WO2010112251A1 - Ladesystem mit fi-schutzschaltern - Google Patents

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WO2010112251A1
WO2010112251A1 PCT/EP2010/051352 EP2010051352W WO2010112251A1 WO 2010112251 A1 WO2010112251 A1 WO 2010112251A1 EP 2010051352 W EP2010051352 W EP 2010051352W WO 2010112251 A1 WO2010112251 A1 WO 2010112251A1
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vehicle
charger
charging system
battery
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Jochen Fassnacht
Dieter Hanauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • Vehicles that include an electric machine for driving also require an energy storage, which usually has an output voltage of ⁇ 60 V DC or 25 V AC. With such high voltage sources special requirements for the protection of persons are required, so that appropriate protective measures are provided.
  • electric vehicles or hybrid vehicles so-called plug-in hybrids
  • plug-in hybrids have an energy store, which can be recharged from the electrical network.
  • Such vehicles have a network connection for recharging the electrical energy storage device, often in the form of a plug connection.
  • the charging circuits available today are equipped with a potential separation. To accomplish this, an expensive and heavy transformer is used. Since the charging system is normally integrated in the vehicle, not only the costs, but also the weight of the transformer play a role.
  • the object of the present invention is to reduce or overcome one or more disadvantages of the prior art.
  • it is an object of the invention to provide a secure charging system, which can be realized more cheaply and is lighter than known solutions. Disclosure of the invention
  • a charging system for use PHg in a vehicle with vehicle ground at ground potential comprising: a) a vehicle high-voltage network comprising a high-voltage battery with battery separator, and optionally one or more consumers; b) one with the high-voltage battery conductively connected, integrable in the vehicle charger with power disconnecting device, which is connectable via power plug with a charging electricity grid; c) one or more Fl-breaker for fault current monitoring during a charging operation, wherein the Fl-breaker are arranged such that the charging system is separable from a connected charging network via the F-breaker; d) a protective conductor, which is connectable to the vehicle ground, as well as means for permanent protective conductor function monitoring during a charging operation, wherein the means is designed such that when impairing the protective conductor function, the battery separator of the high-voltage battery and the power disconnecting device of the charger can be triggered; e) means for monitoring the insulation of the vehicle high-voltage mains and the charger before the start
  • high voltage means voltages of not less than 50 V DC or 20 V AC, in particular not less than 60 V DC or 25 V AC.
  • the solution according to the invention is characterized in that the charging system manages without an expensive and heavy transformer. Sufficient safety during the charging process is ensured by the fact that after connecting the charger to a charging current network before the charging process, the vehicle high-voltage network and the charger are checked for an insulation fault out. If there is an insulation fault, the high-voltage battery and the charger is disconnected from the charging mains. If there is no insulation fault, charging is started.
  • Fl-switches monitor the current flow and trigger the separation of the charging system from the charging current network when a certain fault current value is exceeded. For the Fl-switches to function reliably, the permanent monitoring of the protective conductor function of the charging system is intended during the charging process.
  • the Fl-switches provide the required safety. If the protective conductor function is impaired, the high-voltage battery is disconnected from the vehicle high-voltage network and the charger is disconnected from the charging current network. At no time do dangerous contact voltages remain.
  • the charging system according to the invention is suitable for use in a vehicle, wherein the vehicle mass is at ground potential.
  • vehicle is to be understood as meaning all driven vehicles which may have a high-voltage battery, regardless of which drive these motor vehicles have.
  • HEV electric hybrid vehicles
  • PH EV plug-in hybrid vehicles
  • EV electric vehicles
  • fuel cell vehicles and / or all vehicles that use a high-voltage battery for the electrical power supply of the vehicle and / or vehicle components.
  • the charging system includes a vehicle high-voltage network.
  • the vehicle high-voltage network has at least one high-voltage battery, and possibly one or more consumers. As consumers are exemplified a traction drive and / or an electric air conditioning compressor. A possibly present in the vehicle 14V electrical system may also be connected to the vehicle high-voltage network, preferably via a potential-separated DC-DC converter.
  • the vehicle high-voltage network can be designed such that one or more consumers can be connected to it and supplied with power by the high-voltage battery.
  • each energy storage the energy by means of electronic stores chemical or physical processes and provides an output voltage in the high-voltage range.
  • energy storage devices are to be understood that contain one or more capacitor cells, accumulator cells and / or battery cells connected in series and possibly also in parallel.
  • Preferred energy storage devices may comprise fuel cells, in particular of the type alkaline fuel cell (AFC), polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate fuel cell (MCFC) and / or solid oxide fuel cell (SOFC).
  • AFC type alkaline fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • e-electrochemical energy storage can accumulator cells, in particular of the type Pb - lead acid battery, NiCd - nickel-cadmium battery, NiH2 - nickel-hydrogen accumulator, NiMH - nickel-metal hydride accumulator, Li-ion - lithium-ion battery, LiPo - Lithium Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium Manganese Battery, LiFePO 4 - Lithium Iron Phosphate Battery, LiTi - Lithium Titanate Battery, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese , Ni-Fe - nickel
  • the energy store can have one or more cells.
  • the high-voltage battery includes a battery separator. This is designed so that the high-voltage battery is reversibly separable from the rest of the vehicle high-voltage network by means of the battery separator.
  • the battery separator may include switches, preferably one or more contactors.
  • the battery separator may be disposed in the battery case.
  • the charging system has a with the high-voltage battery conductively connected, can be integrated into the vehicle charger with power disconnect device, which is connected via power plug with a charging current network.
  • the charger may be connected to the vehicle high-voltage network.
  • the charger is designed so that the high-voltage battery can be connected and charged with a suitable energy source, the charging current network.
  • the charger may have a plug connection which is designed such that it can be connected to the charging current network.
  • the charger has a power disconnect device that can reversibly disconnect the charger and the downstream vehicle high-voltage network and / or the high-voltage battery from the charging network.
  • Net separation device may comprise switches, preferably one or more contactors.
  • the power disconnect device may be located in the charger housing or in the power plug of the charger.
  • the charger may have other components and components, such as a line filter, a rectifier and / or possibly a DC-DC converter (DC / DC converter).
  • the charger is designed to be integrated into the vehicle, so that the charger is firmly connected to the vehicle in the operating state and can not be removed without manipulation. In this case, the charger can be integrated into the vehicle so that only parts of the charger are easily accessible, such as the power plug of the charger.
  • the charging current network can be any power network which is suitable for supplying and charging the high-voltage battery via the charger used in each case.
  • a three-phase network and / or an alternating current network can be used.
  • the charging network has a power outlet, which is complementary to a power plug of the charger or to an adapter for the power plug of the charger.
  • the charging system has one or more Fl-breaker for fault current monitoring during a charging operation, the Fl-breaker are arranged such that the charging system is separable from a connected charging current network via the Fl-breaker.
  • Fl breaker are also referred to as Fl-switch, residual current circuit breaker or RCD (Residual Current Protective Device).
  • the Fl-breaker disconnects the monitored circuit all poles when a certain tripping fault current is exceeded, ie. all conductors except for the protective conductor, from the rest of the network.
  • Fault currents can occur when (fault) current flows through the human body or through faulty insulation.
  • the Fl-circuit breaker compares the height of the return current with that of the return current.
  • the signed sum of all currents flowing through the Fl-breaker must be zero for an intact system.
  • the comparison is made in a summation current transformer, which adds all the currents flowing to and from the load with the correct sign. If a current is dissipated to earth somewhere in the circuit, the sum of the current flowing back and forth in the summation current transformer is not equal to zero: there is a current difference, the residual current which triggers the Fl circuit breaker and thus the separation from the - -
  • Fl-circuit breaker and design and construction are known.
  • such Fl-circuit breakers are used, which when exceeding a tripping fault current of ⁇ 30 mA, preferably ⁇ 30 mA, trigger and disconnect.
  • the Fl-circuit breaker in the mains socket of the charging current network or in the charger, there preferably in the power plug or after the mains filter of the charger, arranged.
  • a Fl-circuit breaker is connected to the battery separator in such a way that when triggering the Fl-circuit breaker and the battery separator is triggered. This ensures that, in the event of a fault current, not only the connection between the charging current network and the charger is interrupted, but also the connection between the high-voltage battery and the vehicle high-voltage network.
  • the one or more Fl-circuit breaker of the charging system according to the invention can be arranged, for example, in the power socket or in the fuse box of the charging current network or in the charger, preferably in the power plug or after the mains filter of the charger.
  • the charging system has a protective conductor, which is connectable to the vehicle ground, as well as means for permanent protective conductor function monitoring during a charging process, wherein the means is designed such that when impairing the protective conductor function, the battery separator of the high-voltage battery and the power disconnecting device of the charger can be triggered.
  • Essential for the correct functioning of the Fl-switch is that an intact
  • Protective conductor is present, which is not impaired in its function.
  • the charging system has means that allow permanent monitoring of the protective conductor function.
  • this means may comprise or consist of an arrangement for measuring the protective conductor resistance. In this case, e.g. no impairment of the protective conductor function, as long as the protective conductor resistance is not greater than 100 mOhm, preferably ⁇ 100 mOhm.
  • the charging system has means for monitoring the insulation of the vehicle high-voltage network and the charger before starting a charging process, wherein the Means are designed such that upon detection of an insulation fault, the battery separator of the high-voltage battery and the power disconnecting device of the charger can be triggered.
  • the means may comprise an arrangement for current measurement, voltage measurement and / or resistance measurement.
  • the present invention also relates to a vehicle comprising a charging system according to the invention; in particular, the charging device of the charging system can be integrated in the vehicle.
  • the vehicle with integrated charger is designed as a Class 1 device with a plugged-in network connection, with a grounded conductive housing, with the vehicle ground at ground potential.
  • the present invention also relates to a method for safety monitoring of a charging process of a vehicle-integrated charging system according to the invention, comprising: i) the monitoring and detection of a fault current during the charging process by means of Fl-switches arranged in the charger; ii) monitoring the function of a protective conductor of the charging system, which is connected to the vehicle ground, during the charging process; in which upon detection of a fault current of ⁇ 30 mA, preferably ⁇ 30 mA, and / or a protective conductor fault, both the high-voltage battery from the vehicle high-voltage network, and the charger is disconnected from the charging current network, wherein preferably a protective earth fault exists when the protective conductor resistance is> 100 mOhms ,
  • an insulation monitoring of all current-carrying components of the charging system be provided, wherein upon detection of an insulation fault, both the high-voltage battery from the vehicle high-voltage network, and the charger is disconnected from the charging current network.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a charging system according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the charging system according to the invention.
  • the charging system 1 comprises a high-voltage battery 2 which is connected to a vehicle high-voltage network 4 via battery disconnectors 3a and 3b.
  • the charging system 1 has a charger 5, with a power disconnecting device 6 and a power plug 7. About the power plug 7, the charger 5 is connected to a charging current network 9. In this case, the power socket of the charging current network 9 on a Fl-circuit breaker 8.
  • a device for insulation monitoring 16 are connected, and various consumers, such as a traction drive 1 1, an electric air conditioning compressor 12 and a potential-separated DC / DC converter 13, a 14V electrical system 14.
  • the charging system has a device for Schutzleitfunktionsüberwa - Chung 15, which is so connected to a protective conductor 10 that a deterioration of the functioning of the protective conductor 10 is detectable. If it is intended to put the charging system 1 into operation and to charge the high-voltage battery 2, it is first checked by means of the insulation monitoring device 16 as to whether there is an insulation fault in the vehicle high-voltage network 4. If this is the case, the mains disconnecting device 6 and the Batterietrennnvor- directions 3a and 3b are triggered and a current flow from the charging current network 9 to the charger 5 interrupted, as well as a current flow between the vehicle high-voltage network 4 and high-voltage battery 2. If there is no insulation fault, can start the charging process become.
  • the Fl-circuit breaker 8 During the charging process is monitored permanently via the Fl-circuit breaker 8, whether it comes to a fault current or not. If a fault current of more than 30 mA is measured, then the Fl-breaker triggers 8 and disconnects the connection between charging current network 9 and charger 5. The power supply from the charging current network 9 to the charger 5 is interrupted. In order to ensure that the Fl-breaker 8 operates without problems, it is necessary to permanently monitor whether the protective conductor 10 is functioning properly.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladesystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit Fahrzeugmasse auf Erdpotential, umfassend a) ein Fahrzeughochvoltnetz enthaltend eine Hochvoltbatterie mit Batterietrennvorrichtung, sowie gegebenfalls einen oder mehrere Verbraucher; b) ein mit der Hochvoltbatterie leitend verbundenes, in das Fahrzeug integrierbares Ladegerät mit Netztrennvorrichtung, welches über Netzstecker mit einem Ladestromnetz verbindbar ist; c) einen oder mehrere Fl-Schutzschalter zur Fehlerstromüberwachung während eines Ladevorgangs, wobei die Fl-Schutzschalter derart angeordnet sind, dass das Ladesystem von einem angeschlossenen Ladestromnetz über die Fl-Schutzschalter trennbar ist; d) einen Schutzleiter, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist, sowie Mittel zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung während eines Ladevorgangs, wobei das Mittel derart ausgestaltet ist, dass bei Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind; e) Mittel zur Isolationsüberwachung des Fahrzeughochvoltnetzes und des Ladegerätes vor dem Start eines Ladevorgangs, wobei die Mittel derart ausgestaltet sind, dass bei Detektion eines Isolationsfehlers die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind.

Description

Beschreibung
Titel
Ladesvstem mit Fl-Schutzschaltern
Stand der Technik
Fahrzeuge, die eine Elektromaschine zum Antrieb enthalten, benötigen auch einen energiespeicher, der üblicherweise eine Ausgangsspannung von ≥ 60 V DC bzw. 25 V AC aufweist. Bei solch hohen Spannungsquellen werden besondere Anforderungen an den Schutz von Personen gefordert, so dass entsprechende Schutzmaßnahen vorgesehen werden.
Insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, sog. Plug-In-Hybride, weisen einen Energiespeicher auf, der aus dem elektrischen Netz nachgeladen werden kann. Solche Fahrzeuge weisen einen Netzanschluss zur Nachladung des elektrischen Energiespeichers auf, häufig in Form einer Steckverbindung auf.
Um beim Nachladen die notwendige Sicherheit für Personen und Umgebung zu gewährleisten, werden die heute verfügbaren Ladeschaltungen mit einer Potentialtrennung ausgestattet. Um diese zu bewerkstelligen, wird ein teurer und schwerer Transformator eingesetzt. Da das Ladesystem normalerweise im Fahrzeug in- tegriert vorliegt, spielt neben den Kosten auch das Gewicht des Transformators eine Rolle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine sicheres Ladesystem bereitzustellen, welches kostengünstiger realisiert werden kann und leichter ist als bekannte Lösungen. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Ladesystems zur Verwen- düng in einem Fahrzeug mit Fahrzeugmasse auf Erdpotential, umfassend: a) ein Fahrzeughochvoltnetz enthaltend eine Hochvoltbatterie mit Batterietrennvorrichtung, sowie gegebenfalls einen oder mehrere Verbraucher; b) ein mit der Hochvoltbatterie leitend verbundenes, in das Fahrzeug integrierbares Ladegerät mit Netztrennvorrichtung, welches über Netzstecker mit einem La- destromnetz verbindbar ist; c) einen oder mehrere Fl-Schutzschalter zur Fehlerstromüberwachung während eines Ladevorgangs, wobei die Fl-Schutzschalter derart angeordnet sind, dass das Ladesystem von einem angeschlossenen Ladestromnetz über die Fl- Schutzschalter trennbar ist; d) einen Schutzleiter, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist, sowie Mittel zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung während eines Ladevorgangs, wobei das Mittel derart ausgestaltet ist, dass bei Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind; e) Mittel zur Isolationsüberwachung des Fahrzeughochvoltnetzes und des Ladegerätes vor dem Start eines Ladevorgangs, wobei die Mittel derart ausgestaltet sind, dass bei Detektion eines Isolationsfehlers die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „hochvolt" Spannungen verstanden von nicht weniger als 50 V Gleichstrom bzw. 20 V Wechselstrom, insbesondere von nicht weniger als 60 V Gleichstrom bzw. 25 V Wechselstrom.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ladesystem ohne einen teuren und schweren Transformator auskommt. Ausreichende Sicherheit während des Ladevorgangs wird dadurch gewährleistet, dass nach dem Anschließen des Ladegerätes an ein Ladestromnetz zunächst vor dem Ladevorgang das Fahrzeughochvoltnetz und das Ladegerät auf einen Isolationsfehler hin überprüft werden. Liegt ein Isolationsfehler vor, so wird die Hochvoltbatterie und das Ladegerät vom Ladestromnetz getrennt. Liegt kein Isolationsfehler vor, so wird mit dem Ladevorgang begonnen. Während des Ladevorgangs überwachen Fl-Schalter den Stromfluss und lösen die Trennung des Ladesystems vom Ladestromnetz aus, wenn ein bestimmter Fehlerstromwert überschritten wird. Damit die Fl-Schalter verlässlich funktionieren können, ist die permanente Überwachung der Schutzleiterfunktion des Ladesystems während des Ladevorgangs vorgesehen. Solange der Schutzleiter funktionstüchtig ist, bieten die Fl-Schalter die erforderliche Sicherheit. Ist die Schutzleiterfunktion beeinträchtigt, so wird die Hochvoltbatterie vom Fahrzeughochvoltnetz und das Ladegerät vom Ladestrom- netz getrennt. Zu keinem Zeitpunkt bleiben gefährliche Berührungsspannungen bestehen.
Das erfindungsgemäße Ladesystem ist zur Verwendung in einem Fahrzeug ge- eignet, wobei die Fahrzeugmasse auf Erdpotential liegt.
Unter dem Begriff „Fahrzeug" sind grundsätzlich alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die eine Hochvoltbatterie aufweisen können, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Fahrzeug" Fahrzeuge mit einem Elektroantrieb, z.B.
HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PH EV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (E- lektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, und/oder alle Fahrzeuge, die eine Hochvoltbatterie für die elektrische Energieversorgung von Fahrzeug und/oder Fahrzeugkomponenten einsetzen.
Das Ladesystem umfasst ein Fahrzeughochvoltnetz. Das Fahrzeughochvoltnetz weist mindestens eine Hochvoltbatterie auf, sowie ggf. einen oder mehrere Verbraucher. Als Verbraucher seien beispielhaft genannt ein Traktionsantrieb und/oder ein elektrischer Klimakompressor. Ein ggf. im Fahrzeug vorhandenes 14V-Bordnetz kann ebenfalls an das Fahrzeughochvoltnetz angeschlossen sein, bevorzugt über einen potentialgetrennten Gleichstromwandler. Das Fahrzeughochvoltnetz kann so ausgestaltet sein, dass einer oder mehrere Verbraucher daran angeschlossen und durch die Hochvoltbatterie mit Strom versorgt werden können.
Unter einer Hochvoltbatterie kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeder Energiespeicher verstanden werden, der eine Energie mittels elektro- chemischer oder physikalischer Prozesse speichert und eine Ausgangsspannung im Hochvoltbereich bereitstellt. Insbesondere sind darunter Energiespeicher zu verstehen, die eine oder mehrere in Reihe und gegebenenfalls auch parallel geschaltete Kondensator-, Akkumulator- und/oder Batte- riezellen enthalten. Bevorzugte Energiespeicher können Brennstoffzellen, insbesondere vom Typ alkalische Brennstoffzelle (AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) aufweisen. Weitere bevorzugte e- lektrochemische Energiespeicher können Akkumulatorzellen, insbesondere vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel- Wasserstoff-Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen-Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li- Mn - Lithium-Mangan-Akku, LiFePO4 - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium-Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-
Eisen-Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium- Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku aufweisen. Es können auch Doppelschichtkondensatoren oder andere Kondensatortypen eingesetzt werden. Der Energiespeicher kann eine oder mehrere Zellen aufweisen.
Die Hochvoltbatterie umfasst eine Batterietrennvorrichtung. Diese ist so ausgestaltet, dass die Hochvoltbatterie mittels der Batterietrennvorrichtung reversibel vom restlichen Fahrzeughochvoltnetz trennbar ist. Die Batterietrennvorrichtung kann Schalter aufweisen, bevorzugt einen oder mehrere Schütze. Die Batterietrennvorrichtung kann im Batteriegehäuse angeordnet sein.
Das Ladesystem weist ein mit der Hochvoltbatterie leitend verbundenes, in das Fahrzeug integrierbares Ladegerät mit Netztrennvorrichtung auf, welches über Netzstecker mit einem Ladestromnetz verbindbar ist. Dabei kann das Ladegerät mit dem Fahrzeughochvoltnetz verbunden sein. Das Ladegerät ist so ausgelegt, dass darüber die Hochvoltbatterie mit einer geeigneten Energiequelle, dem Ladestromnetz, verbunden und aufgeladen werden kann. Dazu kann das Ladegerät eine Steckverbindung aufweisen, die derart ausgestaltet ist, dass sie mit dem Ladestromnetz verbindbar ist. Das Ladegerät weist eine Netztrennvorrichtung auf, die das Ladegerät und das nachgeschaltete Fahrzeughochvoltnetz und/oder die Hochvoltbatterie vom Ladenetz reversibel voneinander trennen kann. Die - -
Netztrennvorrichtung kann Schalter aufweisen, bevorzugt einen oder mehrere Schütze. Die Netztrennvorrichtung kann im Gehäuse des Ladegeräts oder im Netzstecker des Ladegeräts angeordnet sein. Das Ladegerät kann weitere Bauteile und Bestandteile aufweisen, wie beispielsweise einen Netzfilter, einen Gleichrichter und/oder ggf. einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler). Bevorzugt ist das Ladegerät in das Fahrzeug integrierbar ausgeführt, so dass das Ladegerät im Betriebszustand fest mit dem Fahrzeug verbunden ist und nicht ohne Manipulation entfernt werden kann. Dabei kann das Ladegerät so in das Fahrzeug integriert vorliegen, dass nur Teile des Ladegeräts leicht zugänglich sind, beispielsweise der Netzstecker des Ladegeräts.
Als Ladestromnetz kann jedes Stromnetz verwendet werden, welches geeignet ist über das jeweils verwendete Ladegerät die Hochvoltbatterie mit Energie zu versorgen und zu laden. Insbesondere kann ein Drehstromnetz und/oder ein Wechselstromnetz verwendet werden. Das Ladestromnetz weist eine Netzsteckdose auf, die komplementär ausgeführt ist zu einem Netzstecker des Ladegeräts bzw. zu einem Adapter für den Netzstecker des Ladegeräts.
Das Ladesystem weist einen oder mehrere Fl-Schutzschalter zur Fehlerstrom- Überwachung während eines Ladevorgangs auf, wobei die Fl-Schutzschalter derart angeordnet sind, dass das Ladesystem von einem angeschlossenen Ladestromnetz über die Fl-Schutzschalter trennbar ist. Fl-Schutzschalter werden auch als Fl-Schalter, Fehlerstromschutzschalter oder RCD (Residual Current Protective Device) bezeichnet. Der Fl-Schutzschalter trennt bei Überschreiten ei- nes bestimmten Auslösefehlerstroms den überwachten Stromkreis allpolig, d.h. alle Leiter bis auf den Schutzleiter, vom restlichen Netz.
Fehlerströme können auftreten, wenn etwa durch den menschlichen Körper oder über eine schadhafte Isolierung ein (Fehler-)Strom fließt. Dazu vergleicht der Fl- Schutzschalter die Höhe des hin- mit dem des zurückfließenden Stromes. Die vorzeichenbehaftete Summe aller durch den Fl-Schutzschalter fließenden Ströme muss bei einer intakten Anlage Null betragen. Der Vergleich erfolgt in einem Summen-Stromwandler, der alle zum und vom Verbraucher fließenden Ströme vorzeichenrichtig addiert. Wird irgendwo im Stromkreis ein Strom gegen Erde abgeleitet, so ist im Summenstromwandler die Summe von hin- und zurückflie- ßendem Strom ungleich Null: es entsteht eine Stromdifferenz, der Fehlerstrom, die zum Auslösen des Fl-Schutzschalters und damit zur Trennung von der - -
Stromzufuhr führt. Dem Fachmann sind Fl-Schutzschalter und Design und Aufbau bekannt. Bevorzugt werden solche Fl-Schutzschalter verwendet, die bei Ü- berschreiten eines Auslösefehlerstrom von < 30 mA, bevorzugt < 30 mA, auslösen und trennen. Bevorzugt sind die Fl-Schutzschalter in der Netzsteckdose des Ladestromnetzes oder im Ladegerät, dort bevorzugt im Netzstecker oder nach dem Netzfilter des Ladegeräts, angeordnet.
In einer besonderen Ausführungsform ist ein Fl-Schutzschalter derart mit der Batterietrennvorrichtung verbunden, dass bei Auslösen des Fl-Schutzschalters auch die Batterietrennvorrichtung ausgelöst wird. Somit ist sichergestellt, dass im Falle eines Fehlerstroms nicht nur die Verbindung zwischen Ladestromnetz und Ladegerät unterbrochen wird, sondern auch die Verbindung zwischen Hochvoltbatterie und Fahrzeughochvoltnetz.
Insbesondere können der oder die Fl-Schutzschalter des erfindungsgemäßen Ladesystems beispielsweise in der Netzsteckdose oder im Sicherungskasten des Ladestromnetzes oder im Ladegerät, bevorzugt im Netzstecker oder nach dem Netzfilter des Ladegeräts angeordnet sein.
Das Ladesystem weist einen Schutzleiter auf, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist, sowie Mittel zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung während eines Ladevorgangs, wobei das Mittel derart ausgestaltet ist, dass bei Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind. We- sentlich für das korrekte Funktionieren der Fl-Schalter ist, dass ein intakter
Schutzleiter vorhanden ist, der in seiner Funktion nicht beeinträchtigt ist. Um dies zu gewährleisten weist das Ladesystem Mittel auf, die eine permanente Überwachung der Schutzleiterfunktion erlauben. Dem Fachmann sind solche Mittel bekannt. Beispielsweise kann dieses Mittel eine Anordnung zur Messung des Schutzleiterwiderstandes umfassen oder darin bestehen. In diesem Fall liegt z.B. keine Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion vor, solange der Schutzleiterwiderstand nicht größer ist als 100 mOhm, bevorzugt < 100 mOhm.
Das Ladesystem weist Mittel auf zur Isolationsüberwachung des Fahrzeughoch- voltnetzes und des Ladegerätes vor dem Start eines Ladevorgangs, wobei die Mittel derart ausgestaltet sind, dass bei Detektion eines Isolationsfehlers die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind. Dem Fachmann sind solche Mittel zur Isolationsüberwachung bekannt. Das Mittel kann eine Anordnung zur Strommessung, zur Spannungsmessung und/oder zur Widerstandsmessung umfassen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Fahrzeug umfassend ein erfindungsgemäßes Ladesystem, insbesondere kann das Ladegerät des Ladesys- tems im Fahrzeug integriert vorliegen. Das Fahrzeug mit integriertem Ladegerät ist bei gesteckter Netzverbindung als Gerät der Schutzklasse 1 konzipiert, mit geerdetem leitfähigem Gehäuse, wobei die Fahrzeugmasse auf Erdpotential liegt. Es kann ein oder mehrere Fl-Schutzschalter, beispielsweise mit < 30 mA Auslösestrom nach ECE R100 (Draft), im Netzstecker des Ladegeräts, in der Netzsteckdose des Ladestromnetzes oder z.B. im Ladegerät, nach dem Filter in
Kombination mit dem Lade- und/oder Vorladeschütz vorgesehen sein. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer leitenden Verbindung zwischen einer Netzphase und der Fahrzeugmasse, welche eine unzulässige Gefährdung darstellt, sofort der Fl-Schutzschalter auslöst und das Ladesystem netzseitig frei schaltet. Das- selbe gilt falls eine leitende Verbindung z.B. zwischen einer Hochvoltschiene des
Traktionsnetzes und der Fahrzeugmasse oder Erde gebildet wird. Wenn der Fl- Schutzschalter auslöst, wird auch immer die Hochvoltbatterie vom Fahrzeughochvoltnetz getrennt. Grundsätzlich gilt, dass im Fehlerfall alle Energiequellen vom Fahrzeughochvoltnetz und dem Ladegerät getrennt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Ladevorgangs eines in einem Fahrzeug integrierten erfindungsgemäßen Ladesystems, umfassend: i) die Überwachung und Detektion eines Fehlerstroms während des Ladevorgangs mittels im Ladegerät angeordneten Fl-Schaltern; ii) die Überwachung der Funktion eines Schutzleiters des Ladesystems, der mit der Fahrzeugmasse verbunden ist, während des Ladevorgangs; wobei bei Detektion eines Fehlerstroms von < 30 mA, bevorzugt < 30 mA, und/oder eines Schutzleiterfunktionsfehlers sowohl die Hochvoltbatterie vom Fahrzeughochvoltnetz, als auch das Ladegerät vom Ladestromnetz getrennt wird, wobei bevorzugt dann ein Schutzleiterfunktionsfehler vorliegt, wenn der Schutzleiterwider- stand > 100 mOhm ist.
Zusätzlich kann vor dem Start eines Ladevorgangs eine Isolationsüberwachung aller stromführenden Komponenten des Ladesystems, vorgesehen sein, wobei bei Detektion eines Isolationsfehlers sowohl die Hochvoltbatterie vom Fahrzeug- hochvoltnetz, als auch das Ladegerät vom Ladestromnetz getrennt wird.
Die zuvor gemachten Ausführungen zum erfindungsgemäßen Ladesystem können mutatis mutandis auch zur näheren Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems.
Bezugszeichenliste:
1 Ladesystem
2 Hochvoltbatterie
3a, 3b Batterietrennvorrichtung
4 Fahrzeughochvoltnetz
5 Ladegerät
6 Netztrennvorrichtung
7 Netzstecker
8 Fl-Schutzschalter
9 Ladestromnetz
10 Schutzleiter, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist
1 1 Traktionsantrieb
12 elektrischer Klimakompressor 13 potentialgetrennter DC/DC-Wandler
14 14V-Bordnetz
15 Vorrichtung zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung
16 Vorrichtung zur Isolationsüberwachung
Beispielhafte Ausführungsform der Erfindung:
In FIG. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems ge- zeigt. Das Ladesystem 1 umfasst eine Hochvoltbatterie 2, die über Batterietrennvorrichtungen 3a und 3b mit einem Fahrzeughochvoltnetz 4 verbunden ist. Das Ladesystem 1 weist ein Ladegerät 5 auf, mit einer Netztrennvorrichtung 6 und einem Netzstecker 7. Über den Netzstecker 7 ist das Ladegerät 5 mit einem Ladestromnetz 9 verbunden. Dabei weist die Netzsteckdose des Ladestromnetzes 9 einen Fl-Schutzschalter 8 auf. An das Fahrzeughochvoltnetz 4 sind eine Vorrichtung zur Isolationsüberwachung 16 angeschlossen, sowie verschiedene Verbraucher, wie ein Traktionsantrieb 1 1 , ein elektrischer Klimakompressor 12 und über einen potentialgetrennten DC/DC-Wandler 13 ein 14V-Bordnetz 14. Das Ladesystem verfügt über eine Vorrichtung zur Schutzleiterfunktionsüberwa- chung 15, die derart mit einem Schutzleiter 10 verbunden ist, dass eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Schutzleiters 10 detektierbar ist. Ist es beabsichtigt das Ladesystem 1 in Betrieb zu nehmen und die Hochvoltbatterie 2 zu laden, so wird zunächst mittels der Vorrichtung zur Isolationsüberwachung 16 überprüft, ob ein Isolationsfehler im Fahrzeughochvoltnetz 4 vorliegt. Ist dies der Fall, werden die Netztrennvorrichtung 6 und die Batterietrennnvor- richtungen 3a und 3b ausgelöst und ein Stromfluss vom Ladestromnetz 9 zum Ladegerät 5 unterbrochen, ebenso wie ein Stromfluss zwischen Fahrzeughochvoltnetz 4 und Hochvoltbatterie 2. Liegt kein Isolationsfehler vor, kann mit dem Ladevorgang begonnen werden. Während des Ladevorgangs wird über den Fl- Schutzschalter 8 permanent überwacht, ob es zu einem Fehlerstrom kommt oder nicht. Wird ein Fehlerstrom von mehr als 30 mA gemessen, so löst der Fl- Schutzschalter 8 aus und trennt die Verbindung zwischen Ladestromnetz 9 und Ladegerät 5. Die Stromzufuhr vom Ladestromnetz 9 zum Ladegerät 5 ist unterbrochen. Um zu gewährleisten, dass der Fl-Schutzschalter 8 problemslos funkti- oniert, ist es notwendig permanent zu Überwachen, ob der Schutzleiter 10 ordnungsgemäß funktioniert. Dazu dient die Vorrichtung zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung 15. Diese ist als Anordnung zur Messung des Schutz- leiterwiderstandes ausgebildet. Wird eine Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion detektiert, so wird die Batterietrennvorrichtung 3a, 3b der Hochvoltbatterie 2 und die Netztrennvorrichtung 6 des Ladegeräts 5 ausgelöst. Die Vorrichtung zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung 15 detektiert dabei eine Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion, wenn der Schutzleiterwiderstand größer als 100 mOhm ist.

Claims

Ansprüche
1 . Ladesystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit Fahrzeugmasse auf Erdpotential, umfassend a) ein Fahrzeughochvoltnetz enthaltend eine Hochvoltbatterie mit Batterie- trennvorrichtung, sowie gegebenfalls einen oder mehrere Verbraucher; b) ein mit der Hochvoltbatterie leitend verbundenes, in das Fahrzeug integrierbares Ladegerät mit Netztrennvorrichtung, welches über Netzstecker mit einem Ladestromnetz verbindbar ist; c) einen oder mehrere Fl-Schutzschalter zur Fehlerstromüberwachung wäh- rend eines Ladevorgangs, wobei die Fl-Schutzschalter derart angeordnet sind, dass das Ladesystem von einem angeschlossenen Ladestromnetz ü- ber die Fl-Schutzschalter trennbar ist; d) einen Schutzleiter, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist, sowie Mittel zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung während eines Lade- Vorgangs, wobei das Mittel derart ausgestaltet ist, dass bei Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind; e) Mittel zur Isolationsüberwachung des Fahrzeughochvoltnetzes und des Ladegerätes vor dem Start eines Ladevorgangs, wobei die Mittel derart aus- gestaltet sind, dass bei Detektion eines Isolationsfehlers die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegeräts auslösbar sind.
2. Ladesystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Fl- Schutzschalter verwendet werden mit einem Auslösefehlerstrom von < 30 mA, bevorzugt < 30 mA.
3. Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Schutzleiterfunktionsüberwachung während ei- nes Ladevorgangs, eine Anordnung zur Messung des Schutzleiterwiderstands vorgesehen ist.
4. Ladesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion vorliegt, wenn der Schutzleiterwiderstand größer als 100 mOhm ist.
5. Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietrennvorrichtung und/oder die Netztrennvorrichtung ein oder mehrere Schütze aufweisen.
6. Ladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Fl-Schutzschalter in der Netzsteckdose oder im Sicherungskasten des Ladestromnetzes oder im Ladegerät, bevorzugt im Netzstecker oder nach dem Netzfilter des Ladegeräts angeordnet sind.
7. Fahrzeug umfassend ein Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät im Fahrzeug integriert vorliegt.
9. Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Ladevorgangs eines in einem Fahrzeug integrierten Ladesystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: i) Überwachung und Detektion eines Fehlerstroms im Ladesystem während des Ladevorgangs mittels Fl-Schaltern; ii) Überwachung der Funktion eines Schutzleiters des Ladesystems, der mit der Fahrzeugmasse verbunden ist, während des Ladevorgangs; wobei bei Detektion eines Fehlerstroms von < 30 mA, bevorzugt < 30 mA, und/oder eines Schutzleiterfunktionsfehlers sowohl die Hochvoltbatterie vom Fahrzeughochvoltnetz, als auch das Ladegerät vom Ladestromnetz getrennt wird, wobei bevorzugt dann ein Schutzleiterfunktionsfehler vorliegt, wenn der
Schutzleiterwiderstand > 100 mOhm ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor dem Start eines Ladevorgangs zu- sätzlich eine Isolationsüberwachung aller stromführenden Komponenten des
Ladesystems, durchgeführt wird, wobei bei Detektion eines Isolationsfehlers __o
sowohl die Hochvoltbatterie vom Fahrzeughochvoltnetz, als auch das Ladegerät vom Ladestromnetz getrennt wird.
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