WO2013113601A2 - Verfahren und vorrichtung zum vorladen eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum vorladen eines elektrischen verbrauchers Download PDF

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WO2013113601A2
WO2013113601A2 PCT/EP2013/051281 EP2013051281W WO2013113601A2 WO 2013113601 A2 WO2013113601 A2 WO 2013113601A2 EP 2013051281 W EP2013051281 W EP 2013051281W WO 2013113601 A2 WO2013113601 A2 WO 2013113601A2
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Stefan Butzmann
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/446—Initial charging measures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2270/00—Problem solutions or means not otherwise provided for
    • B60L2270/20—Inrush current reduction, i.e. avoiding high currents when connecting the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method for precharging an electrical device
  • the invention also relates to a corresponding device and a corresponding
  • the invention relates to a motor vehicle with a device according to the invention or a battery according to the invention. State of the art
  • Lithium-ion technology suitable. They are characterized among other things by a high energy density and an extremely low self-discharge.
  • lithium-ion battery consists of at least two interconnected lithium-ion cells.
  • a module consists of six cells.
  • Battery system can have a very high voltage with over 400 volts.
  • 1 shows a known from the prior art battery 100 is shown, which comprises a plurality of serially connected battery cells 10, which are coupled by means of two protective devices 25, 26 with a DC link capacitor 30. Parallel to the intermediate circuit capacitor 30, an electrical load 40 is connected.
  • the battery 100 may be a
  • Lithium-ion battery that can have a voltage above 400 volts.
  • a precharge resistor 12 is initially connected in order to ensure reliable protection and non-destructive start of the system 101.
  • the system 101 can thus be precharged without being destructive
  • prior art alternative precharge of the system 101 via an external constant current source 50 is known.
  • the intermediate circuit 31 for example, a transistor 51, which has high power values, via an operational amplifier 52nd
  • FIG. 4 shows the profile of the voltage U applied to the intermediate circuit capacitor 30 during the precharging of the system 101 as a function of the time t.
  • Pre-charging resistors 12 are used, the system 101 can be initially fast, but slowly summoned to the end, so that some time passes before the system 101 can be started.
  • a pre-charge of the system 101 via a precharge resistor 12 has been shown in FIG. 4 by means of the characteristic curve UK1.
  • the system 101 is much faster precharged, but requires high-voltage transistors 51, which tend due to their high parasitic capacitances in conjunction with external inductors in linear operation to oscillations.
  • the characteristic curve UK2 from FIG. 4 shows the precharge of the system 101 via a
  • Curve however, from (characteristic UK1 in Figure 4), and it passes as previously described some time until the system voltage required for starting is achieved. Alternatively, it is pre-charged via at least one transistor.
  • the alternative, known from the prior art pre-charging via at least one transistor is fast (the characteristic UK2 in Figure 4), but has possible oscillations as a disadvantage.
  • the consumer is connected to a powered by a battery electrical network, in particular on a high-voltage network, and during a switch-on by means of a current occurring in the electrical network inrush current via a first
  • Vorladewiderstand or several additional Vorladichresfound such, in particular such successively, during the switch-on connected in parallel to the first pre-charge, that during the switch-on a predetermined pre-charge voltage with a
  • predefined time behavior and a corresponding predetermined inrush current for precharging the electrical load during the switch-on are generated.
  • the consumer is connected to a powered by the battery electric network, in particular high-voltage network, and the .
  • Precharging device is designed to pre-charge the electrical load during a switch-on by means of a current occurring in the electrical network inrush on the first pre-charge.
  • the device comprises at least one additional precharge resistor and a control device, which is further configured for the additional precharge resistance or the several additional ones
  • a battery for precharging an electrical load with a first precharge resistor is further provided, wherein the load is connected to an electrical network supplied by the battery, in particular high voltage network, and the battery is adapted to the electrical load during a switch-on by means of a in the Pre-charging existing overcurrent electrical current over the first pre-charge.
  • the battery comprises at least one additional precharge resistor and a control device which is designed to add the additional precharge resistor or the plurality of additional precharge resistors in such a way, in particular in such succession, during the switch-on process in parallel to the first precharge resistor that during the switch-on process a predetermined precharge voltage with a predefined time behavior and a correspondingly predefined inrush current for precharging the electrical load during the switch-on are generated.
  • the device according to the invention is the pre-charging of an electrical
  • a plurality of pre-charging resistors are connected in parallel. In particular, these are connected one after the other in such a way that a quasi-constant inrush current is created, by means of which the system is pre-charged more quickly.
  • an accelerated precharging of the system is realized with a plurality of parallel connected pre-charging resistors.
  • a pre-charge resistor is switched in particular for this purpose. As soon as the time-dependent course of the precharge voltage flattenes and no longer identifies a desired slope, the next resistor is connected in parallel with the already connected precharge resistor. This is continued until all precharge resistances are switched and the voltage of the
  • Precharging resistors can be achieved in a simple way that the
  • control device is further designed to generate the predetermined pre-charging voltage, the additional pre-charging resistors
  • control device comprises a microcontroller which is designed to control the time-dependent and / or the voltage-dependent circuit of the additional precharge resistors.
  • control means comprises at least one comparator which is adapted to the voltage-dependent circuit of the additional
  • the control device may be part of the battery, or else be arranged outside the battery. In particular, can / can also from the
  • Control device comprised microcontroller and / or the at least one of the controller included comparator be part of the battery, or else be arranged outside the battery.
  • Battery is preferably a lithium-ion battery.
  • the device or battery according to the invention may be part of a motor vehicle, in particular of an electric motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a battery connected to a consumer with a DC link capacitor and a first precharging resistor according to the prior art
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a battery connected to a consumer with a DC link capacitor, external current source and transistor according to the prior art
  • Figure 4 shows the time-dependent course of the precharge for precharging the electrical load for a known from the prior art battery according to the figure 2 in comparison to the time-dependent course of the pre-charge for pre-charging the electrical load for a known from the prior art battery according to the figure 3,
  • FIG. 5 shows a block diagram of a battery connected to a consumer with a DC link capacitor, a first precharging resistor and a plurality of additional precharging resistors according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a block diagram of a plurality of additional precharging resistances which can be switched by means of a microcontroller for a battery after a second one
  • FIG. 7 shows a block diagram of an additional precharging resistor which can be switched by means of a comparator for a battery after a third one
  • Figure 8 shows the time-dependent course of a pre-charge voltage for pre-charging of the electrical load for a battery according to the invention
  • Figure 9 shows the time-dependent course of one of the pre-charging voltage of Figure 8 corresponding inrush of a battery according to the invention for pre-charging a consumer.
  • FIG. 5 shows the basic circuit diagram of a consumer 40
  • the battery 100 comprises a plurality of battery cells or
  • Battery cell modules 10 and is connected via a protective device 25 at a terminal 102 to a terminal of the DC link capacitor 30 of the intermediate circuit 31.
  • the DC link capacitor 30 is connected at its other terminal (not labeled) to a first terminal of the parallel-connectable precharge resistors 12, 13, 14, respectively.
  • the battery 100 is also connected at its negative pole via a further terminal 103 to a second terminal of the precharge resistors 12, 13, 14, respectively.
  • the consumer 40 is connected to the terminal 102 and via a protective device 26 also at the terminal 103 to the battery 100.
  • the first precharge resistor 12 is switched. As soon as the time profile of the precharge voltage for precharging the electrical load 40 flattenes, the next additional precharge resistor 13 is connected in parallel with the first precharge resistor 12. This is continued until all 2 to n precharge resistors are switched and the voltage of the system 101 is adjusted to the battery voltage.
  • FIG. 6 shows the basic circuit diagram of a plurality of precharge resistors 12, 13 switchable by means of a microcontroller 60 ( ⁇ ) for a battery 100 according to a second embodiment of the invention. ⁇
  • the circuit of the precharge resistors 12, 13 can be controlled in terms of time or voltage and is implemented, for example, via the microcontroller 60.
  • the microcontroller 60 is connected to the precharging resistors 12, 13 in each case via a transistor 61, 62.
  • the transistors 61, 62 are connected at their base to the microcontroller 60, at their emitter to ground 106 and at their collector to a terminal of the precharge resistors 12, 13, respectively.
  • the parallel-connectable precharging resistors are each connected at their other connection to a terminal of the DC link capacitor 30 of FIG.
  • the DC link capacitor 30 is connected at its other terminal to the terminal 102, which in turn to the positive pole 1 12 of the battery 100, which in particular has a very high battery voltage (HV).
  • HV very high battery voltage
  • FIG. 7 shows the basic circuit diagram of a comparator 70
  • the voltage of the intermediate circuit 31 can be measured by means of the comparator 70 and the Vorladewiderand 13 depending on the voltage in the DC link 31 technically feasible.
  • the comparator 70 is coupled to ground 106 at its positive input via a reference voltage generator 71 with a reference voltage U Ref .
  • the comparator 70 is coupled to one terminal of a resistor 74, which is coupled to ground 106 at its other terminal.
  • the comparator 70 is also connected at its negative input to a terminal of a further resistor 73, which is coupled at its other terminal to a first terminal of the precharge resistor 13.
  • the precharge resistor 13 is connected at its first terminal also to a terminal of the
  • the precharge resistor 13 is connected at its second terminal to the collector of the transistor 72, which is connected at its base to the output of the comparator 70 and at its emitter to ground 106.
  • the comparator 70 compares the
  • FIG. 8 shows the course of the pre-charging voltage U applied to the load as a function of the time t for a battery 100 according to the invention.
  • the time-dependent precharging voltage characteristic according to the invention is shown in FIG. 8 by means of a continuous line and marked with UK3.
  • UK4, UK5, UK6 respectively the course of a precharge voltage is shown, which would be adopted or will be, if a corresponding precharge resistor would not be switched on or will.
  • IK Inrush current was marked in FIG. 9 with IK.
  • the horizontal broken line IK1 shows the course of an ideal constant

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers (40), der an einem durch eine Batterie (100) versorgten elektrischen Netz, insbesondere an einem Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes (UK1 ) über einen ersten Vorladewiderstand (12) vorgeladen wird. Dabei wird ein zusätzlicher Vorladewiderstand (13, 14) oder werden mehrere zusätzliche Vorladewiderstände (13, 14) derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzugeschaltet, dass während des Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten (UK3) und ein entsprechend vorbestimmter Einschaltstrom (IK) zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers (40) während des Einschaltvorganges erzeugt werden.

Description

_
Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines elektrischen
Verbrauchers, der an einem durch eine Batterie versorgten elektrischen Netz, insbesondere an einem Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes über einen ersten Vorladewiderstand vorgeladen wird. Auch betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung und eine entsprechende
Batterie zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer erfindungsgemäßen Batterie. Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen wie zum Beispiel bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie zum Beispiel in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Verbraucherbereich (Consumer-Bereich), wie zum Beispiel in Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit, der Sicherheit, der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer gestellt werden. Für solche Aufgaben sind insbesondere Batterien mit
Lithium-Ionen-Technologie geeignet. Sie zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte und eine äußerst geringe Selbstentladung aus.
Einzelne Lithium-Ionen-Zellen können durch parallele oder serielle Verschaltung zu Modulen und dann zu Batterien verschaltet werden. Dabei besteht per Definition eine Lithium-Ionen-Batterie aus mindestens zwei verschalteten Lithium-Ionen-Zellen. Typischerweise besteht ein Modul aus sechs Zellen. Ein
Batteriesystem kann mit über 400 Volt eine sehr hohe Spannung haben. In der Figur 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Batterie 100 dargestellt, die mehrere seriell geschaltete Batteriezellen 10 umfasst, die mittels der zwei Schutzeinrichtungen 25, 26 mit einem Zwischenkreiskondensator 30 koppelbar sind. Parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 30 ist ein elektrischer Verbraucher 40 angeschlossen. Die Batterie 100 kann eine
Lithium-Ionen-Batterie sein, die eine Spannung über 400 Volt haben kann.
Würde diese hohe Spannung beim Starten des Systems 101 direkt an den Zwischenkondensatoren 30, an den Schutzeinrichtungen 25, 26 oder an anderen elektrischen Bauteilen (nicht dargestellt) angelegt werden, könnten diese zerstört werden.
Wie in der Figur 2 dargestellt worden ist, wird vor dem Starten des Systems 101 daher zunächst ein Vorladewiderstand 12 zugeschaltet, um einen sicheren Schutz und zerstörungsfreien Start des Systems 101 zu gewährleisten. Das System 101 kann somit vorgeladen werden, ohne dass zerstörerische
Stromspitzen auftreten. Sobald das System 101 geladen ist, wird der
Vorladewiderstand 12 mittels der Schutzeinrichtung 27 überbrückt und das System 101 ist funktionsbereit.
Wie in der Figur 3 dargestellt worden ist, ist aus dem Stand der Technik ein alternatives Vorladen des Systems 101 über eine externe Konstantstromquelle 50 bekannt. Hierbei wird in den Zwischenkreis 31 beispielsweise ein Transistor 51 , der hohe Leistungswerte hat, über einen Operationsverstärker 52
angesteuert. Dieser sorgt dafür, dass das System 101 vorgeladen wird. In der Figur 3 ist der den Zwischenkreiskondensator 30 aufladende Einschaltstrom mit I gekennzeichnet.
In der Figur 4 ist der Verlauf der am Zwischenkreiskondensator 30 anliegenden Spannung U während des Vorladens des Systems 101 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
Mittels den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen
Vorladewiderstände 12 eingesetzt werden, kann das System 101 zunächst schnell, zum Ende jedoch langsam vorgeladen werden, so dass einige Zeit vergeht, bevor das System 101 gestartet werden kann. Ein Vorladen des Systems 101 über einen Vorladewiderstand 12 ist in der Figur 4 mittels der Kennlinie UK1 dargestellt worden. Mittels der alternativen, aus dem Stand der „
Technik bekannten Vorladung über eine externe Stromquelle 50 wird das System 101 wesentlich schneller vorgeladen, benötigt aber hochspannungsfähige Transistoren 51 , die wegen ihrer hohen parasitären Kapazitäten in Verbindung mit externen Induktivitäten im Linearbetrieb zu Oszillationen neigen. Die Kennlinie UK2 aus der Figur 4 zeigt die Vorladung des Systems 101 über einen
Transistor 51 .
Bei den vorhin vorgestellten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird die Vorladung des Systems meistens über einen Vorladewiderstand gewährleistet. Dieser lädt das System zunächst zügig auf, zum Ende flacht die
Kurve jedoch ab (Kennlinie UK1 in der Figur 4), und es vergeht wie vorhin beschrieben einige Zeit, bis die für das Starten benötigte Systemspannung erreicht wird. Alternativ wird über mindestens einen Transistor vorgeladen. Die alternative, aus dem Stand der Technik bekannte Vorladung über mindestens einen Transistor erfolgt schnell (die Kennlinie UK2 in der Figur 4), hat jedoch mögliche Oszillationen als Nachteil.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Vorladen eines elektrischen
Verbrauchers bereitgestellt, wobei der Verbraucher an einem durch eine Batterie versorgten elektrischen Netz, insbesondere an einem Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes über einen ersten
Vorladewiderstand vorgeladen wird. Erfindungsgemäß wird ein zusätzlicher
Vorladewiderstand oder werden mehrere zusätzliche Vorladewiderstände derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzugeschaltet, dass während des Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem
vordefinierten Zeitverhalten und ein entsprechend vorbestimmter Einschaltstrom zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers mit einer Batterie und einem ersten Vorladewiderstand
bereitgestellt, wobei der Verbraucher an einem durch die Batterie versorgten elektrischen Netz, insbesondere Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und die ,
Vorladevorrichtung dazu ausgelegt ist, den elektrischen Verbraucher während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes über den ersten Vorladewiderstand vorzuladen.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung mindestens einen zusätzlichen Vorladewiderstand und eine Steuereinrichtung, die weiter dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen Vorladewiderstand oder die mehreren zusätzlichen
Vorladewiderstände derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzuzuschalten, dass während des Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten und ein entsprechend vordefinierter
Einschaltstrom zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers mit einem ersten Vorladewiderstand bereitgestellt, wobei der Verbraucher an einem durch die Batterie versorgten elektrischen Netz, insbesondere Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und die Batterie dazu ausgelegt ist, den elektrischen Verbraucher während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes über den ersten Vorladewiderstand vorzuladen. Erfindungsgemäß umfasst die Batterie mindestens einen zusätzlichen Vorladewiderstand und eine Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen Vorladewiderstand oder die mehreren zusätzlichen Vorladewiderstände derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzuzuschalten, dass während des Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten und ein entsprechend vordefinierter Einschaltstrom zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden
erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Vorladen eines elektrischen
Verbrauchers insofern optimiert, dass das System schneller vorgeladen wird. Ferner wird dabei das Auftreten von mittels hochspannungsfähiger Transistoren verursachten Oszillationen vermieden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Vorladewiderstände parallel geschaltet. Diese werden derartig insbesondere einer nach dem anderen hinzugeschaltet, dass ein quasi konstanter Einschaltstrom entsteht, mittels dessen das System schneller vorgeladen wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Erzeugung der vorbestimmten Vorladespannung während des
Einschaltvorganges die zusätzlichen Vorladewiderstände zeitabhängig jeweils nach dem Ablauf eines vorbestimmten Zeitraumes und/oder spannungsabhängig in Abhängigkeit des Vorladewiderstandsverlaufes insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzugeschaltet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden während des
Einschaltvorganges insbesondere so lange zusätzliche Vorladewiderstände nacheinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzugeschaltet, bis die an dem Verbraucher anliegende Spannung an die Batteriespannung angepasst ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine beschleunigte Vorladung des Systems mit mehreren parallel geschalteten Vorladewiderständen realisiert.
Zunächst wird dafür insbesondere ein Vorladewiderstand geschaltet. Sobald der zeitabhängige Verlauf der Vorladespannung abflacht und nicht mehr eine gewünschte Steigung ausweist, wird der nächste Widerstand parallel zu dem schon geschalteten Vorladewiderstand hinzugeschaltet. Dies wird so lang fortgeführt, bis alle Vorladewiderstände geschaltet sind und die Spannung des
Systems an die Batteriespannung angepasst wurde.
Durch das Hinzuschalten von einem weiteren Vorladewiderstand parallel zu den schon geschalteten Vorladewiderständen wird jeweils erreicht, dass der gesamte Vorladewiderstand jeweils kleiner wird und dadurch der Verlauf der
Vorladespannung für eine entsprechende Zeit eine gewünschte Steigung annimmt. Durch das erfindungsgemäße Hinzuschalten der zusätzlichen
Vorladewiderstände kann in einfacher Weise erreicht werden, dass die
Vorladespannung eine gewünschte Steigung während des gesamten
Einschaltvorganges annimmt, wodurch ein quasi konstanter Einschaltstrom zum
Vorladen des Verbrauchers während des Einschaltvorganges erzeugt werden kann. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße Steuereinrichtung weiter dazu ausgelegt, zur Erzeugung der vorbestimmten Vorladespannung die zusätzlichen Vorladewiderstände
zeitabhängig in entsprechend vordefinierten Zeitabständen und/oder
spannungsabhängig in Abhängigkeit des Vorladespannungsverlaufs
insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand
hinzuzuschalten.
Insbesondere umfasst die Steuereinrichtung einen Mikrocontroller, der dazu ausgelegt ist, die zeitabhängige und/oder die spannungsabhängige Schaltung der zusätzlichen Vorladewiderstände zu steuern.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinrichtung mindestens einen Komparator, der dazu ausgelegt ist, die spannungsabhängige Schaltung der zusätzlichen
Vorladewiderstände insbesondere mittels mindestens eines Komparators zu steuern.
Die Steuereinrichtung kann Teil der Batterie sein, oder aber auch außerhalb der Batterie angeordnet sein. Insbesondere kann/können auch der von der
Steuereinrichtung umfasste Mikrokontroller und/oder der mindestens eine von der Steuereinrichtung umfasste Komparator Teil der Batterie sein, oder aber auch außerhalb der Batterie angeordnet sein.
Für den Fall, dass die Steuereinrichtung Teil der Batterie ist, kann die
erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit in einer Batterie integriert sein. Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen Batterie.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise Batterie kann Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Kraftfahrzeugs, sein.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer an einem Verbraucher angeschlossenen Batterie mit Zwischenkreiskondensator nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer an einem Verbraucher angeschlossenen Batterie mit Zwischenkreiskondensator und einem ersten Vorladerwiderstand nach dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer an einem Verbraucher angeschlossenen Batterie mit Zwischenkreiskondensator, externer Stromquelle und Transistor nach dem Stand der Technik,
Figur 4 den zeitabhängigen Verlauf der Vorladespannung zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers für eine aus dem Stand der Technik bekannten Batterie gemäß der Figur 2 in Vergleich zu dem zeitabhängigen Verlauf der Vorladespannung zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers für eine aus dem Stand der Technik bekannten Batterie gemäß der Figur 3,
Figur 5 ein Prinzipschaltbild einer an einem Verbraucher angeschlossenen Batterie mit Zwischenkreiskondensator, einem ersten Vorladerwiderstand und mehreren zusätzlichen Vorladewiderständen nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 ein Prinzipschaltbild mehrerer zusätzlicher mittels eines Mikrocontrollers schaltbarer Vorladewiderstände für eine Batterie nach einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 ein Prinzipschaltbild eines zusätzlichen mittels eines Komparators schaltbaren Vorladewiderstandes für eine Batterie nach einer dritten
Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8 den zeitabhängigen Verlauf einer Vorladespannung zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers für eine erfindungsgemäße Batterie, und
Figur 9 den zeitabhängigen Verlauf eines der Vorladespannung aus der Figur 8 entsprechenden Einschaltstromes einer erfindungsgemäßen Batterie zum Vorladen eines Verbrauchers. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 5 zeigt das Prinzipschaltbild einer an einem Verbraucher 40
angeschlossenen Batterie 100 mit einem Zwischenkreiskondensator 30, einem ersten Vorladewiderstand 12 und mehreren zusätzlichen Vorladewiderständen 13, 14 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Dabei umfasst die Batterie 100 mehrere Batteriezellen oder
Batteriezellenmodulen 10 und ist über eine Schutzeinrichtung 25 an einem Anschluss 102 mit einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators 30 des Zwischenkreises 31 verbunden. Der Zwischenkreiskondensator 30 ist an seinem anderen Anschluss (nicht gekennzeichnet) mit einem ersten Anschluss der miteinander parallel schaltbaren Vorladewiderstände 12, 13, 14 jeweils verbunden. Die Batterie 100 ist an ihrem negativen Pol über einen weiteren Anschluss 103 auch mit einem zweiten Anschluss der Vorladewiderstände 12, 13, 14 jeweils verbunden. Die drei dick eingezeichneten horizontalen Punkte zeigen hier und auch in den folgenden Figuren, in denen sie eingezeichnet worden sind, die Möglichkeit, dass weitere zusätzliche und hier nicht dargestellte Vorladewiderstände parallel zu den dargestellten Vorladewiderständen 12, 13, 14 hinzugeschaltet werden können.
Der Verbraucher 40 ist an dem Anschluss 102 und über eine Schutzeinrichtung 26 auch an dem Anschluss 103 mit der Batterie 100 verbunden.
Hierbei wird erfindungsgemäß der erste Vorladewiderstand 12 geschaltet. Sobald der zeitliche Verlauf der Vorladespannung zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers 40 abflacht, wird der nächste zusätzliche Vorladewiderstand 13 parallel zu dem ersten Vorladewiderstand 12 hinzugeschaltet. Dies wird so lange fortgeführt, bis alle 2 bis n Vorladewiderstände geschaltet sind und die Spannung des Systems 101 an die Batteriespannung angepasst wird.
Figur 6 zeigt das Prinzipschaltbild mehrerer mittels eines MikroControllers 60 (μο) schaltbarer Vorladewiderstände 12, 13 für eine Batterie 100 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Λ
Die Schaltung der Vorladewiderstände 12, 13 kann erfindungsgemäß zeitlich oder spannungsabhängig gesteuert werden und wird beispielsweise über den Mikrocontroller 60 realisiert. Dabei ist der Mikrocontroller 60 mit den Vorladewiderständen 12, 13 jeweils über einen Transistor 61 , 62 verbunden. Dabei sind die Transistoren 61 , 62 an ihrer Basis mit dem Mikrocontroller 60, an ihrem Emitter mit Masse 106 und an ihrem Kollektor mit einem Anschluss der Vorladewiderstände 12, 13 jeweils verbunden. Die parallel schaltbaren Vorladewiderstände sind an ihrem anderen Anschluss jeweils mit einem Anschluss des Zwischenkreiskondensators 30 des
Zwischenkreises 31 jeweils verbunden. Der Zwischenkreiskondensator 30 ist an seinem anderen Anschluss mit dem Anschluss 102 verbunden, der wiederum mit dem positiven Pol 1 12 der Batterie 100, die insbesondere eine sehr hohe Batteriespannung (HV) aufweist.
Die drei kleineren horizontalen und vertikalen Punkte weisen hier und auch in den folgenden Figuren, in denen sie eingezeichnet worden sind, auf die
Komponenten hin, die in der Figur 6 nicht dargestellt oder nur teilweise dargestellt worden sind.
Figur 7 zeigt das Prinzipschaltbild eines mittels eines Komparators 70
schaltbaren Vorladewiderstandes 13 für eine Batterie 100 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Dabei kann die Spannung des Zwischenkreises 31 mittels des Komparators 70 gemessen werden und die Vorladewiderstände 13 je nach Spannung im Zwischenkreis 31 hinzuschalten.
Bei dem in der Figur 7 dargestellten Prinzipschaltbild ist der Komparator 70 an seinem positiven Eingang über einen Referenzspannungsgeber 71 mit einer Referenzspannung URef an Masse 106 gekoppelt. An seinem negativen Eingang ist der Komparator 70 mit einem Anschluss eines Widerstandes 74 gekoppelt, der an seinem anderen Anschluss an Masse 106 gekoppelt ist. Der Komparator 70 ist an seinem negativen Eingang auch mit einem Anschluss eines weiteren Widerstands 73 verbunden, der an seinem anderen Anschluss mit einem ersten Anschluss des Vorladewiderstandes 13 gekoppelt ist. Der Vorladewiderstand 13 ist an seinem ersten Anschluss auch mit einem Anschluss des
Zwischenkreiskondensators 30 des Zwischenkreises 31 verbunden, der an seinem anderen Anschluss mit dem an dem positiven Pol 1 12 der Batterie 100 gekoppelten Anschluss 102 gekoppelt ist. Der Vorladewiderstand 13 ist an seinem zweiten Anschluss mit dem Kollektor des Transistors 72 verbunden, der an seiner Basis mit dem Ausgang des Komparators 70 und an seinem Emitter mit Masse 106 verbunden ist. Der Komparator 70 vergleicht die
Referenzspannung des Referenzspannungsgebers 71 mit der Spannung des
Zwischenkreises 31.
Figur 8 zeigt den Verlauf der an dem Verbraucher anliegenden Vorladespannung U in Abhängigkeit von der Zeit t für eine erfindungsgemäße Batterie 100. Die erfindungsgemäße zeitabhängige Vorladespannungskennlinie ist in der Figur 8 mittels einer kontinuierlichen Linie eingezeichnet und mit UK3 gekennzeichnet. Mittels den unterbrochenen Linien UK4, UK5, UK6 ist jeweils der Verlauf einer Vorladespannung eingezeichnet, der jeweils angenommen worden wäre oder wird, wenn ein entsprechender Vorladewiderstand nicht hinzugeschaltet worden wäre oder wird.
Darin zu erkennen ist, dass zunächst nur der erste Vorladewiderstand geschaltet worden ist. Sobald der zeitabhängige Verlauf der Vorladespannung abflacht, wird ein zusätzlicher Vorladewiderstand parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzugeschaltet, um eine gewünschte Steigung der Vorladespannung für einen entsprechenden Zeitraum zu erreichen. Wenn der Verlauf der Vorladespannung auch nach dem Hinzuschalten des zusätzlichen Vorladewiderstandes abflacht, wird ein weiterer zusätzlicher Vorladewiderstand hinzugeschaltet, um auch diesmal eine gewünschte Steigung der Vorladespannung für einen
entsprechenden Zeitraum zu erreichen. Es werden während des
Einschaltvorganges so lange weitere Vorladewiderstände parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzugeschaltet, bis die an dem Verbraucher anliegende Spannung an die Batteriespannung angepasst wurde. Dadurch wird eine beschleunigte Vorladung des Verbrauchers erreicht.
Das Ergebnis der erfindungsgemäßen Hinzuschaltung der Vorladewiderstände ist ein quasi konstanter Einschaltstrom I, dessen Abhängigkeit von der Zeit t in der Figur 9 dargestellt worden ist. Die zeitabhängige Kennlinie dieses
Einschaltstromes wurde in der Figur 9 mit IK gekennzeichnet. Die horizontale unterbrochene Linie IK1 zeigt den Verlauf eines idealen konstanten
Einschaltstromes.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers (40), der an einem durch eine Batterie (100) versorgten elektrischen Netz, insbesondere an einem Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und während eines
Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes (UK1 ) über einen ersten Vorladewiderstand (12) vorgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Vorladewiderstand (13, 14) oder mehrere zusätzliche Vorladewiderstände (13, 14) derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzugeschaltet werden, dass während des Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten (UK3) und ein entsprechend
vorbestimmter Einschaltstrom (IK) zum Vorladen des elektrischen
Verbrauchers (40) während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zur Erzeugung der vorbestimmten
Vorladespannung (UK3) während des Einschaltvorganges der zusätzliche Vorladewiderstand (13, 14) oder die zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zeitabhängig jeweils nach dem Ablauf eines entsprechend vordefinierten Zeitraumes und/oder spannungsabhängig insbesondere in Abhängigkeit des Vorladespannungsverlaufs (UK3) insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzugeschaltet werden.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Einschaltvorganges so lange zusätzliche Vorladewiderstände (13, 14) insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzugeschaltet werden, bis die an dem Verbraucher (40) anliegende Spannung an die Batteriespannung angepasst ist.
4. Vorrichtung zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers (40) mit einer Batterie (100) und einem ersten Vorladewiderstand (12), wobei der
Verbraucher (40) an einem durch die Batterie (40) versorgten elektrischen Netz, insbesondere Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und die
Vorrichtung dazu ausgelegt ist, den elektrischen Verbraucher (40) während eines Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz
vorkommenden Einschaltstromes (I) über den ersten Vorladewiderstand (12) vorzuladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen zusätzlichen Vorladewiderstand (13, 14) und eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen Vorladewiderstand (13, 14) oder die mehreren zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzuzuschalten, dass während des
Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten (UK3) und ein entsprechend vorbestimmter Einschaltstrom (IK) zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers (40) während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung weiter dazu
ausgelegt ist, zur Erzeugung der vorbestimmten Vorladespannung (UK3) während des Einschaltvorganges der zusätzliche Vorladewiderstand (13, 14) oder die zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zeitabhängig jeweils nach dem Ablauf eines entsprechend vordefinierten Zeitraumes und/oder spannungsabhängig in Abhängigkeit des Vorladespannungsverlaufs (UK4) insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzuzuschalten.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung einen
Mikrocontroller (60) umfasst, der dazu ausgelegt ist, die zeitabhängige und/oder die spannungsabhängige Hinzuschaltung des zusätzlichen
Vorladewiderstandes (13, 14) oder der zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zu steuern, und/oder mindestens einen Komparator (70) umfasst, der dazu ausgelegt ist, die spannungsabhängige Schaltung des zusätzlichen Vorladewiderstandes (13, 14) oder der zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zu steuern.
7. Batterie (100) zum Vorladen eines elektrischen Verbrauchers (40) mit einem ersten Vorladewiderstand (12), wobei der Verbraucher (40) an einem durch die Batterie (100) versorgten elektrischen Netz, insbesondere
Hochspannungsnetz, angeschlossen ist und die Batterie (100) dazu ausgelegt ist, den elektrischen Verbraucher (40) während eines
Einschaltvorganges mittels eines in dem elektrischen Netz vorkommenden Einschaltstromes (I) über den ersten Vorladewiderstand (12) vorzuladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (100) mindestens einen zusätzlichen Vorladewiderstand (13, 14) und eine Steuereinrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen Vorladewiderstand (13, 14) oder die mehreren zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) derartig, insbesondere derartig hintereinander, während des Einschaltvorganges parallel zu dem ersten Vorladewiderstand (12) hinzuzuschalten, dass während des
Einschaltvorganges eine vorbestimmte Vorladespannung mit einem vordefinierten Zeitverhalten (UK3) und ein entsprechend vorbestimmter Einschaltstrom (IK) zum Vorladen des elektrischen Verbrauchers während des Einschaltvorganges erzeugt werden.
Batterie (100) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinrichtung weiter dazu ausgelegt ist, zur Erzeugung der vorbestimmten Vorladespannung (UK3) während des Einschaltvorganges den zusätzlichen Vorladewiderstand (13, 14) oder die zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zeitabhängig jeweils nach dem Ablauf eines entsprechend vordefinierten Zeitraumes und/oder spannungsabhängig in Abhängigkeit des Vorladespannungsverlaufs insbesondere hintereinander parallel zu dem ersten Vorladewiderstand hinzuzuschalten.
Batterie nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung einen Mikrocontroller (60), der dazu ausgelegt ist, die zeitabhängige und/oder die
spannungsabhängige Hinzuschaltung des zusätzlichen Vorladewiderstandes (13, 14) oder der zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zu steuern, und/oder mindestens einen Komparator (70) umfasst, der dazu ausgelegt ist, die spannungsabhängige Schaltung des zusätzlichen Vorladewiderstandes (13, 14) oder der zusätzlichen Vorladewiderstände (13, 14) zu steuern.
0. Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisches Kraftfahrzeug, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder einer Batterie (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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