungsenergiespei- chers mit dem Wechselrichter und der Leistungselektronik;
Fig. 4 eine schematische Teilansicht eines Fahrzeugs mit einem Teil der Komponenten des Flochgeschwindigkeitsentiadesystems;
Fig. 5 eine schematische Ansicht von Komponenten zur Fiersteilung der Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Verdrahtung des Wechselrichters im Schaltschrank;
Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Entladeprozesses; Fig. 8 ein beispielhafter Spannungsverlauf beim Entladevorgang und
Fig. 9 ein beispielhafter Stromverlauf beim Entladevorgang.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1 bis 9 anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der Fig. 1 findet sich eine schematische Darstellung eines Ausführungs- beispiels eines Hochgeschwindigkeitsentladesystems 1. Das
Hochgeschwindigkeitsentladesystem 1 ist ausgebildet zum Entladen eines Flochspannungsenergiespeichers 10 über einen Netzanschluss N in ein öffentliches oder privates Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung SOC der Ladekapazität. Der SOC ist dabei ein vom Hersteller festgelegter Wert bis zu dem eine Batteriezelle oder Energiezelle maximal entladen werden soll, um eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten.
Das Hochgeschwindigkeitsentladesystem 1 umfasst einen netzseitig ange- schlossenen Wechselrichter 20, der über eine Anschlussleitung 2 mit einer am oder im Hochspannungsenergiespeicher 10 angeordneten Junction-Box 61 (wie beispielhaft in der Figur 4 gezeigt) verbindbar oder verbunden ist. Ferner sind netzspannungsseitig in der Verbindung zwischen dem Wechsel richter 20 und dem Netzanschluss N ein Kombifilter 40, ein Netzfilter 50, eine Drossel 51 und ein Transformator 30 angeordnet. Die Filter und die Drossel dienen zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsschwankungen und Stromspitzen.
Im Betrieb des Hochgeschwindigkeitsentladesystems 1 liegt zwischen dem Wechselrichter 20 und dem Hochspannungsenergiespeicher 10 eine Zwi schenkreisspannung UZK an, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung 30 vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwi- schenkreisspannung UZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechsel spannung UNetz des Stromnetzes ist.
Flierzu ist, wie in der Figur 2 gezeigt, der Transformator 30 vorgesehen, der netzspannungsseitig zwischen dem Wechselrichter 20 und einem Netzan schluss N angeordnet ist, wobei der Transformator 30 ein Übersetzungsver- hältnis aufweist, um die Ausgangsspannung UNetz_neu am Wechselrichter 20 auf mindestens die Netzspannung UNetz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung UNetz_neu niedriger ist als die die Netzspannung UNetz·
Im vorliegenden Beispiel stellt sich dies wie folgt dar. Da der Prüfstand in der Lage sein muss die Fahrzeugbatterie auf einen Kunden-SOC von 0 % zu entladen, ist das Erreichen einer minimalen Zwischenkreisspannung von 300 V erforderlich. Die Ausgangsspannung am Wechselrichter von 180 V auf der AC-Seite ergibt sich wie folgt. Aufgrund einer Netzspannung von 400 V, muss die minimale Zwischenkreisspannung höher als der Scheitelwert der Netzspannung sein. Zudem sind mit Vorteil eine fünfprozentige Regelreser- ve, sowie mögliche Spannungsschwankungen am Netz von 10 % zu berück sichtigen. Damit ergibt sich:
UZK min - U Netz neu V2 1 ,15 Aufgelöst nach UNetz_neu kann die maximal mögliche Netzspannung und somit das Übersetzungsverhältnis ü des Transformators bestimmt werden.
ÜNetz_neu— 184 V
Um bei einer Primärspannung von 184 V auf die von der Netzseite geforderte Sekundärspannung von 400 V zu gelangen ist ein Übersetzungsverhältnis von 0,46 nötig. Damit auf eine Sonderanfertigung verzichtet werden kann, wird ein handelsüblicher Transformator mit einer in der Nähe liegenden Übersetzung von ü = 0,45 beschafft.
ÜNetz_neu = ÜNetz Ü = 400 V 0,45 = 180 V Somit ergibt sich eine Ausgangsspannung am Wechselrichter von 180 V.
Die Ausgangsströme am Wechselrichter betragen in dem vorliegenden Bei spiel 155 A , während der Transformator 31 durch das Übersetzungsverhältnis 70 A in das Netzt N einspeist. Somit wird der Hochspannungsenergiespeicher 10 mit einer Leistung von bis zu 48 kW entladen. Mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 ist gezeigt, wie der erfindungsgemäße Kabelsatz zur Verbindung des Hochspannungsenergiespeichers 10 mit dem Wechselrichter 20 und der Leistungselektronik LE ausgebildet ist.
Der Kabelsatz umfasst eine erste und zweite mit der Anschlussleitung 2 je weils verbundene Breakoutbox 60, 70. Die Breakoutbox 60 ist mit einem An- Schluss 63 zum Verbinden der Anschlussleitung 2 mit der Junction-Box 61 ausgestattet. Die erste Breakoutbox 60 ist mit der zweiten Breakoutbox 70 über die Leitungen 2 des Leitungspaars HV+ und HV- verbunden.
In der der zweiten Breakoutbox 70 sind drei Leitungspaare aus jeweils einer Hochvoltleitung HV+ und einer Hochvoltleitung HV- vorgesehen, wobei ei- nerseits die drei Hochvoltleitungen HV+ und andererseits die drei Hochvolt leitungen HV- über eine gemeinsame Stromschiene 71 bzw. 72 miteinander elektrisch verbunden sind. Jede Leitungsschiene 71 , 72 ist gegenüber der anderen Leitungsschiene und gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert.
Ein Leitungspaar HV+, HV- führt zu einem an der Breakoutbox 70 ange- brachten Steckverbinder 73, der die Schnittstelle zum Verbinden der An- Schlussleitung 2 mit dem Wechselrichter 20 herstellt.
Ein anderes Leitungspaar HV+, HV- führt durch Kabeldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox 70 heraus und zwar zur Verbindung mit der Leis- tungselektronik LE des Fahrzeugs, wie dies schematisch in der Figur 4 ge zeigt ist. Die erste und zweite Breakoutboxen 60, 70 weisen jeweils ein metallisches insbesondere geschirmtes Gehäuse 65, 75 auf, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichleitung PE verbunden sind, die zu dem Steckverbinder 73 und von dort zum nicht näher gezeigten Schaltschrank des Fahrzeug- prüfstands. Beim Anschluss der Verbindungsleitung zum Wechselrichter 20 wird damit gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich hergestellt.
In der Figur 3 ist ferner eine mechanische Freischalt- und Verriegelungsvor- richtung 80 gezeigt und zwar an der zweiten Breakoutbox 70. Diese ist so ausgebildet, dass ein Verriegelungsbügel 73a des Steckverbinders 73 in ei ner Position beim Verriegeln der Steckverbindung mit einem eingesteckten Gegenstecker 74 (der an der Verbindungsleitung zum Wechselrichter bzw. Schaltschrank angeschlossen ist), einen Positionsschalter 81 in Breakoutbox mittelbar oder unmittelbar betätigt. Hierdurch lässt sich sicherstellen, dass eine freischaltende Verriegelung auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden kann. Würde ein Bediener den Gegenstecker 74 vom Steck verbinder 73 unter Last lösen wollen, so würde bereits beim Öffnen der Ver- riegelungsbügel 73a der Positionsschalter 81 betätigt und der Lastpfad un terbrochen. Ein Stößel des Positionsschalters 81 befindet sich hierzu außerhalb der Breakoutbox 70, um mit dem Bügel in Betätigungsrichtung Zusam menwirken zu können. Die Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht von Komponenten zur Herstellung einer Möglichkeit der Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang. Die Herstellung der Entladebereitschaft besteht darin, die Zündung des Fahrzeuges zu aktivieren. Dabei wird das Signal des Start/Stop-Tasters vom Bordnetzsteuergerät eingelesen, welches das Relais an Klemme 15 schließt. Wird das Gateway mit Spannung versorgt, wird das Schließen der Hochvolt- Schütze veranlasst. Es wird aber nicht nur das Betätigen des Start/Stop- Tasters veranlasst, sondern auch das Betätigen der Bremse durch eine SPS angesteuert. Im allgemeinen Teil der Beschreibung der Erfindung ist eine weitere Möglichkeit erläutert, die Fahrzeugbetriebsbereitschaft für einen Entladevorgang herzustellen.
Die Figur 5 zeigt schematisch den Verlauf des Lastpfades im Schaltschrank des Fahrzeugprüfstandes. In diesem ist ein Lasttrennschalter verbaut, der über einen in der Tür integrierten Hebel betätigt wird.
Neben den Sicherungen mit F1 bis F5 bezeichnet, sind Schütze in den Lastpfad geschaltet. Nach den 100 A Sicherungen F1 befindet sich das
Hauptschütz. Anschließend folgen Netzfilter, Transformator und der Kombifilter. Am Eingang der Netzdrossel erfolgt der Abgriff zu dem mit 25 A abgesi cherten Vorladeschütz. Von dort aus werden die Klemmen L1 , L2 und L3 des Wechselrichters kontaktiert. Dieses Schütz dient allein der Vorladung des wechselrichterseitigen Zwischenkreises. Sobald die eingestellte Zwischenkreisspannung erreicht ist, wird das Vorladeschütz geöffnet und das Netzschütz geschlossen. Somit ist der Wechselrichter betriebsbereit. Der Aus gang der Netzdrossel ist über das Netzschütz mit den Klemmen U, V und W des Wechselrichters verbunden. Beim Entladen einer Hochvolt-Batterie 10 fließt der gesamte Strom von den DC-Eingängen DC+, DV- über die HV- leitungen 2 des Wechselrichters über die Klemmen U, V und W ins Strom netz. Die DC-Leitungen zwischen dem Wechselrichter 20 und der Hochvolt- Batterie 10 werden durch die beiden 160 A Niederspannungs-Hochleistungssicherungen F4 und F5 vor Überströmen geschützt und können über die di- rekt darüber angedeuteten Schütze sicher unterbrochen werden. Dass hier zwei Schütze verbaut werden, dient der Sicherheit.
Die Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm eines softwaregestützen
Entladeprozesses. Zunächst sollte allerdings eine Parametrierung des
Wechselrichters in eine bestimmte Betriebsart erfolgen, um den Wechselrichter nicht in der üblichen Grundeinstellung für den Betrieb unter hoher Über last zu betreiben. Da beim bestimmungsgemäßen Entladen einer Hochvolt- Batterie keine dynamischen Änderungen im Stromverlauf zu erwarten sind, darf der Bemessungsstrom auf den Maximalwert erhöht werden. Zudem kann durch Setzen eines Parameters die gewünschte Zwischenkreisspan nung angepasst werden.
Die DC-Schütze innerhalb des Prüfstandes sind zu Beginn geöffnet und die generatorische Stromgrenze ist auf den minimal realisierbaren Wert von 3 % gesetzt. Mithilfe dieser Variablen wird die Entladeleistung geregelt. Über den CAN-Bus wird die aktuelle Batteriespannung UBatt übermittelt und der Schalt zustand mittels z. B. eines Discharge-Buttons über ein Touch-Display eingelesen.
Nach dem Aktivieren werden zunächst die Vorbereitungen zum Schließen der DC-Schütze getroffen. Dafür wird die Soll-Zwischenkreisspannung auf die Batteriespannung plus 15 V angehoben und dem Wechselrichter die Reglerfreigabe erteilt, damit dieser die Zwischenkreisspannung auf den ge wünschten Wert setzen kann. Nach einer Wartefrist von zwei Sekunden wer- den die DC-Schütze geschlossen. An dieser Stelle ist ein Timer nötig, da das Ändern der Zwischenkreisspannung mehrere hundert Millisekunden in An spruch nimmt. Danach erfolgt eine weitere Zeitverzögerung von zwei Sekun den. Diese verhindert, dass während dem Schließen der Schütze bereits die Leistung angehoben wird.
Im nächsten Schritt findet der Entladevorgang statt. Dabei wird die Soll- Zwischenkreisspannung auf 280 V gesetzt. Diese Spannung wird gewählt, da sie oberhalb der minimalen Zwischenkreisspannung von 243 V liegt, aber geringer als die minimal geforderte Batteriespannung von 300 V ist. Es muss sichergestellt sein, dass die Soll-Zwischenkreisspannung stets unterhalb der Batteriespannung liegt, damit der Wechselrichter die vorgegebene Stromgrenze erreichen kann. Solange der Wechselrichter in seiner Stromgrenze betrieben wird, kann auf die Zwischenkreisspannung nicht mehr eingewirkt werden. Dauerhaft abgefragt werden mehrere Parameter. Der Zustand des Discharge-Buttons wird benötigt, um den Entladevorgang auch manuell be enden zu können. Der Ziel-SOC und der aktuelle SOC müssen dabei perma nent verglichen werden, damit der Entladevorgang bei Erreichen des ge wünschten Ladezustands der Hochvolt-Batterie 10 beendet wird. Für die Berechnung der Entladeleistung sind die Batteriespannung und der
Entladestrom nötig. Zusätzlich kann ein Bediener auswählen, ob er mit maximaler Leistung, oder mit geringerer Leistung entladen möchte. Diese Auswahl erfolgt über einen Regler am Touch-Display und wird in der Variable P_soii_Regier gespeichert. Die Variable P_entiade_berechnet dient als Hilfsvariable. Bevor der berechnete Wert dem Parameter generatorische Stromgrenze zu- geschrieben werden darf, muss dieser zuerst auf seine Plausibilität geprüft werden. Bei einer berechneten Leistung, welche größer als die maximal erlaubten 48 kW ist, wird der Wert 100 % im Parameter generatorische Stromgrenze gespeichert. Da kleinere Werte als 3 % zu einer Fehlfunktion des Wechselrichters führen, dürfen diese keinesfalls übermittelt werden. Werte zwischen 3 % und 100 % werden unverändert im Parameter für die genera- torische Stromgrenze gespeichert.
Wird der Discharge-Button erneut betätigt, oder entspricht der aktuelle SOC dem Ziel-SOC, gelangt das Programm in den nächsten Schritt. Die
Entladeleistung wird auf den Minimalwert von 3 % herabgesetzt und die Zwi- schenkreisspannung auf die aktuelle Batteriespannung plus 15 V erhöht. Somit arbeitet der Wechselrichter generatorisch und es kann aufgrund der dauerhaft gesetzten motorischen Stromgrenze von 0 %, der Stromfluss auf ein Minimum reduziert werden. Nach Ablauf des Timers werden die DC- Schütze geöffnet, dem Wechselrichter die Reglerfreigabe entzogen und das Programm könnte wieder von Beginn starten.
Figur 8 zeigt den Verlauf der Netzspannung, der Zwischenkreisspannung und der SOC in Abhängigkeit von der Zeit. Am Verlauf der Zwischenkreis spannung ist der Programmablauf besonders gut zu erkennen. Zum Zeit- punkt t = 0 s, d. h. bei geöffneten DC-Schützen, entspricht die Zwischen- kreisspannung der minimalen Spannung von 243 V. Bei Aktivierung des Discharge-Buttons wird die Zwischenkreisspannung auf 436 V angehoben. Dieser Wert entspricht der Batteriespannung plus 15 V. Im nächsten Schritt werden die DC-Schütze geschlossen. Da die motorische Stromgrenze bei 0 % liegt und somit kein Stromfluss erlaubt ist, kann die Soll-Zwischenkreis- Spannung von 436 V nicht aufrechterhalten werden. Die Zwischenkreisspan nung wird von der Hochvolt-Batterie auf ihr derzeitiges Spannungsniveau ge- zogen. Im nächsten Schritt werden die Soll-Zwischenkreisspannung abge- senkt und die generatorische Stromgrenze auf den Wert von 100 % gesetzt. Aufgrund des hohen Stromflusses und des Innenwiderstandes der Hochvolt- Batterie sinkt die Zwischenkreisspannung auf 408 V ab. Während des
Entladevorganges nimmt neben dem SOC auch die Batteriespannung ab, bis diese ihre Minimalspannung von 360 V erreicht hat.
Die Netzspannung beträgt im Leerlauf 403 V und wird während der Einspei- sung auf 405 V angehoben, um einen Stromfluss in Netzrichtung erzielen zu können.
Bei erneutem Aktivieren des Discharge-Buttons, oder wie in diesem Fall, bei Erreichen des Ziel SOC's von 0 %, wird die Stromgrenze auf 3 % gesetzt und die Zwischenkreisspannung erneut um 15 V angehoben. Nach einer Wartezeit von 2 s werden die DC-Schütze geöffnet. Danach sinkt die wech selrichterseitige Zwischenkreisspannung wieder auf ihren Minimalwert von 243 V.
In der Figur 9 sind die Entladeströme und die Entladeleistungen in Abhängig- keit von der Zeit zu sehen. Hierbei ist zu erkennen, dass trotz konstantem Zwischenkreisstrom lz« der Strom auf der 400 V Netzseite lNetz langsam ab nimmt. Dies ist die Wirkung der sinkenden Batteriespannung. Bei konstanter Netzspannung und sinkender Entladeleistung muss somit die Höhe des Stromes lNet2 abnehmen. Sobald der Entladestrom durch das Batteriemana- gementsystem begrenzt wird, ist eine deutliche Abnahme der Entladeleistung PZK und folglich auch PNetz zu erkennen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche
1. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zum Entladen eines Hoch spannungsenergiespeicher (10) über einen Netzanschluss (N) in ein Stromnetz bis zu einer bestimmten Restladung (SOC) der Ladekapa- zität umfassend einen netzseitig angeschlossenen Wechselrichter
(20), der über eine Anschlussleitung (2) mit einer am oder im Hoch spannungsenergiespeicher (10) angeordneten Junction-Box (61) verbindbar oder verbunden ist und im Betrieb des
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) zwischen dem Wechselrich- ter (20) und dem Hochspannungsenergiespeicher (10) eine Zwischen- kreisspannung UZK anliegt, wobei ferner eine Steuerungseinrichtung
(30) vorgesehen ist, die während dem Entladevorgang sicher stellt, dass die Zwischenkreisspannung UZK größer ist als der Scheitelwert der Netzwechselspannung UNetz des Stromnetzes. 2. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung einen Transformator
(31) umfasst, der netzspannungsseitig zwischen dem Wechselrichter (20) und einem Netzanschluss (N) angeordnet ist, wobei der Transformator (31) ein Übersetzungsverhältnis aufweist, um die Ausgangs- Spannung ÜNetz-neu am Wechselrichter (20) auf mindestens die Netz- spannung U^tz anzuheben, für den Fall, dass die Spannung ÜNetz-neu niedriger ist als die die Netzspannung ÜNetz-
3. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass ferner netzspannungsseitig in der Verbin- düng zwischen dem Wechselrichter (20) und dem Netzanschluss (N) ein Kombifilter (40) und vorzugsweise noch ein Netzfilter (50) angeordnet sind, zum Ausfiltern von hochfrequenten Spannungsstörungen.
4. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombifilter (50) eine Drossel (51) umfasst.
5. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspan- nungsenergiespeicher (10) in einem Fahrzeug (F) an seinem bestim mungsgemäßen Einbauort eingebaut ist.
6. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusslei tung (2) mit einer ersten Breakoutbox (60) mit einem Anschluss ver- sehen ist, zum Verbinden der Anschlussleitung (2) mit der Junction-
Box (61) und die Anschlussleitung (2) der ersten Breakoutbox (60) in eine zweite Breakoutbox (70) verläuft.
7. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Breakoutbox (70) drei Leitungs- paare aus jeweils einer Hochvoltleitungen (HV+) und einer Hochvoltleitungen (HV-) verlaufen, wobei jeweils die Hochvoltleitungen (HV+) und die Hochvoltleitungen (HV-) über eine gemeinsame Stromschiene (71 bzw. 72) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei ein Lei tungspaar zu einem an der Breakoutbox (70) angebrachten Steckver- binder (73) führt, der die Schnittstelle zum Verbinden der Anschlussleitung mit dem Wechselrichter (20) herstellt.
8. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungspaar (HV+, FIV-) durch Ka beldurchführungen aus der zweiten Breakoutbox (70) zur Verbindung mit der Leistungselektronik (LE) des Fahrzeugs herausgeführt sind.
9. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Breakoutboxen (60, 70) jeweils ein metallisches insbesondere geschirmtes Gehäuse (65, 75) aufweisen, welche mit einer gemeinsamen Potentialausgleichlei- tung (PE) verbunden sind, die zu dem Steckverbinder (73) führt, um beim Anschluss einer Verbindungsleitung zum Wechselrichter (20) gleichzeitig eine Verbindung zu einem externen Potentialausgleich herzustellen.
10. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Freischalt- und Ver- riegelungsvorrichtung (80) an der zweiten Breakoutbox vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, dass ein Verriegelungsbügel (73a) in einer
Position beim Verriegeln der Steckverbindung (73) mit einem einge steckten Gegenstecker (74), einen Positionsschalter (81) in Breakoutbox mittelbar oder unmittelbar betätigt.
11. Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltschrank
(100) vorgesehen ist, in dem der Wechselrichter (20) untergebracht ist und ein Leitungspfad (101) zum Netzanschluss (N) eines Dreiphasen netzes (L1 , L2, L3) führt.
12. Schnellentladeverfahren zum Entladen eines Hochspannungsenergie- Speicher (10) in einem Fahrzeug mit einem
Hochgeschwindigkeitsentladesystem (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei nach dem Verbinden des Hochspannungsenergiespeichers (10) mit dem Wechselrichter (20) über ei- ne mit einem Steckverbinder ausgerüstete Anschlussleitung (2) die
Fahrbereitschaft des Fahrzeugs unmittelbar oder über eine Manipula tion des Fahrzeugsteuergerätes hergestellt wird und dann der
Entladevorgang gestartet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladevorgang gestoppt wird, sobald eine bestimmte Soll- Restladung (SOC) des Hochspannungsenergiespeichers (10) erreicht ist.
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