WO2012084131A2 - Verfahren und vorrichtung zum laden einer niedervoltbatterie in einem elektrischen antriebssystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laden einer niedervoltbatterie in einem elektrischen antriebssystem Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for charging a low-voltage battery in an electric drive system.
  • From DE 20 2010 000 551 U1 is an electric drive system for a vehicle with at least one inverter controlled electric motor.
  • the inverter is connected to a high-voltage battery whose DC voltage is converted by the inverter into a three-phase AC voltage for the electric motor.
  • the high-voltage battery is connected to a low-voltage battery via a bidirectional DC / DC converter.
  • the high-voltage battery can be connected to an external power supply via a bidirectional AC / DC converter.
  • the high-voltage battery can be charged from the external network or the high-voltage battery can feed energy into the external network.
  • the invention is based on the technical problem of providing a method and a device for charging a low-voltage battery in an electric drive system, by means of which the functionality, in particular the startability of the electric drive system is improved. Another technical problem is the avoidance of damage to the low-voltage battery by overcharging.
  • the method for charging a low-voltage battery in an electric drive system by means of a high-voltage battery, at least one low-voltage battery, at least one AC / DC converter, at least one DC / DC converter, means for determining the state of charge of the low-voltage battery and the high-voltage battery and at least one control device for the DC / DC converter comprises the following method steps:
  • the state of charge of the low-voltage battery is determined and with at least one
  • control device checks whether an external network is connected to the AC / DC converter or to a connection for an external network
  • the state of charge of the high-voltage battery is determined.
  • the low-voltage battery is charged from the high-voltage battery via the DC / DC converter, if the state of charge of the high-voltage battery is above a threshold.
  • the low-voltage battery used in a electric or hybrid vehicle unlike in a conventional vehicle with an internal combustion engine, as a stand-by battery.
  • the low voltage battery is required to provide the energy needed to activate the high voltage components and ride.
  • the on-board electrical system is supported by the high-voltage battery via a DC / DC converter and, in addition, the low-voltage battery is recharged.
  • the electrical system is supported and, if necessary, the low-voltage battery is charged.
  • Components connected to the low-voltage battery may not be safely activated can be without the risk that the associated vehicle electrical system voltage collapses.
  • the low-voltage battery as far as possible has a sufficient state of charge to produce the driving readiness, so for example to supply the necessary for starting the control units with voltage.
  • the check of the state of charge of the low-voltage battery can be done continuously, at certain vehicle events or periodically.
  • the period can be fixed or depending on at least one parameter. For example, the period can be reduced with decreasing SOC.
  • Other possible parameters are e.g. the outside temperature or the state of health (SOH) of the
  • Charge state for example, be dependent on the parameters temperature and / or SOH.
  • the external network is usually a
  • AC voltage network for example, a home network connection.
  • the external power supply is a DC voltage source, so that then the AC / DC converter can be omitted and replaced by a suitable DC / DC converter.
  • the threshold value for the low-voltage battery is set such that the low-voltage battery can safely establish the driving readiness. Accordingly, the threshold value for the high-voltage battery is chosen such that the high-voltage battery can start the vehicle drive.
  • the method can thus be ensured that the low-voltage battery never remains in a very low state of charge, as long as the high-voltage battery is sufficiently charged. This ensures that the electric / hybrid vehicle is ready to drive, so the disconnected drive train can be started.
  • the recharging function can reduce the capacity of the low-voltage battery as long as it is ensured that the stored charge ensures startability.
  • the predictable energy of the low-voltage battery can be reduced, which ultimately contributes to the weight reduction of the vehicle by a smaller battery (lower capacity) can be used.
  • the low-voltage battery is associated with a second threshold, to which the low-voltage battery is charged. Further, it can be provided that the high-voltage battery is also assigned a second threshold, to which the high-voltage battery may be discharged to the maximum. This second threshold for the
  • High-voltage battery can be set or a percentage of the starting value of the state of charge of the high-voltage battery at the beginning of the charging process of the low-voltage battery.
  • the second threshold may also be a combination, i. it may not exceed X% of the
  • Charge state starting from the initial charging state (start value) of the high-voltage battery for charging the low-voltage battery can be used and overall, the state of charge may not fall below Y% of the maximum state of charge.
  • the method described can also recharge the low-voltage battery when the vehicle has a high power consumption in the state, for example due to the activation of the parking light, the hazard warning lights, the heating or air conditioning.
  • the device for charging a low-voltage battery in an electric drive system comprises at least one high-voltage battery, at least one low-voltage battery, at least one DC / DC converter, means for determining the state of charge of the low-voltage battery and the high-voltage battery and at least one control device for the DC / DC converter the device has at least one connection to an external power supply, wherein by means of the device the state of charge of the low-voltage battery can be determined and compared to a threshold value and by means of the control device, the connection to the external power supply can be checked, depending on the state of charge of the low-voltage battery and the connection of a external power supply, a charging path from the external power supply via the DC / DC converter to the low-voltage battery by the control device can be unlocked.
  • a charging path can be disconnected from the high-voltage battery via the DC / DC converter and / or another DC / DC converter to the low-voltage battery by the control device.
  • the device comprises an AC / DC converter, wherein the AC terminal of the AC / DC converter forms the terminal to the external power supply and the DC terminal of the AC / DC converter with a DC terminal of the DC / DC converter is connected.
  • a first DC / DC converter is arranged between the high-voltage battery and the low-voltage battery
  • a second DC / DC converter is arranged between the DC connection of the AC / DC converter and the low-voltage battery.
  • Low-voltage battery is determined and compared with at least one threshold value, wherein when exceeding the threshold value of at least one of the DC / DC converter is controlled by the control device such that a charging current is reduced.
  • the reduction can be zero in the limit case. This can be achieved by switching off the DC / DC converter or else that the charging current of the DC / DC converter is dimensioned such that it corresponds to the current through the active components on the low-voltage side.
  • the reduction may, for example, be such that, when a first threshold value is exceeded, charging is first performed with a flat charging curve in comparison to the usual charging, and an exceeding of a further threshold value is reduced to zero.
  • different thresholds may be assigned different charging curves.
  • the threshold values can also be parameterized as described above.
  • Fig. 1 is a schematic circuit arrangement for reloading a
  • Fig. 3 shows a third schematic circuit arrangement and 4 shows a flow chart of the method according to the invention.
  • a device 1 for recharging a low-voltage battery 2 is shown in an electric drive system, which is for example part of an electric or hybrid motor vehicle with an electric machine, not shown.
  • the device 1 comprises a high-voltage battery 3, an AC / DC converter 4, a DC / DC converter 5, devices 6, 7 for determining the state of charge of the low-voltage battery 2 and the high-voltage battery 3, and at least one control device 8 for the AC / DC converter.
  • the device 1 is formed with terminals 9 for connection to an external power supply 10, which is formed for example as a 110 V or 220 V home socket.
  • the function of the high-voltage battery 3 is to provide the electrical energy for the electric machine.
  • the function of the low-voltage battery 2 is primarily the support of the electrical system when driving and the supply of electrical loads in the start and possibly rest phase.
  • These are, in particular, control devices, but also the illustrated AC-DC converters 4 and DC / DC converters 5, devices 6, 7 and the control device 8, the control commands S1, S2 for the AC / DC converter 4 and the DC / DC Transformer 5 generated.
  • the electric drive system can be started, therefore, the low-voltage battery 2 must be sufficiently charged to supply the star-relevant consumers.
  • the device 1 can be connected via a charging cable to the external power supply 10.
  • the home network voltage can then be converted into a suitable DC voltage for the high-voltage battery 3 and the high-voltage battery 3 is charged.
  • the low-voltage battery 2 can be charged either parallel to the charging process of the high-voltage battery 3 via the DC / DC converter 5 or temporally thereafter, for example when the DC output of the AC / DC converter Converter 4 only with the optional
  • High-voltage battery 3 or the DC input of the DC / DC converter 5 is connectable. Are then the high-voltage battery 3 and the low-voltage battery 2 sufficiently charged, the charging process is initially stopped and the vehicle goes into a resting state.
  • the state of charge of the low-voltage battery 2 is now checked, for which purpose, if necessary, the device 1 or parts thereof are woken up.
  • the device 6 first determines the state of charge of the low-voltage battery 2. The determined
  • Charge state is then compared with a threshold, the comparison either already done in the device 6 or only in the controller 8. Is the
  • Power supply 10 is connected.
  • Low-voltage battery 2 has reached a predetermined level.
  • Threshold compared, the comparison in the device 7 or in the
  • Control device 8 can be done. If the high-voltage battery 3 is sufficiently charged, the low-voltage battery 2 is charged via this. For this purpose, the high-voltage battery 3 is switched to the input of the DC / DC converter 5. This can be done as shown in the drawing via the AC / DC converter 4 or by a switchable connection, not shown. If, by contrast, the high-voltage battery 3 is not sufficiently charged, then the low-voltage battery 2 can not be charged either.
  • the illustrated DC / DC converter 5 also serves to supply the vehicle electrical system during driving operation from the high-voltage battery 3.
  • at least the AC / DC converter 4 can be bidirectional if the vehicles are also to feed energy back into the external network, as already described in the prior art.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment, the devices 6, 7 and the control device 8 not being shown for reasons of clarity.
  • This DC / DC converter 11 serves primarily to supply the electrical system during driving and the low-voltage battery to load.
  • the charge of the low-voltage battery 2 from the external power supply via the AC / DC converter 4 and the DC / DC converter 5, the power in comparison to the DC / DC converter 1 1 may be smaller dimensioned.
  • the DC / DC converter 5 is integrated in the AC / DC converter 4, so that these two form a structural unit. In the parked state without external power supply can thereby charge the
  • Low-voltage battery 2 from the high-voltage battery 3 via the DC / DC converter 5 and / or the DC / DC converter 1 1 done.
  • the charge is due to the better
  • FIG. 4 shows a flow chart of the method according to the invention. In this case, it is checked in a first step, whether the state of charge SOC of the low-voltage battery 2 is too low. If this is the case, it is checked in a second step, whether the vehicle is connected to an external power supply 10. If this is not the case, it is checked whether the state of charge SOC of the high-voltage battery 3 is sufficient to charge the low-voltage battery 2. If this is the case or if an external power supply is connected, the high-voltage network is activated, i. in particular, the transducers 4, 5 turned on. The activation of the high-voltage network is checked and, if necessary, an error signal is generated. Otherwise, the recharging of the low-voltage battery begins 2.
  • a predetermined state of charge for example, 70%, the reloading is completed and the vehicle goes into sleep mode.
  • the predetermined state of charge is preferably between 60 - 100% of the maximum state of charge of the low-voltage battery 2, this predetermined value can also be parameterized, for example, depending on the
  • the low-voltage battery can also be replaced or supplemented by at least one capacitor.
  • the energy for the vehicle is held mainly in the high-voltage battery 3 and the capacitor is before the vehicle start or use on the
  • the capacitor ensures that a peak power requirement that can not be covered by the DC / DC converter, from the
  • Capacitor can be provided in the low-voltage network.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Laden einer Niedervoltbatterie (2) in einem elektrischen Antriebssystem, umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie (3), mindestens eine Niedervoltbatterie (2), mindestens einen DC/DC-Wandler (5, 11), Einrichtungen (6, 7) zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) sowie mindestens eine Steuereinrichtung (8) für den DC/DC-Wandler (5, 11), wobei die Vorrichtung mindestens einen Anschluss (9) an eine externe Spannungsversorgung aufweist, wobei mittels der Einrichtung (6) der Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) ermittelbar und mit einem Schwellwert vergleichbar ist und mittels der Steuereinrichtung (8) der Anschluss (9) an die externe Spannungsversorgung (10) überprüfbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) und dem Anschluss (9) einer externen Spannungsversorgung (10) ein Ladepfad von der externen Spannungsversorgung (10) über den DC/DC-Wandler (5) zur Niedervoltbatterie (2) durch die Steuereinrichtung (8) freischaltbar ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen
Antriebssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen Antriebssystem.
Aus der DE 20 2010 000 551 U1 ist ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug mit wenigstens einem Wechselrichter gesteuerten Elektromotor. Der Wechselrichter ist mit einer Hochvoltbatterie verbunden, deren Gleichspannung vom Wechselrichter in eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor gewandelt wird. Weiter ist die Hochvoltbatterie über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler mit einer Niedervoltbatterie verbunden. Über einen bidirektionalen AC/DC-Wandler ist die Hochvoltbatterie mit einem externen Netzanschluss verbindbar. Somit kann die Hochvoltbatterie aus dem externen Netz geladen werden oder die Hochvoltbatterie kann Energie in das externe Netz einspeisen. Die Einstellung der
Energieflussrichtungen erfolgt über eine nicht näher erläuterte Steuereinrichtung.
Aus der DE 44 37 876 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Stromversorgung in einem Elektrofahrzeug bekannt, die eine erste Batterie für den elektrischen Fahrbetrieb und eine über einen DC/DC-Wandler aufladbare zweite Batterie zur Speisung von mit einer niedrigeren Spannung als der Fahrzeugantrieb betriebenen Verbrauchern im Fahrzeug enthält, wobei eine Aktivierung des DC/DC-Wandlers erst dann erfolgt, wenn die Lastanforderung an ihn einen Minimalwert überschreitet, der sich bei eine Aufladung erforderndem Ladezustand der zweiten Batterie einstellt.
Aus der EP 0 750 384 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung einer Tiefentladung einer Hochvoltbatterie und einer Niedervoltbatterie bekannt, zwischen denen ein DC/DC- Wandler angeordnet ist. Sinkt dann die Spannung der Hochvoltbatterie unter eine vorgegebene Schwelle, so wird der DC/DC-Wandler abgeschaltet, so dass die Hochvoltbatterie nicht weiter entladen wird. Des Weiteren wird die Niedervoltbatterie von den Verbrauchern getrennt, so dass auch die Niedervoltbatterie nicht weiter entladen wird.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen Antriebssystem zu schaffen, mittels derer die Funktionsfähigkeit, insbesondere die Startfähigkeit des elektrischen Antriebssystems verbessert wird. Ein weiteres technisches Problem ist die Vermeidung einer Schädigung der Niedervoltbatterie durch Überladung.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 , 5, 9 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen Antriebssystem mittels einer Hochvoltbatterie, mindestens einer Niedervoltbatterie, mindestens einem AC/DC-Wandler, mindestens einem DC/DC-Wandler, Einrichtungen zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie und der Hochvoltbatterie sowie mindestens einer Steuereinrichtung für den DC/DC-Wandler umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- der Ladezustand der Niedervoltbatterie wird ermittelt und mit mindestens einem
Schwellenwert verglichen,
- wobei bei Unterschreitung des Schwellenwertes durch die Steuereinrichtung überprüft wird, ob ein externes Netz am AC/DC-Wandler bzw. an einem Anschluss für ein externes Netz angeschlossen ist,
- wobei bei angeschlossenem externen Netz die Niedervoltbatterie über den AC/DC-Wandler und den DC/DC-Wandler geladen wird und
- bei nicht angeschlossenem externen Netz der Ladezustand der Hochvoltbatterie ermittelt wird,
- wobei die Niedervoltbatterie aus der Hochvoltbatterie über den DC/DC-Wandler geladen wird, falls der Ladezustand der Hochvoltbatterie über einem Schwellenwert liegt.
Dem liegt folgende Erkenntnis zugrunde:
Die Niedervoltbatterie dient in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, anders wie in einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, als Stand-by-Batterie. Die Niedervoltbatterie ist erforderlich, um die Energie bereitzustellen, die zur Aktivierung der Hochvoltkomponenten und der Fahrbereitschaft benötigt wird. Sobald die Fahrbereitschaft hergestellt wurde, wird das Bordnetz durch die Hochvoltbatterie über einen DC/DC-Wandler gestützt und zusätzlich die Niedervoltbatterie nachgeladen. Beim Laden der Hochvoltbatterie durch ein AC-Ladegerät wird das Bordnetz gestützt und gegebenenfalls die Niedervoltbatterie geladen.
Wenn die Niedervoltbatterie einen sehr niedrigen Ladezustand (SOC) hat, kann es dazu kommen, dass die Fahrbereitschaft nicht hergestellt werden kann, da die elektrischen
Komponenten, die an die Niedervoltbatterie angeschlossen sind, eventuell nicht sicher aktiviert werden können, ohne dass die Gefahr besteht, dass die zugehörige Bordnetzspannung zusammenbricht. Durch das oben beschriebene Verfahren wird hingegen sichergestellt, dass die Niedervoltbatterie so weit wie möglich einen ausreichenden Ladezustand aufweist, um die Fahrbereitschaft herzustellen, also beispielsweise die für den Start notwendigen Steuergeräte mit Spannung zu versorgen.
Die Überprüfung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie kann dabei kontinuierlich, zu bestimmten Fahrzeugereignissen oder periodisch erfolgen. Die Periodendauer kann dabei fest vorgegeben sein oder aber von mindestens einem Parameter abhängig sein. Beispielsweise kann die Periodendauer mit sinkenden SOC verkleinert werden. Andere mögliche Parameter sind z.B. die Außentemperatur oder der Alterungszustand (State of Health SOH) der
Niedervoltbatterie.
Ebenso wie die Periodendauer der Überprüfung kann auch der Schwellenwert des
Ladezustandes beispielsweise von den Parametern Temperatur und/oder SOH abhängig sein.
Ist dann ein externes Energieversorgungsnetz angeschlossen, so wird dieses zum Laden der Niedervoltbatterie verwendet, wobei je nach Ausführungsform der AC/DC-Wandler im
Kraftfahrzeug oder außerhalb angeordnet ist. Das externe Netz ist üblicherweise ein
Wechselspannungsnetz, beispielsweise ein Hausnetzanschluss. Theoretisch ist es auch denkbar, dass die externe Spannungsversorgung eine Gleichspannungsquelle ist, so dass dann der AC/DC-Wandler entfallen kann und durch einen geeigneten DC/DC-Wandler ersetzt wird.
Der Schwellenwert für die Niedervoltbatterie wird derart festgelegt, dass die Niedervoltbatterie die Fahrbereitschaft sicher herstellen kann. Entsprechend wird der Schwellenwert für die Hochvoltbatterie derart gewählt, dass die Hochvoltbatterie den Fahrzeugantrieb starten kann.
Durch das Verfahren kann somit sichergestellt werden, dass die Niedervoltbatterie nie in einen sehr niedrigen Ladezustand verbleibt, solange die Hochvoltbatterie ausreichend geladen ist. Damit ist gewährleistet, dass das Elektro-/Hybridfahrzeug fahrbereit ist, also der abgeschaltete Antriebsstrang gestartet werden kann. Durch die Nachladefunktion kann die Kapazität der Niedervoltbatterie reduziert werden, solange nur sichergestellt ist, dass die gespeicherte Ladungsmenge die Startfähigkeit gewährleistet. Die vorhaltbare Energie der Niedervoltbatterie kann reduziert werden, was letztlich zur Gewichtsreduktion des Fahrzeugs beiträgt, indem eine kleinere Batterie (geringere Kapazität) eingesetzt werden kann.
In einer wetteren Ausführungsform ist der Niedervoltbatterie ein zweiter Schwellenwert zugeordnet, bis zu dem die Niedervoltbatterie aufgeladen wird. Weiter kann vorgesehen sein, dass der Hochvoltbatterie ebenfalls ein zweiter Schwellenwert zugeordnet ist, bis zu dem die Hochvoltbatterie maximal entladen werden darf. Dieser zweite Schwellenwert für die
Hochvoltbatterie kann festgelegt oder aber ein Prozentsatz vom Startwert des Ladezustandes der Hochvoltbatterie zu Beginn des Ladevorganges der Niedervoltbatterie sein. Der zweite Schwellenwert kann auch eine Kombination sein, d.h. es dürfen nicht mehr als X % des
Ladezustands ausgehend vom Ausgangsladezustand (Startwert) der Hochvoltbatterie zum Laden der Niedervoltbatterie benutzt werden und insgesamt darf der Ladezustand nicht unter Y % vom Maximalladezustand abfallen.
Zusätzlich kann das beschriebene Verfahren auch die Niedervoltbatterie nachladen, wenn das Fahrzeug einen hohen Stromverbrauch im Stand aufweist, beispielsweise aufgrund der Aktivierung des Standlichtes, der Warnblinker, der Heizung oder Klimatisierung.
Die Vorrichtung zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen Antriebssystem umfasst mindestens eine Hochvoltbatterie, mindestens eine Niedervoltbatterie, mindestens einen DC/DC-Wandler, Einrichtungen zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie und der Hochvoltbatterie sowie mindestens eine Steuereinrichtung für den DC/DC-Wandler, wobei die Vorrichtung mindestens einen Anschluss an eine externe Spannungsversorgung aufweist, wobei mittels der Einrichtung der Ladezustand der Niedervoltbatterie ermittelbar und mit einem Schwellenwert vergleichbar ist und mittels der Steuereinrichtung der Anschluss an die externe Spannungsversorgung überprüfbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Ladezustand der Niedervoltbatterie und dem Anschluss einer externen Spannungsversorgung ein Ladepfad von der externen Spannungsversorgung über den DC/DC-Wandler zur Niedervoltbatterie durch die Steuereinrichtung freischaltbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist in Abhängigkeit vom Ladezustand der Niedervoltbatterie und der Hochvoltbatterie ein Ladepfad von der Hochvoltbatterie über den DC/DC-Wandler und/oder einem weiteren DC/DC-Wandler zur Niedervoltbatterie durch die Steuereinrichtung freischaltbar.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen AC/DC-Wandler, wobei der AC-Anschluss des AC/DC-Wandlers den Anschluss an die externe Spannungsversorgung bildet und der DC-Anschluss des AC/DC-Wandlers mit einem DC-Anschluss des DC/DC-Wandlers verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Hochvoltbatterie und der Niedervoltbatterie ein erster DC/DC-Wandler und zwischen dem DC-Anschluss des AC/DC-Wandlers und der Niedervoltbatterie ein zweiter DC/DC-Wandler angeordnet. Zur Vermeidung der Schädigung der Niedervoltbatterie durch Überladen wird ein Verfahren zum Laden einer Niedervoltbatterie in einem elektrischen Antriebssystem vorgeschlagen, mittels mindestens einer Hochvoltbatterie, mindestens einer Niedervoltbatterie, mindestens einem AC/DC-Wandler, mindestens einem DC/DC-Wandler, Einrichtungen zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie und der Hochvoltbatterie sowie mindestens einer Steuereinrichtung für den AC/DC-Wandler und/oder den DC/DC-Wandler, wobei bei einem Ladevorgang der Hochvoltbatterie aus einem externen Netz der Ladezustand der
Niedervoltbatterie ermittelt und mit mindestens einem Schwellenwert verglichen wird, wobei bei Überschreitungen des mindestens einen Schwellenwertes der DC/DC-Wandler durch die Steuereinrichtung derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom reduziert wird. Die Reduzierung kann dabei im Grenzfall Null sein. Dies kann durch Abschaltung des DC/DC-Wandlers erreicht werden oder aber, dass der Ladestrom des DC/DC-Wandlers derart dimensioniert wird, dass dieser dem Strom durch die aktiven Bauelemente auf der Niedervoltseite entspricht. Die Reduzierung kann beispielsweise derart aussehen, dass bei Überschreitung eines ersten Schwellenwertes zunächst mit einer, im Vergleich zum üblichen Laden, flachen Ladekurve geladen wird und ein Überschreiten eines weiteren Schwellenwertes auf Null reduziert wird. Des Weiteren können verschiedenen Schwellenwerten unterschiedliche Ladekurven zugeordnet sein. Die Schwellenwerte können dabei wie zuvor beschrieben ebenfalls parametrierbar sein.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Laden der Hochvoltbatterie aus einem externen Netz üblicherweise Verbraucher wie beispielsweise Steuereinrichtungen bzw. Steuergeräte benötigt werden, die auf der Niedervoltbatterieseite angeordnet sind. Weist die
Niedervoltbatterie einen ausreichend hohen Ladezustand auf, wohingegen die Hochvoltbatterie einen geringen Ladezustand aufweist, so führt ein kontinuierlicher Ladestrom auf der
Niedervoltseite zu einer Überladung der Niedervoltbatterie. Dies wird durch das Verfahren wirkungsvoll vermieden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung zum Nachladen einer
Niedervoltbatterie,
Fig. 2 eine zweite schematische Schaltungsanordnung,
Fig. 3 eine dritte schematische Schaltungsanordnung und Fig. 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Nachladen einer Niedervoltbatterie 2 in einem elektrischen Antriebssystem dargestellt, die beispielsweise Bestandteil eines Elektro- oder Hybrid- Kraftfahrzeugs mit einer nicht dargestellten Elektromaschine ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Hochvoltbatterie 3, einen AC/DC-Wandler 4, einen DC/DC-Wandler 5, Einrichtungen 6, 7 zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie 2 und der Hochvoltbatterie 3 sowie mindestens eine Steuereinrichtung 8 für den AC/DC-Wandler 4 und den DC/DC-Wandler 5. Die Vorrichtung 1 ist mit Anschlüssen 9 zur Verbindung mit einer externen Spannungsversorgung 10 ausgebildet, die beispielsweise als 110 V oder 220 V-Haussteckdose ausgebildet ist. Die Funktion der Hochvoltbatterie 3 ist dabei, primär die elektrische Energie für die Elektromaschine zur Verfügung.zu stellen. Die Funktion der Niedervoltbatterie 2 ist primär die Stützung des Bordnetzes im Fahrbetrieb und die Versorgung der elektrischen Verbraucher in der Start- und ggf. Ruhephase. Dies sind insbesondere Steuergeräte, aber auch die dargestellten AC-DC- Wandler 4 und DC/DC-Wandler 5, Einrichtungen 6, 7 sowie die Steuereinrichtung 8, die Steuerbefehle S1 , S2 für den AC/DC-Wandler 4 und den DC/DC-Wandler 5 erzeugt.
Damit das elektrische Antriebssystem gestartet werden kann, muss daher die Niedervoltbatterie 2 ausreichend geladen sein, um die startrelevanten Verbraucher versorgen zu können.
Wird nun das Kraftfahrzeug abgestellt, kann die Vorrichtung 1 über ein Ladekabel mit der externen Spannungsversorgung 10 verbunden werden. Über den AC/DC-Wandler 4 kann dann die Hausnetzspannung in eine geeignete Gleichspannung für die Hochvoltbatterie 3 gewandelt werden und die Hochvoltbatterie 3 wird geladen. Je nach Ausgestaltung des Ausganges des AC/DC-Wandlers 4 kann entweder parallel zum Ladevorgang der Hochvoltbatterie 3 über den DC/DC-Wandler 5 auch die Niedervoltbatterie 2 geladen werden oder aber zeitlich danach, beispielsweise wenn der DC-Ausgang des AC/DC-Wandlers 4 nur wahlweise mit der
Hochvoltbatterie 3 oder dem DC-Eingang des DC/DC-Wandlers 5 verbindbar ist. Sind dann die Hochvoltbatterie 3 und die Niedervoltbatterie 2 ausreichend geladen, so wird der Ladevorgang zunächst beendet und das Fahrzeug geht in einen Ruhezustand über.
In regelmäßigen Zeitabständen wird nun der Ladezustand der Niedervoltbatterie 2 überprüft, wozu gegebenenfalls die Vorrichtung 1 oder Teile davon aufgeweckt werden. Hierzu ermittelt die Einrichtung 6 zunächst den Ladezustand der Niedervoltbatterie 2. Der ermittelte
Ladezustand wird dann mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Vergleich entweder bereits in der Einrichtung 6 erfolgt oder aber erst in der Steuereinrichtung 8. Ist der
Ladezustand größer als der Schwellenwert, wird das Verfahren bis zur nächsten Überprüfung beendet. Ist hingegen der Ladezustand der Niedervoltbatterie 2 unterhalb des Schwellenwertes, so fragt die Steuereinrichtung 8 ab, ob an den Anschlüssen 9 eine externe
Spannungsversorgung 10 angeschlossen ist.
Ist eine externe Spannungsversorgung 10 angeschlossen (wie in Fig. 1 dargestellt), so wird über den AC/DC-Wandler 4 und den DC/DC-Wandler 5 eine Ladestrecke von der externen Spannungsversorgung 10 zur Niedervoltbatterie 2 freigeschaltet. Dieser Ladevorgang wird dann von der Einrichtung 6 überwacht und solange fortgeführt, bis der Ladezustand der
Niedervoltbatterie 2 ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat.
Ergibt hingegen die Überprüfung der Anschlüsse 9, dass keine externe Spannungsversorgung 10 angeschlossen ist, so wird in einem nächsten Schritt der Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 durch die Einrichtung 7 ermittelt. Dieser Ladezustand wird dann mit einem weiteren
Schwellenwert verglichen, wobei der Vergleich in der Einrichtung 7 oder in der
Steuereinrichtung 8 erfolgen kann. Ist die Hochvoltbatterie 3 ausreichend geladen, so wird über diese die Niedervoltbatterie 2 geladen. Hierzu wird die Hochvoltbatterie 3 auf den Eingang des DC/DC-Wandlers 5 geschaltet. Dies kann wie zeichnerisch dargestellt über den AC/DC- Wandler 4 erfolgen oder aber durch eine nicht dargestellte schaltbare Verbindung. Ist hingegen auch die Hochvoltbatterie 3 nicht ausreichend geladen, so kann auch die Niedervoltbatterie 2 nicht geladen werden.
Weiter sei angemerkt, dass der dargestellte DC/DC-Wandler 5 auch dazu dient, um während des Fahrbetriebes von der Hochvoltbatterie 3 das Bordnetz zu versorgen. Schließlich ist anzumerken, dass mindestens der AC/DC-Wandler 4 bidirektional ausgebildet sein kann, wenn die Fahrzeuge auch Energie ins externe Netz zurückspeisen sollen, wie im Stand der Technik bereits beschrieben.
In der Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei aus Übersichtsgründen die Einrichtungen 6, 7 und die Steuereinrichtung 8 nicht dargestellt werden. Der einzige
Unterschied im Vergleich zur Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist, dass der AC/DC-Wandler 4 nicht Bestandteil der fahrzeuginternen Vorrichtung 1 ist, sondern extern der Spannungsversorgung 10 zugeordnet ist. Ansonsten kann im Wesentlichen auf die Ausführungen zu Fig. 1 Bezug genommen werden.
In der Fig. 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, wobei wieder die
Einrichtungen 6, 7 bzw. die Steuereinrichtung 8 nicht dargestellt sind. Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein weiterer DC/DC-Wandler 1 1 zwischen der
Hochvoltbatterie und der Niedervoltbatterie 2 angeordnet. Dieser DC/DC-Wandler 11 dient primär dazu, während des Fahrbetriebes das Bordnetz zu versorgen und die Niedervoltbatterie zu laden. Die Ladung der Niedervoltbatterie 2 aus der externen Spannungsversorgung erfolgt über den AC/DC-Wandler 4 und den DC/DC-Wandler 5, der leistungsmäßig im Vergleich zum DC/DC-Wandler 1 1 geringer dimensioniert sein kann. Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler 5 dabei in den AC/DC-Wandler 4 integriert, so dass diese beiden eine Baueinheit bilden. Im abgestellten Zustand ohne externe Spannungsversorgung kann dabei die Ladung der
Niedervoltbatterie 2 aus der Hochvoltbatterie 3 über den DC/DC-Wandler 5 und/oder den DC/DC-Wandler 1 1 erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Ladung aufgrund des besseren
Wirkungsgrades über den DC/DC-Wandler 5.
Ebenso denkbar ist eine Ausführungsform, bei der in Abwandlung zu Fig. 3 sowohl der AC/DC- Wandler 4 als auch der DC/DC-Wandler 5 extern angeordnet sind.
In der Fig. 4 ist schließlich ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Dabei wird in einem ersten Schritt überprüft, ob der Ladezustand SOC der Niedervoltbatterie 2 zu niedrig ist. Ist dies der Fall, so wird in einem zweiten Schritt überprüft, ob das Fahrzeug an eine externe Spannungsversorgung 10 angeschlossen ist. Ist dies nicht der Fall, wird überprüft, ob der Ladezustand SOC der Hochvoltbatterie 3 ausreichend ist, um die Niedervoltbatterie 2 zu laden. Ist dies der Fall oder ist eine externe Spannungsversorgung angeschlossen, wird das Hochvoltnetz aktiviert, d.h. insbesondere die Wandler 4, 5 eingeschaltet. Die Aktivierung des Hochvoltnetzes wird überprüft und gegebenenfalls ein Fehlersignal generiert. Ansonsten beginnt das Nachladen der Niedervoltbatterie 2. Erreicht dann die Niedervoltbatterie 2 einen vorbestimmten Ladezustand von beispielsweise 70 %, so wird das Nachladen beendet und das Fahrzeug geht in den Ruhemodus. Der vorbestimmte Ladezustand liegt dabei vorzugsweise zwischen 60 - 100 % des maximalen Ladezustandes der Niedervoltbatterie 2, wobei dieser vorbestimmte Wert auch parametrierbar sein kann, beispielsweise abhängig von der
Außentemperatur. Um nun ein zu starkes Endladen der Hochvoltbatterie 3 zu verhindern, wird während der Ladung der Niedervoltbatterie 2 überprüft, um wie viel sich der Ladezustand der Hochvoltbatterie 3 reduziert hat. Hat sich dann der Startwert des Ladezustandes der
Hochvoltbatterie 3 zu Beginn der Nachladung der Niedervoltbatterie 2 um X % reduziert, so wird der Nachladevorgang der Niedervoltbatterie 2 abgebrochen.
Die Niedervoltbatterie kann auch durch mindestens einen Kondensator ersetzt oder ergänzt werden. Somit wird die Energie für das Fahrzeug vornehmlich in der Hochvoltbatterie 3 vorgehalten und der Kondensator wird vor dem Fahrzeugstart bzw. -gebrauch auf die
Bordnetzspannung der Niedervoltseite aufgeladen. Der Kondensator stellt sicher, dass ein Spitzenstrombedarf, der nicht von dem DC/DC-Wandler gedeckt werden kann, aus dem
Kondensator im Niedervoltnetz bereitgestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1) Verfahren zum Laden einer Niedervoltbatterie (2) in einem elektrischen Antriebssystem, mittels mindestens einer Hochvoltbatterie (3), mindestens einer Niedervoltbatterie (2), mindestens einem AC/DC-Wandler (4), mindestens einem DC/DC-Wandler (5, 11), Einrichtungen (6, 7) zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) sowie mindestens einer Steuereinrichtung (8) für den AC/DC-Wandler (4) und/oder den DC/DC-Wandler (5, 11),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) ermittelt und mit mindestens einem
Schwellenwert verglichen wird, wobei bei Unterschreitung des Schwellenwertes durch die Steuereinrichtung (8) überprüft wird, ob ein externes Netz am AC/DC-Wandler (4) angeschlossen ist, wobei bei angeschlossenem externen Netz die Niedervoltbatterie (2) über den AC/DC-Wandler (4) und den DC/DC-Wandler (5) geladen wird und bei nicht angeschlossenem externen Netz der Ladezustand der Hochvoltbatterie (3) ermittelt wird, wobei die Niedervoltbatterie (2) aus der Hochvoltbatterie (3) über den DC/DC-Wandler (5, 11) geladen wird, falls der Ladezustand der Hochvoltbatterie (3) über einem Schwellwert liegt.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladevorgang der
Niedervoltbatterie (2) solange festgesetzt wird, bis der Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) einen zweiten Schwellenwert des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2)
überschritten hat oder der Ladezustand der Hochvoltbatterie (3) einen zweiten
Schwellenwert des Ladezustandes der Hochvoltbatterie (3) unterschritten hat.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schwellenwerte fest oder parametrierbar sind.
4) Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert der Hochvoltbatterie (3) als prozentuale Abweichung von dem Startwert des
Ladezustandes der Hochvoltbatterie (3) zu Beginn des Ladevorganges ist.
5) Vorrichtung (1) zum Laden einer Niedervoltbatterie (2) in einem elektrischen
Antriebssystem, umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie (3), mindestens eine Niedervoltbatterie (2), mindestens einen DC/DC-Wandler (5, 11), Einrichtungen (6, 7) zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) sowie mindestens eine Steuereinrichtung (8) für den DC/DC-Wandler (5, 11), wobei die Vorrichtung mindestens einen Anschluss (9) an eine externe Spannungsversorgung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Einrichtung (6) der Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) ermittelbar und mit einem Schwellenwert vergleichbar ist und mittels der Steuereinrichtung (8) der Anschluss (9) an die externe Spannungsversorgung (10) überprüfbar ist, wobei in Abhängigkeit vom Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) und dem Anschluss (9) einer externen
Spannungsversorgung (10) ein Ladepfad von der externen Spannungsversorgung (10) über den DC/DC-Wandler (5) zur Niedervoltbatterie (2) durch die Steuereinrichtung (8) freischaltbar ist.
6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom
Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) ein Ladepfad von der Hochvoltbatterie (3) über den DC/DC-Wandler (5) und/oder einen weiteren DC/DC- Wandler (1 1) zur Niedervoltbatterie (2) durch die Steuereinrichtung (8) freischaltbar ist.
7) Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen AC/DC-Wandler (4) umfasst, wobei der AC-Anschluss des AC/DC-Wandlers (4) den Anschluss (9) an die externe Spannungsversorgung ( 0) bildet und der DC-Anschluss des AC/DC-Wandlers (4) mit einem DC-Anschluss des DC/DC-Wandlers (5, 11) verbunden ist.
8) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochvoltbatterie (3) und der Niedervoltbatterie (2) ein erster DC/DC-Wandler (11) und zwischen dem DC-Anschluss des AC/DC-Wandlers (4) und der Niedervoltbatterie (2) ein zweiter DC/DC-Wandler (5) angeordnet ist.
9) Verfahren zum Laden einer Niedervoltbatterie (2) in einem elektrischen Antriebssystem, mittels mindestens einer Hochvoltbatterie (3), mindestens einer Niedervoltbatterie (2), mindestens einem AC/DC-Wandler (4), mindestens einem DC/DC-Wandler (5, 11), Einrichtungen (6, 7) zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) sowie mindestens einer Steuereinrichtung (8) für den AC/DC-Wandler (4) und/oder den DC/DC-Wandler (5, 11),
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Ladevorgang der Hochvoltbatterie (3) aus einem externen Netz der
Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) ermittelt und mit mindestens einem Schwellenwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des mindestens einen Schwellenwertes der DC/DC-Wandler (5, 11) durch die Steuereinrichtung (8) derart angesteuert wird, dass ein Ladestrom der Niedervoltbatterie (2) reduziert wird.
Vorrichtung (1) zum Laden einer Niedervoltbatterie (2) in einem elektrischen
Antriebssystem, umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie (3), mindestens eine Niedervoltbatterie (2), mindestens einen DC/DC-Wandler (5, 11), Einrichtungen (6, 7) zur Ermittlung des Ladezustandes der Niedervoltbatterie (2) und der Hochvoltbatterie (3) sowie mindestens eine Steuereinrichtung (8) für den DC/DC-Wandler (5, 11), wobei die Vorrichtung mindestens einen Anschluss (9) an eine externe Spannungsversorgung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einem Ladevorgang der Hochvoltbatterie (3) aus einem externen Netz der
Ladezustand der Niedervoltbatterie (2) ermittelbar und mit mindestens einem
Schwellenwert vergleichbar ist, wobei bei einer Überschreitung des mindestens einen Schwellenwertes der DC/DC-Wandler (5, 1 1) durch die Steuereinrichtung (8) derart ansteuerbar ist, dass ein Ladestrom der Niedervoltbatterie (2) reduziert wird.
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