WO2023134891A1 - Verfahren und vorrichtung zum laden einer hochvoltbatterie - Google Patents

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WO2023134891A1
WO2023134891A1 PCT/EP2022/079920 EP2022079920W WO2023134891A1 WO 2023134891 A1 WO2023134891 A1 WO 2023134891A1 EP 2022079920 W EP2022079920 W EP 2022079920W WO 2023134891 A1 WO2023134891 A1 WO 2023134891A1
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voltage
battery
charging
protective conductor
station
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PCT/EP2022/079920
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Inventor
Marc Neitz
Alexander Matthias
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Preh Gmbh
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    • 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
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0069—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to the isolation, e.g. ground fault or leak current
    • 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
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/11—DC charging controlled by the charging station, e.g. mode 4
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2210/14—Boost converters

Definitions

  • the invention relates to a method for charging a high-voltage battery, in particular a high-voltage battery of an electric vehicle, and a device for charging such a high-voltage battery.
  • Electric vehicles such as hybrid electric vehicles (HEV) or battery electric vehicles (BEV) usually have a high-voltage battery (eg traction battery) as an energy store with a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example.
  • High-voltage or high-voltage potential (here also referred to as HV potential for short) is understood here - as is also common in the automotive sector - to be an electrical direct voltage of greater than 60 V, in particular greater than 200 V, e.g. B. 400 V or 800 V to about 1500 V.
  • Low-voltage or low-voltage potential is understood to mean an electrical voltage less than or equal to 60 V, e.g. B. 12 V, 24 V, 48 V or 60 V.
  • the terms high-voltage and low-voltage are used synonymously with the terms high-voltage and low-voltage potential with the voltage levels and voltage ranges specified above .
  • ISO monitors insulation monitoring devices or so-called "ISO monitors” in high-voltage networks to measure an insulation resistance between PE (protective conductor) and the high-voltage lines in order to be able to ensure the operational safety of the high-voltage network. If the insulation resistance determined from the measurement low, a safety mechanism can interrupt the power transmission in the grid, for example by opening a switch, relay or similar.
  • an electric vehicle with a high-voltage battery e.g. B. a battery with a nominal voltage of 800 V
  • a charging station that provides a lower charging voltage than the battery nominal voltage, ie in the given example lower than 800 V, for example 400 V
  • a DC/ Use DC boost converters to convert the voltage provided by the charging station to match the nominal voltage of the electric vehicle's high-voltage battery.
  • Such a DC voltage converter can be provided in the electric vehicle, for example.
  • connecting the high-voltage battery with a higher rated voltage than the charging voltage provided by the charging station can lead to an asymmetry, i.e.
  • the ISO monitor which monitors the insulation resistance between protective earth (PE) and the high-voltage side (HV), interprets a high current increase as a result of the asymmetry as faulty insulation resistance and interrupts the charging process Charging stations cannot be charged, or at least not reliably.
  • the invention is based on the object of providing a method and a charging device that allow charging a high-voltage battery at a charging station that provides a lower nominal charging voltage than the nominal voltage of the high-voltage battery, whereby charging should be safe, stable, reliable and energy-efficient be technically simple and inexpensive to implement, as well as be compact and lightweight.
  • the term “approximately” used herein is intended to indicate a tolerance range that the person skilled in the art working in the present field regards as usual.
  • the term “approximately” is to be understood as meaning a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to a maximum of +/-10%.
  • Relative terms relating to a feature are to be interpreted within the scope of the invention in such a way that manufacturing and/or implementation-related size deviations of the relevant feature, which are within the manufacturing/performance tolerances defined for the respective production or implementation of the relevant feature are not covered by the respective relative term "And the like to be regarded as a size of a comparative feature if the two compared sizes differ so significantly from each other in their value that this size difference certainly does not fall within the manufacturing/performance-related tolerance range of the relevant feature, but is the result of targeted action.
  • a method for charging a high-voltage battery provides the high-voltage battery with a nominal battery voltage (e.g. 800 V) and a charging station with a nominal charging voltage (e.g. 400V) that is lower than the nominal battery voltage.
  • a nominal battery voltage e.g. 800 V
  • a charging station with a nominal charging voltage (e.g. 400V) that is lower than the nominal battery voltage.
  • the method also includes an electrical connection of a station-side protective conductor connection to a battery-side protective conductor connection in order to form a common protective conductor (also referred to as "PE" or "protective earth") between them.
  • PE Protective earth
  • the charging station Based on the protective conductor, the charging station symmetrically provides half the nominal charging voltage between a first station-side high-voltage potential (e.g. positive HV potential) and the protective conductor and half the nominal charging voltage between a second station-side high-voltage potential (e.
  • the method also provides for a voltage between a first high-voltage potential on the battery side (e.g. positive HV battery potential) and the protective conductor to be adjusted to half the nominal charging voltage by controlled derivation of a leakage current between a first high-voltage potential on the battery side and the protective conductor high-voltage potential is electrically connected, and the second station-side high-voltage potential is connected to a second battery-side high-voltage potential (e.g. negative HV battery potential), with the voltage between the second station-side high-voltage potential and the protective conductor being converted upwards to a voltage between the second battery-side high-voltage potential and the protective conductor (e.g. using a single DC/DC converter), to transfer electrical energy from the charging station to the high-voltage battery (also referred to herein as charging).
  • a voltage between a first high-voltage potential on the battery side e.g. positive HV battery potential
  • the protective conductor to be adjusted to half the nominal charging voltage by controlled derivation of a
  • the leakage current is controlled during the charging process by means of resistance control of a bleeder resistor that acts functionally between the first battery-side high-voltage potential and the protective conductor.
  • the resistance value of the bleeder resistor is always determined by the electrical quantities current and voltage may have a certain (residual) ripple. In other words, both a voltage value, e.g. the instantaneous voltage between the first battery-side HV potential and the protective conductor, and a current value, e.g. the instantaneous value of the leakage current, go into the resistance control.
  • the PE symmetry when charging a high-voltage battery at a charging station, the PE symmetry must be guaranteed on the station side, i.e. that the Voltage between the first HV potential of the charging station and the protective conductor essentially corresponds to the voltage between the second HV potential of the charging station and the protective conductor.
  • a residual ripple of the voltage potential carried on the protective conductor can be observed, which makes reliable charging more difficult, in particular the maintenance of the station-side PE symmetry, and significantly narrows a possible operating range of a charging circuit.
  • the invention makes it possible in a surprising way to reliably, stably and precisely establish the station-side PE symmetry during a charging process of the type described above (i.e. nominal battery voltage > nominal charging voltage) and to maintain it during; the entire charging process.
  • the resistance control makes it possible to keep the PE symmetry constant independently of a; current voltage level; of the high-voltage battery of the respective battery-side high-voltage potentials to the station-side PE symmetry can be reliably carried out.
  • constant current control requires, for example, that the target current required for control must be continuously adapted to a current high-voltage level (i.e. voltage between HV potential and PE). be overlaid with a significantly slower dynamic response, which ensures that conventional insulation monitoring does not detect a current change that is too high, which would be interpreted as faulty insulation of the charging circuit, which would result in the charging process being aborted.
  • a current high-voltage level i.e. voltage between HV potential and PE
  • the invention does not provide for such a superimposed voltage control loop, so that the method according to the invention is also simpler to implement.
  • the charging of high-voltage batteries, such as 800V batteries, at charging stations with a lower nominal charging voltage, eg 400 V, can be carried out reliably with the present invention. Regardless of the level of the actual nominal battery voltage greater than the nominal charging voltage, the technical compatibility can be extended or ensured to numerous other charging stations.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a voltage (i.e. measurement voltage) is measured between the first high voltage potential on the battery side and the protective conductor and the leakage current associated with this voltage is measured (i.e. measurement current) and from this a preset resistance value (i.e. nominal resistance) for the resistance control of the leakage resistor is calculated. Values of the respective physical variables.
  • the voltage measurement can be selectively activated and deactivated without being necessarily limited to being able to be switched on and off M ⁇ or 50 M ⁇ including the intermediate values. This ensures that the voltage measurement essentially does not negatively affect the determination and monitoring of the insulation resistance and thus a reliable execution of the charging process.
  • a target resistance of the bleeder resistor is calculated from the measured voltage and the measured leakage current after a transient transient process has subsided at the beginning of the energy transfer (ie the charging process), after a substantially stable energy transfer state has been reached, and is kept constant during the subsequent control of the leakage current. calculated using the measured voltage and current values and then adjusted within the permissible limits.
  • the target resistance can be changed dynamically, whereby this is preferably limited downwards by a predetermined, constant minimum value, which is the target resistance used for the resistance control not fall below Overall, this can further improve the convergence behavior of the resistance control.
  • Another advantageous embodiment of the invention provides that an insulation resistance between the first battery-side high-voltage potential and the protective conductor and/or between the second battery-side high-voltage potential and the protective conductor by means of an insulation monitoring device (e.g. ISO
  • the insulation monitoring device is determined and monitored, with the insulation monitoring device providing the calculated leakage resistance.
  • the insulation monitoring device can determine the total insulation resistance of the circuit directly from the transmitted leakage resistance and the determined insulation resistance. The total insulation resistance can be determined accurately, quickly and without additional effort.
  • the measured voltage between the first high-voltage potential on the battery side and the protective conductor can be filtered using a low-pass filter before the calculation of the leakage resistance, in order to effectively suppress high-frequency interference in the measurement signal and to further stabilize the resistance control.
  • the low-pass filter is operated with a first cut-off frequency and a second cut-off frequency, with the first cut-off frequency being greater than the second cut-off frequency and the low-pass filter is operated with the first cut-off frequency during a transient transient process at the beginning of the energy transfer or charging process, and the low-pass filter is operated with the second cut-off frequency after a substantially stable energy transfer state is reached the high dynamics at the beginning of the charging process are taken into account and a fast and reliable convergence of the resistance regulation is achieved.
  • the resistance regulation can have resistance drift compensation, which compensates for a creeping change in resistance (that is, which occurs much more slowly compared to the duration of a single charging process).
  • Insulation resistance between the first high-voltage potential on the battery side and the protective conductor and/or between the second high-voltage potential on the battery side and the protective conductor is automatically equalized when determining the leakage resistance In this way, even if a constant target resistance is specified, the current can be automatically
  • the insulation resistance mentioned here can correspond to the insulation resistance determined by an insulation monitoring device - as already described above.
  • the leakage current is controlled by a transistor in a linear operating range (i.e. outside of a saturated state).
  • Transistor components e.g. power semiconductors such as FET or MOSFET, which can switch and conduct high currents, are generally readily available of the leakage current, which reliably prevents a possible interruption of the charging process due to an incorrectly determined insulation resistance that is too low, especially during a transient switch-on process, for example immediately after the start of the charging process (i.e. energy transfer).
  • the transistor can be switched off in the event of an overvoltage between an input connection (e.g. drain or source connection) receiving the leakage current and an input connection receiving the leakage current output terminal (dn source or drain terminal) by means of its
  • the resistance regulation can preferably be carried out by means of a digital processing unit, e.g. B. microprocessor, microcontroller, etc.
  • the resistance control itself can be implemented exclusively in software in this case.
  • the device has a first battery-side charging connection connected to a first battery-side high-voltage potential (e.g. positive HV battery potential) for connecting to the first station-side high-voltage potential and a second battery-side charging connection connected to a second battery-side high-voltage potential (e.g. negative HV battery potential) for connecting to the second station-side high-voltage potential and a step-up converter (e.g. DC/DC converter) to convert a voltage between the second station-side high-voltage potential and the protective conductor to a voltage between the second battery-side high-voltage potential and the protective conductor.
  • a first battery-side high-voltage potential e.g. positive HV battery potential
  • a second battery-side charging connection connected to a second battery-side high-voltage potential (e.g. negative HV battery potential) for connecting to the second station-side high-voltage potential
  • a step-up converter e.g. DC/DC converter
  • the charging device has a control device that is set up to execute a method according to one of the embodiments disclosed herein in order to adjust a voltage between the first battery-side high-voltage potential and the protective conductor to half the nominal charging voltage of the charging station by controlled derivation of a: leakage current by means of resistance regulation of a bleeder resistor that acts functionally between the first battery-side high-voltage potential and the protective conductor.
  • the control device can for example be a digital processing unit, e.g. Microprocessor, microcontroller, digital signal processor (DSP) etc., implemented since
  • an insulation monitoring device is also provided for determining and monitoring an insulation resistance between the first battery-side high-voltage potential and the protective conductor and/or between the second battery-side high-voltage potential and the protective conductor will.
  • a transistor eg power semiconductors such as FET, MOSFET etc.
  • a clamping circuit can be provided which is designed to short-circuit the input connection and the output connection in the event of an overvoltage between an input connection (e.g. drain connection) of the transistor receiving the leakage current and an output connection (e.g. source connection) emitting the leakage current in order to further increase the operational reliability of the device.
  • a controllable switching element e.g. relay
  • a controllable switching element can advantageously also be provided for selectively galvanically isolating the transistor from the first battery-side high-voltage potential and/or from the second battery-side high-voltage potential.
  • FIG. 1 shows a functional diagram of an exemplary embodiment of a device for charging a high-voltage battery at a charging station according to the invention in a first operating state
  • FIG. 3 shows the device from FIG. 1 in a third operating state
  • FIG. 5 is a detailed view of part of the device of Figure 4,
  • FIG. 6 shows a functional diagram of an exemplary embodiment of a method for charging a high-voltage battery at a charging station according to the invention
  • FIG. 7 shows a functional diagram of a further exemplary embodiment of a method for charging a high-voltage battery at a charging station according to the invention.
  • parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference numbers, so that they are usually only described once.
  • FIG. 1 shows a functional diagram of an embodiment of a device 1 for charging a high-voltage battery 2 at a charging station 3 according to the invention in a first operating state 1 to show an embodiment of a method for charging the high-voltage battery 2 at the charging station 3 according to the invention.
  • the device 1 shown in FIG. 1 is used in an electric vehicle 4 (eg HEV or BEV) by way of example and without being limited thereto, in order to charge the HV battery 2, which is here, for example, a traction battery of the vehicle 4, at the charging station 3.
  • the HV battery 2 has a nominal battery voltage of 800 V, for example High-voltage potential HV+ and a second station-side high-voltage potential HV-provided charging voltage is denoted by U c in the figures.
  • a protective conductor PE can be seen in Fig. 1 both on the station side and on the battery side. Both protective conductor parts are connected via a station-side protective conductor connection (not explicitly shown) with a; battery-side protective conductor terminal 5 electrically connectable to form a common protective conductor PE therebetween, as shown in Fig.2.
  • the charging station 3 symmetrically places half U c /2 of the charging voltage U c between a first station-side high-voltage potential HV+ and the protective conductor PE and half U c /2 of the charging voltage U c between a second station-side high-voltage potential HV- and the protective conductor (PE) ready.
  • Battery-side charging terminals 6 and 7 for electrically connecting the first battery-side HV potential HVP to the first station-side HV potential HV+ and for electrically connecting the second battery-side HV potential HVN to the second station-side HV potential HV- are also shown in FIG.
  • the charging device 1 from FIG. 1 also has a DC/DC step-up converter 8, which is connected in series between the second charging connection 7 and the second battery-side HV potential HVN. in the present case 800 V), ie the DC/DC step-up converter 8 raises the voltage provided by the charging station 3 by 400 V in the present case, ie the step-up voltage Utmost is 400 V in the example shown in Fig. 1.
  • insulation monitoring devices 9 or so-called ISO monitors are usually used to determine and monitor an insulation resistance R iso p, R isoN between PE and the corresponding battery-side HV potential HVP or HVN, as shown in Fig. 1 iso p, R isoN fall below specified resistance threshold values, a safety mechanism (not shown) is triggered to immediately interrupt energy transfer (see Fig. 4) between the charging station 3 and the HV battery 2, e.g. by opening a switch, relay and the like of the loading device 1.
  • the monitoring devices 9 can be components that are provided outside of the charging device 1, ie are not contained in the charging device 1 itself.
  • the respective insulation resistances R isoP , R isoN are monitored by the battery-side insulation monitoring devices 9. Although not shown in FIG. In the situation shown in Fig. 1, half of the battery voltage U bat related to the protective conductor PE is between the HV potential! HVP and PE (ie U bat /2) and the other half between the HV potential HVN and PE (ie U bat /2), as shown in Fig.1 .'
  • FIG. 1 shows a functional bleeder resistor 10 of the exemplary charging device 1, which is shown in detail in FIG. 5 and will be explained in more detail in the description of FIG.
  • FIGS. 1 to 4 An exemplary embodiment of a method according to the invention for charging a high-voltage battery (e.g. HV battery 2) will now be described with reference to FIGS. 1 to 4, which has the following steps:
  • a station-side protective conductor connection to a battery-side protective conductor connection (e.g. connection 5) in order to form a common protective conductor PE in between, based on which the charging station 3 symmetrically transfers half U c /2 of the nominal charging voltage U c between a first station-side high-voltage potential HV+ and provides the protective conductor PE and half U c /2 of the nominal charging voltage U c between a second station-side high-voltage potential HV and the protective conductor PE (cf. Fig. 2),
  • the invention effectively avoids such operating states and enables reliable, safe and efficient charging of the high-voltage battery 2 at the charging station 3, which provides a charging voltage U c that is lower than the battery voltage U bat of the high-voltage battery 2;
  • FIG 5 shows a detailed view of the functional bleeder resistor 10 of the device 1 from FIG linear operating range.
  • the transistor 11 is controlled in such a way that the current dissipation I d is essentially functional like a controlled ohmic resistance between the high-voltage potential HVP and PE with an adjustable resistance value behaves.
  • This controllable resistance is referred to as bleeder resistance 10 herein.
  • the leakage current I d is controlled by means of a resistance control of the bleeder resistor 10 in such a way that the voltage between the first battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE is adjusted to half the nominal charging voltage U c /2 of the charging station 3.
  • the resistance control is in Fig. 5 within the outlines of the control device ⁇ C with its essential radio - tion groups shown.
  • a voltage U m (i.e. measurement voltage) is measured between the first battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE.
  • the leakage current I d associated with this measurement voltage U m is also measured as measurement current I m .
  • a resistance is created from the measurement values U m and I m - Setpoint specification, ie a resistance setpoint R s , calculated for the resistance control of the bleeder resistor 10.
  • the measured voltage U m and the measured current I m represent actual values of the respective physical variables.
  • a component of the resistance control is a voltage control 12, which regulates the voltage U bat /2 (cf. FIG. 1), which is normally present between the HV potential HVP and PE, to half the charging voltage U c /2, which represents the voltage setpoint value of the voltage control 12, and at -
  • the voltage control 12 is supplied with the measurement voltage U m , as shown in Fig. 5.
  • the voltage value output by the voltage control 12 is then converted into a resistance value R, taking the measurement current I m into account, in order to obtain the specified resistance value R s s through
  • the resistance limitation R lim ensures that the resistance control does not regulate to impermissibly low resistance values R.
  • the controlled resistance R therefore always has the minimum resistance R lim .
  • the resistance control converts the setpoint resistance Rs taking into account the detected Measuring voltage U m into a target current I s , which is fed to a current controller 13 or current control loop , which can be implemented as a PID controller, for example, as shown in Fig. 5 I d when the measurement voltage U m is present across the transistor 11.
  • the bleeder resistor 10 thus behaves functionally like a real ohmic resistor that would be connected between the HV potential HVP and the protective conductor PE.
  • the resistance regulation of the present charging device 1 is carried out entirely by the digital processing unit ⁇ C and is therefore a digital resistance regulation in the present case.
  • the control of the current regulation 13 can optionally also be carried out by the digital processing unit ⁇ C, although the current regulation 13 of the exemplary embodiment illustrated in FIG lemen
  • the current setpoint specification I s for the current control 13 can be provided in analog form using a digital-to-analog converter (DAC) or using a pulse width modulated signal (PWM).
  • the exemplary charging device 1 can have an optional clamping circuit 14, with which the transistor 11 is short-circuited when an overvoltage occurs between an input terminal receiving the leakage current I d and an output terminal delivering the leakage current I d .
  • a resistance network 15 which can have a resistance of around 100 k ⁇ in a configuration 3P3S of individual resistors (in this case, for example, 3 parallel-connected resistance strands, each with 3 series resistors), which is not shown in detail .
  • FIG. 6 shows a functional diagram of a further exemplary embodiment of a method for charging a high-voltage battery (e.g. HV battery 2) at a charging station (e.g. charging station 3) according to the invention.
  • a high-voltage battery e.g. HV battery 2
  • a charging station e.g. charging station 3
  • the functional components already shown in FIG m between the first battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE is filtered using the low-pass filter before the calculation of the target resistance R s .
  • the low-pass filter 17 can be operated with a first cut-off frequency f G1 and a second cut-off frequency f G2 , with the first cut - off frequency fsi being greater than the second cut-off frequency f G2 G2 operated after a substantially stable energy transfer - state is reached.
  • a fast and reliable convergence of the resistance control is achieved in this way.
  • the system to be controlled e.g. the charging of the HV battery 2 at the charging station 3 using the control of the leakage current I d by means of the transistor 11 , is shown in Fig. 6 at 18;
  • Measuring device 19 captures further measured values such as a temperature (not shown) of the charging circuit or the bleeder resistor 10, the HV battery 2 and the like, which can also be taken into account for the operation of the charging device, for example to interrupt the charging process if permissible limit values are exceeded.
  • FIG. 7 represents a functional diagram of yet another exemplary embodiment of a method for charging a high-voltage battery (eg HV battery 2) at a charging station (eg charging station 3) according to the invention resistance drift compensation 21 with a dot-dash border, which shows a creeping change in resistance 22 in the insulation resistance between the first battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE (e.g., insulation resistance R isoP ) and/or between the second battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE (e.g. insulation resistanceR isoN ) when determining the nominal resistance R s of the bleeder resistor (e.g. bleeder resistor 10). In the present case, it is filtered before the drift control 23 by means of a filter 24 .
  • a filter 24 e.g. bleeder resistor
  • the measuring device 19 is not shown in FIG .
  • the method shown in FIG. 7 has the special feature compared to the method shown in FIG. during the transient transient process at the onset of energy transfer between the charging station 3 and the HV battery 2, in a first control stage A only a voltage control, for example the voltage control 12, is used to determine the target current I s for the current control 13 of the leakage current I d .
  • a voltage control for example the voltage control 12
  • the method shown in Figure 7 changes to the second control stage B (indicated by dashed lines) in order to regulate the resistance of the shunt resistor 10 ( see Fig. 1) during the loading process.
  • the setpoint resistance R s of the bleeder resistor 10 is calculated from the measured voltage U m and the measured leakage current I m after a transient transient has subsided and is kept constant during the subsequent control of the leakage current I d , i.e. during resistance regulation Resistance reference value R s is thus present no longer changed during the charging process.
  • the insulation resistance R isoP , R isoN between the first battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE and/or between the second battery-side high-voltage potential HVP and the protective conductor PE can be determined and monitored using an insulation monitoring device (e.g. the insulation monitoring device 9), with the insulation monitoring being active - the calculated bleeder resistance R is provided in the direction (not shown explicitly in the figures) in order to determine a total insulation resistance of the charging circuit made up of the insulation resistance R iso p, R isoN and the bleeder resistance R.
  • an insulation monitoring device e.g. the insulation monitoring device 9
  • inventive method disclosed herein for charging a high-voltage battery and the inventive charging device are not limited to the specific embodiments described in each case, but also include other embodiments that have the same effect and result from technically meaningful further combinations of the features of all the objects of the invention described herein.
  • those mentioned above in the general description and the description of the figures and/or the features and feature combinations shown alone in the figures can be used not only in the combinations explicitly stated in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
  • the charging device according to the invention is used to charge a high-voltage battery of an electric vehicle (eg traction battery with a nominal battery voltage of 800V or higher) at a charging station that provides a lower charging voltage (eg max. 400V) than the nominal battery voltage of the HV battery to be charged.
  • a high-voltage battery of an electric vehicle eg traction battery with a nominal battery voltage of 800V or higher
  • a charging station that provides a lower charging voltage (eg max. 400V) than the nominal battery voltage of the HV battery to be charged.
  • I s Target current ⁇ C Digital processing unit e.g. microcontroller

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie (2), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen der Hochvoltbatterie (2) mit einer Batterienennspannung (Ubat), - Bereitstellen einer Ladestation (3) mit einer Ladenennspannung (Uc), die kleiner ist als die Batterienennspannung, - Verbinden; eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit einem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5), um einen gemeinsamen Schutzleiter (PE) auszubilden, bezogen auf welchen die Ladestation (3) symmetrisch jeweils die Hälfte der Ladenennspannung an einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) und die Hälfte- der Ladenennspannung an einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) bereitstellt, - Angleichen einer Spannung zwischen einem ersten; batterieseitig Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter (PE) an die halbe Ladenennspannung durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms (Id), - elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+) mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und elektrisches Verbinden des zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) mit einem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVN), wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV-) und dem Schutzleiter (PE) aufwärtsgewandelt wird, und - Steuern des Ableitstroms mittels einer Widerstandsregelung. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (1) zum Laden; einer Höchvoltbatterie (2).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Hochvoltbatterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Hochvoltbatterie, insbeson- dere Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs, sowie eine Vorrichtung zum Laden einer solchen Hoch Voltbaterie.
Elektrofahrzeuge (EV) wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) oder Bat- terie-Elektrofahrzeugs (BEV) weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Trak- tionsbatterie) als Energiespeicher mit einer Nennspannung von beispielsweise 400 V oder 800 V auf. Als Hochvoltspannung oder Hochvoltpotenzial (hierin auch kurz HV-Potenzial bezeichnet) wird vorliegend - wie auch im Automotive-Bereich üblich - eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1500 V. Als Niedervoltspan- nung bzw. Niedervoltpotenzial wird eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V. Die Begriffe Hochvolt- und Niedervoltspannung werden im Zusammenhang mit der hierin offenbarten Erfin- dung synonym zu den Begriffen Hochvolt- bzw. Niedervoltpotenzial mit den vor- stehend angegebenen Spannungsebenen bzw. Spanungsbereichen verwendet.
Es ist allgemein bekannt, in Hochspannungsnetzen Isolationsüberwachungsgeräte oder sogenannte „ISO-Wächter" zur Messung eines Isolationswiderstandes zwi- schen PE (Schutzleiter) und die Hochspannung führenden Leitungen einzusetzen, um die Betriebssicherheit des Hochspannungsnetzes sicherstellen zu können. Ist der aus der Messung ermittelte Isolationswiderstand zu niedrig, kann ein Sicher- heitsmecha riismus die Strom Übertrag ung im Netz unterbrechen , z. B. durch Öffneneines Schalters, Relais o. ä.
Wenn ein Elektrofahrzeug mit einer Hochvoitbatterie, z. B. einer Batterie mit einer Nennspannung von 800 V, an einer Ladestation geladen wird, die eine niedrigere Ladespannung als die Batterienennspannung bereitstellt, d. h. im gegebenen Bei- spiel niedriger als 800 V, zum Beispiel 400 V, ist es ebenfalls üblich, einen DC/DC- Aufwärtswandler zu verwenden, um die von der Ladestation bereitgestellte Span- nung so umzuwandeln, dass sie der Nennspannung der Hochvoltbaterie des Elekt- rofahrzeugs entspricht. Ein derartiger Gleichspannungswandler kann zum Beispiel im Elektrofahrzeug bereitgestellt sein . Je nach Schaltungstopologie kann derAnschluss der Hochvoltbatterie mit einer höheren Nennspannung alsdie von derLadestationbereitgestellte Ladespannung zu einerAsymmetrie,d.h.einerVerschiebung deselektrischen Potenzials,zwi- schenden Hochvöltpotenzialen und derSchutzerde (PE)führen,inderFolge kann derzulässigeBereicheinerIsolationsspannungüberschrittenwerden.Darüberhin- aus kann ein ISO-Wächter- insbesondere beidynamischenAusgieichsvorgängen beispielsweise zu Beginn eines Ladevorgangs - einen falschen Isolationswider- stand berechnen. Der ISO-Wächter, der den Isolationswiderstand zwischen Schutzerde (PE)und derHochvoltseite (HV)überwacht,interpretierteinen hohen StromanstiegalsFolgederAsymmetriealseinenfehlerhaftenIsolationswiderstand und brichtden Ladevorgang ab,Somitkönnen Elektrofahrzeuge mitHochvoltbat- terien,die eine höhere Batterienennspannung aufweisen als eine von einerLa- destation bereitgestellte Ladespannüng,an solchen Ladestationen nichtoderzu- mindestnichtzuverlässig geladenwerden.
Vordiesem Hintergrund liegtderErfindung die Aufgabe zugrunde,ein Verfahren sowie eine Ladevorrichtung bereitzustellen,diejeweils ein Laden einerHochvolt- batterieaneinerLadestation,dieeineniedrigereLadenennspannungalsdieNenn- spannung derHochvoltbatterie bereitstellt,ermöglichen,wobeidas Laden sicher, stabil,zuverlässig und energieeffizient erfolgen soll.Zudem sollen das Ladever- fahren und die Ladevorrichtung technisch einfach und kostengünstig implemen- tierbarseinsowie kompaktund mitgeringem Gewichtbauen.
DieseAufgabe wird durch einVerfahren mitden Merkmalen desAnspruchs 1 und eineVorrichtung mitden Merkmalen desAnspruchs 11gelöst.Weitere,besonders vorteilhafteAusgestaltungenderErfindung offenbarendiejeweiligenUnteransprü- che.
Es istdaraufhinzuweisen,dassdie in den Ansprüchen einzelnaufgeführten Merk- malein beliebiger,technischsinnvollerWeisemiteinanderkombiniertwerden kön- nen (auch überKategoriegrenzen,beispielsweisezwischenVerfahrenundVorrich- tung,hinweg)undweitereAusgestaltungenderErfindungaufzeigen.DieBeschrei- bung charakterisiert und spezifiziertdie Erfindung insbesondere im Zusammen- hangmit den Figuren zusätzlich. Es seifernerangemerkt,dass eine hierin verwendete,zwischen zweiMerkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist,dassineinererstenAusgestaltungdeserfindungsgemäßenGegen- standslediglich daserste Merkmalvorhanden sein kann,in einerzweiten Ausge- staltung lediglich das zweite Merkmalvorhanden sein kann und in einerdritten Ausgestaltungsowohldaserste alsauch daszweite Merkmalvorhanden sein kön- nen.
Außerdem sollein hierin verwendeterBegriff„etwa"einenToleranzbereich ange- ben,den deraufdem vorliegenden Gebiettätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff„etwa" ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bismaximal+/-20 bevorzugtbis maximal+/-10 % zuverstehen.
Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals,wie zum Beispiel„größer",„kleiner", „höher",„niedriger"und dergleichen,sind im Rahmen derErfindung so auszule- gen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals,die innerhalb derfür die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des: betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchfüh- rungstoleranzen liegen,nichtvondem jeweiligen relativenBegriff erfasstsind.Mit anderen Worten isteine Größe einesMerkmalserstdann alsz.B.„größert,„klei- ner",„höher",„niedriger"u.dgl.anzusehen alseine Größe einesVergleichsmerk- mals,wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wertso deutlich vonei- nander unterscheiden,dass dieserGrößenunterschied sicher nicht in den ferti- gungs-/durchführungsbedingtenToleranzbereich desbetreffenden Merkmalsfällt, sondern dasErgebnisZielgerichteten Handelnsist.
Erfindungsgemäß werden beieinem Verfahren zum Laden einerHochvoltbatterie (z.B.eineTraktionsbatterieeinesElektrofahrzeugs)dieHochvoltbatterie miteiner Batterienennspannung (z.B.800 V)bereitgestelltund eine Ladestation miteiner Ladenennspannung (z.B.400V),die kleineristalsdie Batterienennspannung.Die Hochvoltbatteriekanhohn Beschränkung hieraufbeispielsweisevorgesehensein, ein HochvoltbordnetzeinesFahrzeugszu versorgen,beispielsweise einen Elektro- antrieb eines Elektrofahrzeugs wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oderBatterie-Elektrofahrzeug (BEV). Weiter weist das Verfahren ein elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses miteinem batterieseitigen Schutzleiteranschlussauf,um einen gemeinsamen Schutzleiter(auch mit„PE" oder„Protective Earth" bezeich- net)dazwischen auszubilden.AufdenSchutzleiterbezogenstelltdie LadestationsymmetrischjeweilsdieHälftederLadenennspannungzwischeneinem ersten sta- tionsseitigen Hochvoltpotenzial(z.B.positivesHV-Potenzial)unddem Schutzleiter und die Hälfte der Ladenennspannung zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoitpotenzial(z.B.negativesHV-Potenzial)unddem Schutzleiterbereit.
Weiterhin siehtdasVerfahren vor,eine Spannung zwischeneinem ersten bate- rieseitigen Hochvoltpotenzial (z, B. positives HV-Batteriepotenzial) und dem Schutzleiterandiehalbe Ladenennspannung durchgesteuertesAbleiten einesAb- leitstroms zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiteranzugleichen.Des Weiteren wird das erste stationsseitige Hochvolt- potenzialmitdem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzialelektrisch verbunden, und daszweite stationsseitige Hochvoltpotenzialwird miteinem zweiten batterie- seitigen Hochvoltpotenzial(z.B.negativesHV-Bateriepotenzial),wobeidieSpan- nung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzialund dem Schutz- leiteraufeine Spannungzwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiteraufwärtsgewandeltwird (z.B.mitelseineseinzigen DC/DC- Wandters),um elektrische Energie vonderLadestation indie Hochvoltbatteriezu übertragen(hierinauch alsLadevorgang bezeichnet).
Der Ableitstrom wird beim Ladevorgang mittels einerWiderstandsregeiung eines funktional zwischen dem ersten baterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem SchutzleiterwirkendenAbleitwiderstandsgesteuert.DerWiderstandswertdesAb- leitwiderstands iststetsdurch die elektrischen Größen Strom und Spannung be- stimmt.Die Spannung zwischen dem baterieseitigen HV-Potenzial und dem Schutzleiter ist im Wesentlichen eine Gleichspannung, die ggfs. eine gewisse (Rest-)Welligkeitaufweisen kann.In anderen Worten gehen indieWiderstandsre- gelung sowohlein Spannungswert,z,B.die augenblickliche Spannung zwischen dem ersten baterieseitigen HV-Potenzialund dem Schutzleiter,sowie ein Strom- wert,z.B.deraugenblickliche WertdesAbleitstroms,ein.
Grundsätzlich gilt,dass beim Laden einerHochvoltbaterie an einerLadestation stationsseitig die PE-Symmetrie gewährleistet seinmuss,das heißt, dass die Spannungzwischendem erstenHV-PotenzialderLadestationunddem Schutzleiter betragsmäßig im Wesentlichen derSpannung zwischen dem zweiten HV-Potenzial derLadestationund dem Schutzleiterentspricht.GewöhnlichisteineRestwelligkeit desaufdem SchutzleitergeführtenSpannungspotenzialszu beobachten,dieeinen zuverlässigen Ladebetrieb,insbesondere hierbeidasEinhaltenderstationsseitigen PE-Symmetrie,erschwertund einen möglichen Betriebsbereich einerLadeschal- tung deutlich einengt.
MitelsderWiderstandsregelung,d.h.desüberdieWiderstandsregelung gesteu- erten Ableitstroms,ermöglichtesdie Erfindung in überraschenderWeise,die sta- tionsseitigePE-Symmetrie;beieinem Ladevorgang dervorbeschriebenenArt(d.h. Batterienennspannung > Ladenennspannung)zuverlässig,stabilund präzise her- zustellen und während;des;gesamten Ladevorgangsaufrechtzuerhalten.
Insbesondereermöglichtdie Widerstandsregelung,die PE-Symmetrie unabhängig von einem;augenblicklichen Spannungsniveau;der Hochvoltbaterie konstant zu halten.Eine Überwachung eines Isolationswiderstands;zwischen den batterieseiti- gen Hochvoltpotenzialen und dem Schutzleiter(z,B,mittelsISO-Wächter)kann im Wesentlichen unbeeinflusstvon dem erzwungenen Angleichen derjeweiligen batterieseitigen Hochvoltpotenziale an die stationsseitige PE-Symmetrie zuverläs- sig durchgeführtwerden.
Im Gegensatz zurhierin offenbarten,erfindungsgemäßen Steuerung des Ableit- stroms mittels;der Widerstandsregelung erfordert zum Beispieleine Konstant- stromregelung,dass derfürdie Regelung erforderliche Sollstrom fortwährend an eine aktuelle Hochspannungslage (d.h.Spannung zwischen HV-Potenzialund PE) angepasstwerden muss.Zudiesem Zweck mussdem Stromregelkreiszusätzliche ein Spannungsregelkreis miteinem wesentlich langsameren dynamischen Verhal- ten überlagertwerden,derdafürsorgt,dass eine herkömmliche Isolationsüber- wachung keine zu hohe Stromänderung detektiert,diealseine fehlerhafte Isolie- rung derLadeschaltung interpretiertwerden würde,waseinenAbbruch desLade- vorgangszurFolge hätte.
Eine derartüberlagerte Spannungsregelschleife sieht dieErfindung nichtvor,so dassdaserfindungsgemäßeVerfahren auch einfacherzu implementieren ist. Das Ladenvon Hochvoltbatterien,wiebeispielsweise800V-Batterien,an Ladesta- tionen miteinergeringeren Ladenennspannung,z.B.400 V,kann mitdervorlie- genden Erfindung zuverlässigdurchgeführtwerden.UnabhängigvonderHöheder tatsächlichen Batterienennspannung größer als die Ladenennspannung kann die technische Kompatibilitätaufzahlreiche weitere Ladestationen erweitert bzw.si- chergestelltwerden.
EinevorteilhafteAusgestaltung derErfindung siehtvor,dasseineSpannung (d.h. Messspannung)zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvotpotenzialund dem Schutzleitergemessen wird undderzu dieserSpannung gehörende Ableitstrom gemessen wird (d.h.Messstrom)und hierauseine Widerstands-Sollwertvorgabe (d.h.Sollwiderstand)fürdie Widerstandsregelung desAbleitwiderstands berech- netwird.Die Messspannung und derMessstrom stellen Ist-Werte derjeweiligen physikalischen Größen dar.Die Spannungsmessung kann wahlweise aktivierbar und deaktivierbar sein, ohne zwingend auf eine Zu- und Abschaltbarkeit be- schränktzu sein.Bevorzugterfolgtdie Spannungsmessung hochohmig,z.B.mit einem Eingangswiderstandvonwenigstens10 MΩ odereinigenwenigenVielfachen von 10 MΩ,z.B.20 MΩ,30 MΩ,40 MΩ oder50 MΩ einschließlich derZwischen- werte.Diesstelltsicher,dassdieSpannungsmessung eine Bestimmung und Über- wachung desIsolationswiderstandsunddamiteinezuverlässigeDurchführungdes Ladevorgangsim Wesentlichen nichtnegativ beeinflusst.
Nach eineranderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird ein Sollwiderstand desAbleitwiderstands nach einem Abklingeneinestransienten Einschwingvorgangszu Beginn derEnergieübertragung (d.h.des Ladevorgangs), nachdem ein im Wesentlichen stabiler Energieübertragungszustand erreicht ist, ausder gemessenen Spannung und dem gemessenenAbleitstrom berechnetwird und beidernachfolgenden Steuerung desAbleitstromskonstantgehalten.Dem- nach wird derSollwiderstand nach EinregelriderSpannungslagenautomatischan- hand derSpannungs-und Strom messwerte errechnet und anschließend in den zulässigen Grenzen eingestellt.Während des Einschwingvorgangs zuBeginn der Energieübertragung (d.h.kurznach dem Einschalten desLadevorgangs)tann der Sollwiderstand dynamischverändertwerden,wobeidieservorzugsweise nach un- ten durch einen vorherbestimmten,konstanten Minimalwert begrenztwird,den derfürdie Widerstandsregelung verwendete Sollwiderstand nichtunterschreiten kann.Insgesamtkann hierdurch das Konvergenzverhalten derWiderstandsrege- lung weiterverbessert werden.
Eine;weitereworteilhafte Ausgestaltung derErfindung siehtvor,dass ein Isolati- onswiderstand zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzialund dem Schutzleiter und/oderzwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial und dem SchutzleitermittelseinerIsolationsüberwachungseinrichtung(z.B.ISO-
Wächter)ermitteltund überwachtwird,wobeiderIsolationsüberwachungseinrich- tung derberechneteAbleitwiderstand bereitgestelltwird.AufdieseWeise kanndie Isolationsüberwachungseinrichtung unmittelbar aus dem übermittelten Ableitwi- derstand und dem ermittelten Isolationswiderstand den Gesamtisolationswider- stand derSchaltung bestimmen.In anderenWorten wird deraugenblickliche Wft derstandswertdes Ableitwiderstands von derIsolationsüberwachungseinrichtung berücksichtigt,um den augenblicklichen Gesamtisolationswiderstand der Schal- tung zu berechnen.DerGesamtisolationswiderstand kanngenau,schnellundohne zusätzlichenAufwand bestim mtwerden.
Zu weiteren Verbesserung derWiderstandsregelung kann die gemessene Span- nung zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzialund dem Schutzlei- tervorderBerechnung desAbleitwiderstandsmittelseinesTiefpassfiltersgefiltert werden,um hochfrequenteStörungenim Messsignalwirksam zuunterdrückenund dieWiderstandsregelungweiterzu stabilisieren.
Eine anderevorteilhafteWeiterbildung siehtvor,dassderTiefpassfilterwahlweise miteinerersten Grenzfrequenz undeinerzweitenGrenzfrequenz betrieben wird, wobei die erste Grenzfrequenz größerist als die zweite Grenzfrequenz und der Tiefpassfilterm itderersten GrenzfrequenzwährendeinestransientenEinschwing- vorgangszu BeginnderEnergieübertragungbzw.desLadevorgangsbetriebenwird und derTiefpassfiltermitderzweiten Grenzfrequenzbetriebenwird,nachdem ein im WesentlichenstabilerEnergieübertragungszustanderreichtist.AufdieseWeise wirdderhohen DynamikzuBeginndesLadevorgangsRechnunggetragenundeineschnelle undzuverlässige Konvergenz derWiderstandsregerung erreicht.
Optionalkann die Widerstandsregelung eine Widerstandsdriftkompensation auf- weisen,dieeineschleichende (d.h.im VergleichzueinerZeitdauereineseinzigen Ladevorgangs wesentlich langsamerauftretende)Widerstandsveränderung eines Isolationswiderstandszwischendem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzialund dem Schutzleiterund/oderzwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvoltpoten- zialund dem SchutzleiterbeiderBestimmung desAbleitwiderstandsautomatisch ausgleicht.Hierunteristinsbesondereeine aufAlterung beruhende Änderung von MaterialeigenschaftendesIsolationswiderstandszuverstehen,diebeinachlassen- derIsolationswirkungbeispielsweisezuunerwünschtenKriechströmenführen kön- nen unddenwirksamenIsolationswiderstandverringern.DieWiderstandsregelung zurSteuerung;desAbieitstroms kann selbstbeiVorgabe eines konstanten Sollwi- derstandsaufdiese Weise automatischandie schleichende Widerstandsverände- rung desIsolationswiderstandsangepasstwerden und die Betriebszuverlässigkeit weitererhöhen.Derhiererwähnte Isolationswiderstand kann mitdem voneiner Isolationsüberwachungseinrichtung - wie vorstehend bereits beschrieben - be- stimmten Isolationswiderstand übereinstimmen.
Nach einerbesondersbevorzugten Ausgestaltung wird derAbleitstrom mittelsei- nesTransistorsin einem linearen Betriebsbereich (d.h.außerhalb einesgesättig- ten Zustands)gesteuert.Transistorbauelemente,z.B.LeistungshalbleiterwieFET oder MOSFET,die hohe Ströme schalten und leiten können,sind allgemein gut verfügbar.DaherkanndieStromableitung mitgeringenKostenimplementiertwer- den,Darüberhinaus erlaubtderTransistoreine hochdynamische Steuerung des Abieitstroms, die eine mögliche Unterbrechung des Ladevorgangs durch einen fälschlicherweise zu gering ermittelten Isolationswiderstand zuverlässig verhin- dert,insbesondereWährend einestransienten Einschaltvorgangszum Beispielun- mittelbarnach Beginn desLadevorgangs(d.h.Energieübertragung).
Da derTransistordenAbleitstrom nurzwischen dem ersten batterieseitigen Hoch- voltpotenzialunddem Schutzleitersteuert,liegtdiezuschaltendemaximaleSpan- nung überdem Transistorin der Größenordnung von lediglich derhalben Lade- nennspannung.Daherkönnen in vorteilhafterWeiseTransistoren miteinergerin- geren BelastbarkeitzurSteuerung desAbleitstromsverwendetwerden,beidurch- zuführenden Ladevorgängen an 400 V-Ladestationen zum BeispielTransistoren vom 650 V-Typanstellevon üblicherweise 1200 V-Transistoren.
Zur weiteren ErhöhungderBetriebssicherheit kann derTransistorbeiAuftreten einerÜberspannung zwischen einem denAbleitstrom aufnehmenden Eingangsan- schluss (z. B. Drain- oder Source-Anschluss) und einem den Ableitstrom abgebendenAusgangsanschluss(d.n.Source-bzw.Drain-Anschluss)mittelseiner
Klemmschaltung kurzgeschlossen werden.
Die Widerstandsregelung kann bevorzugtmittelseinerdigitalenVerarbeitungsein- heit,z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller etc.ausgeführt werden.Die Wider- standsregelung selbstkannindiesem Fallausschließlich inSoftwareimplementiert sein.Hierdurch lässtsich eine hohe Flexibilität und einfache Anpassbarkeitder Erfindung an unterschiedliche Einsatzzwecke erreichen.
Gemäß einem weiterenAspektder Erfindung weisteine Vorrichtung zum Laden einerHochvoltbatterie,z,B.eineTraktionsbatterieeinesElektrofahrzeugs,mitei- nerBatterienennspannung (z.B.800V)an einerLadestationmiteinerLadenenn- spannung (z.B.400V),die kleineristalsdie Batterienennspannung,einen batte- rieseitigen Schutzleiteranschluss zum Verbinden mit einem stationsseitigen Schutzleiteranschluss auf,um beieinerVerbindung einen gemeinsamen Schutz- leiterdazwischen auszubilden,bezogen aufwelchen die Ladestation symmetrisch jeweils die Hälfte derLadenennspannung zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial(z.B.positives HV-Potenzial) und dem Schutzleiter unddie Hälfte derLadenennspannung zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvolt- potenzial(z.B.negativesHV-Potenzial)und dem Schutzleiterbereitstellt.
Die Hochvoltbatterie kann ohne zwingende Beschränkung hieraufbeispielsweise vorgesehen sein,ein Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs zu versorgen,beispiels- weiseeinen ElektroantriebeinesElektrofahrzeugswiebeispielsweiseHybrid-Elekt- rofahrzeug (HEV)oderBatterie-Elektrofahrzeug (BEV).
Weiterhin weist die Vorrichtung erfindungsgemäß einen ersten batterieseitigen, mit einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (z. B. positives HV- Batteriepotenzial)verbundenenLadeanschlusszum Verbinden mitdem erstensta- tionsseitigen Hochvoltpotenzialaufund einen zweiten batterieseitigen,miteinem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(z.B.negatives HV-Batteriepotenzial) verbundenen Ladeanschluss zum Verbinden mit dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzialsowie einen Aufwärtswandler(z.B.DC/DC-Wandler),um eine Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial und dem Schutzleiteraufeine Spannung zwischen dem zweiten batterieseitigen Hochvolt- potenziaiund dem Schutzleiterzu wandeln. Darüberhinaus weist die Ladevorrichtung eine Steuereinrichtung auf,die einge- richtetist,ein Verfahren nach einerderhierin offenbarten Ausgestaltungen aus- zuführen,um durch gesteuertesAbleiten eines:Ableitstroms mittelseinerWider- standsregelung einesfunktionalzwischendem erstenbatterieseitigen Hochvoltpo- tenzialunddem SchutzleiterwirkendenAbleitwiderstandseineSpannungzwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenziaiund dem Schutzleiteran die halbe Ladenennspannung derLadestation anzugleichen.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise alsdigitalenVerarbeitungseinheit,z.B. Mikroprozessor,Mikrocontroller,digitalerSignalProzessor(DSP)etc.,ausgeführt seih.
Es seidaraufhingewiesen,dassbezüglich vorrichtungsbezogenerBegriffsdefiniti- onen sowie derWirkungen und Vorteile vorrichtungsgemäßer Merkmale vollum- fänglich aufdie Offenbarung sinngemäßerDefinitionen,Wirkungen und Vorteile deserfindungsgemäßenVerfahrenszurückgegriffen werden kann und umgekehrt Insofernwird aufeine Wiederholungvon Erläuterungen sinngemäß gleicherMerk- male,deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einerkompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet,ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für denjeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegenwären.
Gemäß einerbevorzugtenAusführungsförm des Erfindungsgegenstands1stferner eine Isolationsüberwachungseinrichtung zur Ermitlung und Überwachung eines Isolationswiderstandszwischendem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzialund dem Schutzleiterund/oderzwischen dem zweiten baterieseitigen Hochvoltpoten- ziaiund dem Schutzleitervorgesehen.DieIsolationsüberwachungseinrichtung ge- währleistetzuverlässig die Betriebssicherheitwährend einesLadevorgangs,indem derLadevorgang beiUnterschreiten eines kritischen WiderstandswertsdesIsola- tionswiderstandsabgebrochen wird.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung siehteinen in einem Linearbereich (d.h. außerhalb eines gesättigten Zustands)betreibbaren Transistor(z.B.Leistungs- halbleiterwie FET,MOSFET etc.)zurSteuerung desAbleitstromsvor. Darüberhinaus kann eine Klemmschaltung vorgesehensein,die ausgebildetist, beiAuftreteneinerÜberspannungzwischeneinem denAbleitstrom aufnehmenden Eingangsanschluss (z.B.Drain-Anschluss)desTransistorsund einem den Ableit- strom abgebenden Ausgangsanschluss (z.B.Source-Anschluss)des Transistors den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss kurzzuschließen,um die Be- triebssicherheitderVorrichtung weiterzu erhöhen.
Indiesem Sinnekannvorteilhaft aucheinsteuerbaresSchaltelement(z.B.Relais) zum wahlweisengalvanischenTrennendesTransistorsvom erstenbatterieseitigen Hochvoltpotenzialund/odervom zweitenbatterieseitigenHochvoltpotenzialbereit- gestelltsein.
Weitere Merkmale und Vorteile derErfindung ergeben sich ausderfolgenden Be- schreibung nichteinschränkend zu verstehenderAusführungsbeispiele;derErfin- dung,dieim FolgendenunterBezugnahmeaufdieZeichnung nahererläutert;wird. IndieserZeichnungzeigen schematisch
Fig.1 ein Funktionsdiagramm einesAusführungsbeispielseinerVorrichtung zum LadeneinerHöchvoltbatterieaneinerLadestationgemäßderEr- findung in einem ersten Betriebszustand,
Fig.2 dieVorrichtung aus Fig,1in einem zweiten Betriebszustand,
Fig.3 dieVorrichtung ausFig.1 in einem dritten Betriebszustand,
Fig,4 dieVorrichtung ausFig.1 in einem vierten Betriebszustand,
Fig.5 eine detaillierteAnsichteinesTeilsderVorrichtung ausFig.4,
Fig.6 ein Funktionsdiagramm einesAusführungsbeispielseines Verfahrens zum LadeneinerHöchvoltbatterieaneinerLadestationgemäß derEr- findung und
Fig.7 ein Funktionsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens;zum LadeneinerHochvoltbaterie aneinerLadestationge- mäß derErfindung. In den unterschiedliehen Figurensind hinsichtlichihrerFunktiongleichwertigeTeile stets mitdenselben Bezugszeichen versehen,so dassdiese in derRegelauch nur einmalbeschriebenWerden.
Fig.1 stelltein Funktionsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einerVorrichtung 1 zum Laden einerHochvoltbatterie 2 an einerLadestation 3 gemäß derErfindung in einem ersten Betriebszustand dar.Die Fig.2,3 und 4 stellen die Vorrichtung 1 jeweils in einem zweiten,driten bzw.vierten Betriebszustanddar.Sie dienen dazu,ein AusführungsbeispieleinesVerfahrenszum Laden derHochvoltbatterie 2 an derLadestation 3 gemäß derErfindung darzustellen.
Die in Fig.1 gezeigte Vorrichtung 1 wird vorliegend beispielhaft und ohnezwin- gende Beschränkung hieraufin einem Elektrofahrzeug 4 (z.B.HEV oder BEV), verwendet,um die HV-Batterie 2,die hierbeispielsweise eine Traktionsbaterie des Fahrzeugs4 ist,an derLadestation 3 zu laden.Die HV-Batterie 2 weistzum Beispieleine Batterienennspannung von 800 V auf.Eine zwischen einem ersten baterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und einem zweiten baterieseitigen Hoch- voltpotenzialHVN bereitgestellte Batteriespannung istin den Fig.mitUbat bezeich- net,Die Ladestation3 weistzum Beispieleine max,Ladenennspannungvon400 V auf.Eine zwischeneinem erstenetationsseitigen HochvoltpotenzialHV+ undeinem zweitenstationsseitigen HochvoltpotenzialHV-bereitgestellte Ladespannung istin den Fig.mitUc bezeichnet.
Des Weiteren istin Fig.1 sowohlstationsseitig als auch baterieseitig ein Schutz- leiter PE zu erkennen. Beide Schutzleiterteile sind über einen stationsseitigen Schutzleiteranschluss (nicht explizit dargestellt) mit einem; baterieseitigen Schutzleiteranschluss5elektrischverbindbar,um einengemeinsamenSchutzleiter PE dazwischen auszubilden,wie in Fig.2 dargestelltist.
Bezogen aufden SchutzleiterPE stelltdie Ladestation 3 symmetrisch jeweils die Hälfte Uc/2 derLadespannung Uc zwischen einem erstenstationsseitigen Hochvolt- potenzialHV+ und dem SchutzleiterPE und die Hälfte Uc/2 derLadenspannung Uc zwischen einem zweiten stationsseitigen HochvoltpotenzialHV-und dem Schutz- leiter(PE)bereit. Batterieseitige Ladeanschlüsse 6 und 7 zum elektrischen Verbinden des ersten batterieseitigen HV-Potenzials HVP mitdem ersten stationsseitigen HV-Potenzial HV+ bzw,zum elektrischen Verbinden deszweiten batterieseitigen HV-Potenzials HVN mitdem zweiten stationsseitigen HV-PotenzialHV-sind in Fig.1 ebenfalls dargestellt.
Die Ladevorrichtung 1ausFig.1weistfernereinen DC/DC-Aufwärtswandler8auf, derin Reihezwischen dem zweitenLadeanschluss7und dem zweiten batteriesei- tigen HV-PotenzialHVN geschaltetist.DerDC/DC-Aufwärtswandler8istso konfi- guriert,dasserdie DC-Ladespannung (im vorriegenden Fall400V)aufdie Bat- terienennspannung Ubat (im vorliegenden Fall800 V)anhebt,d.h.der DC/DC- Aufwärtswandler8 hebtdie von der Ladestation 3 bereitgestellte Spannung im vorliegenden Fallum 400 V an,d.h.die Step-Up-Spannung Utmostbeträgtin dem in Fig.1dargestellten Beispiel400 V.
Aus Sicherheitsgründen werden in Hochvoltnetzen wiedem von derLadestation 3 und derHV-Batterie 2während einesLadevorgangstemporärgebildeten Netzüb- licherweiseIsoiationsüberwachungseinrichtungen9 odersogenannteISO-Wächter zurBestimmungund ÜberwachungeinesIsolationswiderstandsRisop,RisoN zwischen PE und dem entsprechenden batterieseitigen HV-PotenzialHVP bzw.HVN einge- setzt,wiein Fig.1dargestelltist.WenndieermiteltenIsolationswiderständeRisop, RisoN untervorgegebene Widerstandsschwellenwerte fallen,wird ein Sicherheits- mechanismus (nichtdargestellt)ausgelöst,um eine Energieübertragung (vgl.Fig. 4)zwischenderLadestation3 undderHV-Batterie2 unmittelbarzuunterbrechen, z.B. durch Öffnen einesSchalters,Relaisund dergleichen.Esverstehtsich,dass die Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 Bestandteile der Ladevorrichtung 1 sein können.Die Erfindung istjedoch nichtnotwendigerweise daraufbeschränkt. Die Überwachungseinrichtungen 9 können Komponenten sein,die außerhalb der Ladevorrichtung 1vorgesehensind,also nichtin derLadevorrichtung 1selbstent- halten sind.
Die jeweiligen Isolationswiderstände RisoP,RisoN werden von den batterieseitigen Isolationsüberwachungseinrichtungen 9 überwacht.Obwohlin Fig.1 nichtdarge- steilt,verstehtes sich,dass ähnliche Isolationsüberwachungseinrichtungen auch in derLadestation 3 vorgesehensein können. In derin Fig.1dargestellten Situation liegtdie Bateriespannung Ubat bezogen auf den SchutzleiterPEzurHälftezwischendem HV-Potenzia!HVPund PE(d.h.Ubat/2) und zuranderen Hälfte zwischen dem HV-PotenzialHVN und PE (d.h.Ubat/2)an, wie in Fig.1 dargestelltist.'
FernerzeigtFig.1 einen funktionalen Ableitwiderstand 10 derbeispielhaften La- devorrichtung 1,derin Fig.5 detailliert dargestelltistund beiderBeschreibung vonFig.5 ausführlicherdargelegtwerden wird.
Anhand derFig.1 bis4wirdnuneinAusführungsbeispieleineserfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einerHochvoltbatterie (z.B.HV-Batterie 2)beschrieben, das die Schritte aufweist:
- Bereitstellen derHochvoltbatterie 2 miteinerBatterienennspannung Ubat (vgl. Fig,1 )
- Bereitstellen einerLadestation (z.B.Ladestation 3)miteinerLadenennspan- nung Uc,die kleineristalsdie Batterienennspannung (vgl.Fig.1),
- elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses mit ei- nem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (z.B.Anschluss 5),um einen ge- meinsamen SchutzleiterPE dazwischen auszubilden,bezogen aufwelchen die Ladestation 3 symmetrisch jeweils die Hälfte Uc/2 der Ladenennspannung Uc zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial HV+ und dem SchutzleiterPE und die Hälfte Uc/2derLadenennspannung Uczwischen einem zweiten stationsseitigen HochvoltpotenzialHV-und dem SchutzleiterPE bereit- stellt(vgl.Fig,2),
- AngleicheneinerSpannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvolt- potenzialHVP und dem SchutzleiterPE an die halbe Ladenennspannung (Uc/2) durch gesteuertesAbleiten einesAbleitstromsId zwischen einem ersten batte- rieseitigeri HochvoltpotenzialHVP und dem SchutzleiterPE (vgl,Fig.3),
- elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen HochvoltpotenzialHV+ mit dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und elektrischesVerbinden deszweitenstationsseitigen HochvoltpotenzialHV-miteinem zweiten baterie- seitigen HochvoltpotenzialHVN,wobeidie Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen HochvoltpotenzialHV-und dem SchutzleiterPE aufeine Span- nung zwischen dem zweiten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVN und dem SchutzleiterPE aufwärtsgewandeltwird (z.B.mittelsdes DC/DC-Wandlers8), um elektrische EnergievonderLadestation 3 in die Hochvoltbatterie 2zuüber- tragen(vgl,Fig.4),und
- Steuern desAbleitstromsId mittelseinerWiderstandsregelung einesfunktional zwischen dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und dem Schutz- leiterPE wirkendenAbleitwiderstands10.
Aus den Fig.1 bis 4 istersichtlich,dass ohne Ableiten desAbleitstroms Id eine Asymmetrie,d.h. eineVerschiebung des elektrischen Potentials zwischen den Hochspannungsseiten HV+ und HVP in Bezug aufPE,dazu führt,dass zwischen derLadestation 3 undderHochvoltbatterie 2 unmittelbarnachderHerstellungder elektrischen Verbindung zwischen diesen (d.h.nach Aktivierung des Ladevor- gangs) hohe transiente Ströme fließen würden.Diese Verschiebung kann dazu führen,dass eineIsolationsspannungzwischen den HV-Potenzialen HVP, HVN, HV+, HV- und PE überschritten wird.Zusätzlich würden die Isolationsüberwa- chungseinrichtungen9 aufgrundderhohen Ausgleichströme einen falschenIsola- tionswiderstand RisoP und/oderRisoN ermitteln.Derhohe Stromanstieg würde als fehlerhafterIsolationswiderstand RisoP,RisoN interpretiert werden und derLadevor- gang würde unterbrochen werden.
Die Erfindung vermeidetsolche Betriebszustände wirksam und ermöglichtein zu- verlässiges,sicheresundeffizientesLaden derHochvoltbatterie2 anderLadesta- tion 3,die eine Ladespannung Uc bereitstellt,die kleineristals die Batteriespan- nung Ubat derHochvoltbatterie2;
Fig.5stellteinedetaillierteAnsichtdesfunktionalenAbleitwiderstands10 derVor- richtung 1ausFig.4 dar.Wiezu erkennen ist,wird beidervorliegenden Ladevor- richtung 1 bzw.Ladeverfahren derAbleitstrom Id mittelseinesTransistors 11 (z. B,Leistungshalbeiterschalterwie FET,MOSFET o.ä.)gesteuert,wobeiderTran- sistor11 in einem linearen Betriebsbereich betrieben wird.
MittelseinerSteuereinrichtung μC,die bevorzugtalsdigitaleVerarbeitungseinheit Wie z.B.Mikroprozessor,Mikrocontroller,DSP o,ä,ausgebildetistund daserfin- dungsgemäße Verfahrenausführt,wirdderTransistor11 derartangesteuert,dass sich die Stromableitung Id im Wesentlichen funktionalwie ein gesteuerterohm- scherWiderstand zwischen dem HochvoltpotenziaiHVP und PE miteinstellbarem Widerstandswert verhält.Diesersteuerbare Widerstand wird hierin als Ableitwi- derstand 10 bezeichnet.
Der Ableitstrom Id wird mittels einerWiderstandsregelung desAbleitwiderstands 10 derartgesteuert,dass die Spannung zwischen dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und dem SchutzleiterPE an die halbe Ladenennspannung Uc/2 der Ladestation 3 angeglichen wird.Die Widerstandsregelung ist in Fig.5 innerhalb derUmrisslinien derSteuereinrichtung μC mitihren wesentlichen Funk- tionsgruppen dargestellt.
Wie zuerkennenist,wirdvorliegendeine Spannung Um (d.h,Messspannung)zwi- schen dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVPund dem SchutzleiterPE gemessen.Außerdem wirdderzu dieserMessspannung Um gehörendeAbleitstrom Id als Messstrom Im gemessen.Aus den Messwerten Um und Im wird eine Wider- stands-Sollwertvorgabe,d.h.ein Widerstandssollwert Rs,fürdie Widerstandsre- gelung desAbleitwiderstands 10 berechnet.DieMessspannung Umund derMess- strom Im stellen Ist-Wertederjeweiligen physikalischenGrößen dar.
Wie Fig.5 zu entnehmen ist,ist ein BestandteilderWiderstandsregelung eine Spannungsregelung 12,welchedienormalerweisezwischendem HV-PotenzialHVP und PEanliegendeSpannung Ubat/2 (vgl.Fig,1)aufdie halbe Ladespannung Uc/2, die den Spannungssollwert derSpannungsregelung 12 darstellt,regeltund bei- spielsweisealseinePI-Regelungausgeführt seinkann.HierzuwirdderSpannungs- regelung 12die Messspannung Um zugeführt,wie in Fig.5dargestelltist.Anschlie- ßend wird dervon derSpannungsregelung 12 ausgegebeneSpannungswertunter BerücksichtigungdesMessstromsIm ineinenWiderstandswertR umgerechnet,um dieWiderstands-Sollwertvorgabe Rs zu erhalten.ZurErhöhungderBetriebssicher- heitkann die Berechnung desSollwiderstands Rs durch einevorbestimmbare Wi- derstandsuntergrenze Rlim nach unten begrenztwerden.Insbesondere zu Beginn desLadevorgangs,dereinentransientenVorgang darstellt,stelltdieWiderstands- begrenzung Rlim sicher,dass die Widerstandsregelung nichtaufunzulässig kleine Widerstandswerte R regelt.Dergeregelte Widerstand R weistsomitinjedem Fall den Mindestwiderstand Rlim auf.
Da mittels desTransistors 11derAbleitstrom Id gesteuert wird,wandeltdie Wi- derstandsregelung den Sollwiderstand Rs unter Berücksichtigung der erfassten Messspannung Um in einen Sollstrom Is um, der einerStromregelung 13 bzw. Stromregelschleife,diebeispielsweisealseinePID-Regelungausgeführtseinkann, zugeführtwird,wie in Fig.5 dargestelit ist.Die Strom regeiung 13 steuert den Transistor 11 derart,dass dieserden dem zuvorbestimmten Sollwiderstand Rs entsprechenden Ableitstrorn Id beideraugenblicklich überdem Transistor11 an- liegenden Messspannung Um durchleitet.Damitverhältsich derAbleitwiderstand 10 funktionalwieein realerohmscherWiderstand,derzwischendem HV-Potenzial HVP und dem SchutzleiterPE geschaltetwäre.
DieWiderstandsregelungdervorliegenden Ladevorrichtung 1wirdvollständigvon derdigitalen VerarbeitungseinheitμC durchgeführt und istdamitvorliegend eine digitale Widerstandsregelung.DieAnsteuerung derStrom regelung 13 kann wahl- weise ebenfalls von derdigitalen Verarbeitungseinheit μC durchgeführtwerden, obwohldie Stromregelung 13 desin Fig.5 dargestelltenAusführungsbeispielsau- ßerhalbderdigitalenVerarbeitungseinheitμC dargestelltistundvorliegendanalog, z,B.unterVerwendungeinesOperationsverstärkers(nichtdargestellt),implemen- tiertist.Die Strom-Sollwertvorgabe Is fürdie Stromregelung 13 kann analog mit- tels einesDigital-Analog-Konverters(DAC)odermittelseinespulsweitenmodulier- ten Signals(PWM)bereitgestelltwerden.
In Fig.5 ist weiter zu erkennen,dass die beispielhafte Ladevorrichtung 1 eine optionale Klemmschaltung 14 aufweisen kann,mitwelcherderTransistor11 bei Auftreten einerÜberspannung zwischen einem den Ableitstrom Id aufnehmenden Eingangsanschluss und einem den Ableitstrom Id abgebenden Ausgangsanschluss kurzgeschlossen wird.
Außerdem stelltFig.5 ein Widerstandsnetzwerk15dar,das beispielsweise einen Widerstand von etwa 100 kΩ ineinernichtnäherdargestelltenKonfiguration3P3S von Einzelwiderständen (vorliegend z. B.3 parallelverschaltete Widerstands- strängemitjeweils3 Serienwiderständen)aufweisen kann,DasWiderstandsnetz- werk 15 begrenztden maximalen Ableitstrom Id,um die Betriebssicherheitder Vorrichtung 1weiterzu erhöhen.
Des Weiteren ist in Fig.5 ein Steuerbares Schaltelement 16 (z.B.Relais) zum wahlweisen galvanischen Trennen desTransistors 11vom ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP zuerkennen. Fig.6stellteinFunktionsdiagramm einesweiterenAusführungsbeispielseinesVer- fahrenszum Laden einerHochvoltbatterie (z.B.HV-Batterie 2)an einerLadesta- tion (z.B.Ladestation 3)gemäß derErfindung dar.Neben den bereits in Fig.5 gezeigten funktionalen Komponenten,istFig,6 zusätzlich einTiefpassfilter17 zu entnehmen.Vorliegend wird diergemessene Spannung Um zwischen dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und dem SchutzleiterPE vorderBerech- nung desSollwiderstands Rs mittelsdesTiefpassfiltersgefiltert.Außerdem istder wesentlicheTeilderWiderstandsregelung in Fig.6 miteinergestrichelten Umran- dung 20 gekennzeichnet.
Der Tiefpassfilter 17 kann beidem vorliegenden Ausführungsbeispielwahlweise miteinerersten GrenzfrequenzfG1 und einerzweitenGrenzfrequenzfG2 betrieben werden,wobeidie ersteGrenzfrequenzfsigrößeristalsdiezweiteGrenzfrequenz fG2.DerTiefpassfilter17 wirdhierbeimitderersten Grenzfrequenz fG1 während einestransientenEinschwingvorgangszu Beginn derEnergieübertragung (d.h.zu Beginn des Ladevorgangs)betrieben und anschließend mitderzweiten Grenzfre- quenzfG2 betrieben,nachdem einim Wesentlichen stabilerEnergieübertragungs- zustanderreichtist.TrotzderwährenddestransientenEinschwingvorgangshohen elektrischen DynamikwirdaufdieseWeise eineschnelleundzuverlässige Konver- genzder Widerstandsregelungerreicht.
Das zu steuerndeSystem,z.B.dasLaden derHV-Batterie 2 anderLadestation 3 unterVerwendung derSteuerung des Ableitstroms Id mittels desTransistors 11, istinFig.6 bei18 dargestellt,eineMesseinrichtungzum ErfassenderMessgrößen Um und Im bei19.Zusätzlich zu den Spannungs-und Strom messwerten Um bzw. Im kann die Messeinrichtung 19 weitere Messwerte wie beispielsweise eineTem- peratur(nichtdargestellt)derLadeschaltung bzw,desAbleitwiderstands 10,der HV-Batterie 2 und dergleichen erfassen,die fürden Betrieb derLadevorrichtung ebenfalls berücksichtigtwerden können,um beispielsweise beiÜberschreiten zu- lässigerGrenzwerte eine Unterbrechung desLadevorgangszu bewirken.
Fig.7 stelltein Funktionsdiagramm eines noch weiteren Ausführungsbeispieis ei- nes Verfahrens zum Ladeneiner Hochvoltbatterie (z.B.HV-Batterie 2)an einer Ladestation (z.B.Ladestation 3) gemäß der Erfindung dar.Beidem vorliegend dargestellten Verfahren weist die Widerstandsregelung zusätzlich eine strichpunktiert umrandete Widerstandsdriftkompensation 21 auf,die eine schlei- chende und damitim Vergleich zu einerZeitdauereines einzigen Ladevorgangs wesentlich langsamerauftretendeWiderstandsveränderung 22 einesIsolationswi- derstands zwischen dem ersten batterieseitigen HochvoltpotenziaiHVP und dem SchutzleiterPE (z.B,Isolationswiderstand RisoP)und/oderzwischen dem zweiten batterieseitigen HochvoltpotenziaiHVP und dem SchutzleiterPE (z.B.Isolations- widerstandRisoN)beiderBestimmungdesSollwiderstandsRs desAbleitwiderstands (z.B.Ableitwiderstand 10)automatisch ausgleicht.Die Widerstandsveränderung 21 stellteinen StöreinflussbeiderWiderstandsregelung desAbleitwiderstands 10 (vgl.Fig.1)dar.DieserwirddurcheinenWiderstandsdriftregler23bei;derBestim- mung desSollwiderstandsRs berücksichtigt.Zusätzlichwird die Messspannung Um vorliegend vorderDriftregelung 23 mittelseinesFilters24 gefiltert.
In Fig.7 istdie Messeinrichtung 19 nichtdargestellt,sondern lediglich die dem gesteuerten System 18 entnommenen Messgrößen Um und Im.
Darüberhinausweistdasin Fig.7dargestellteVerfahren gegenüberdem inFig.6 dargestelltenVerfahren die Besonderheitauf,dasszu Beginn des Ladevorgangs, d,h. während destransienten Einschwingvorgangs beim Einsetzen derEnergie- übertragung zwischen derLadestation 3 und derHV-Batterie 2,in einerersten Regelstufe A lediglich eine Spannungsregelung,z.B.die Spannungsregelung 12, zurBestimmung des Sollstroms Is fürdie Stromregelung 13 desAbleitstroms Id verwendetwird.Nachdem derEinschwingvorgang abgeklungenist,das heißtdie; Energieübertragung einen im Wesentlichen stabilen Zustand erreichthatund sich folglich die zwischen dem HV-PotenzialHVP und dem SchutzleiterPE anliegende Spannung aufdie halbe Ladespannung Uc/2 eingeschwungenhat,wechseltdasin Fig.7 dargestellte Verfahren zurzweiten Regelstufe B (durch gestrichelte Linien gekennzeichnet),um dieWiderstandsregelung desAbleitwiderstands 10 (vgl.Fig. 1)während desLadevorgangsauszuführen.DieersteRegelstufeA wird durchden Wechselbeendet.
Beim WechselvonStufe A nach B wird beidem vorliegend dargestellten Ausfüh- rungsbeispielderSollwiderstand Rs desAbleitwiderstands10 nachdem Abklingen einestransienten EinschwingvorgangsausdergemessenenSpannung Um und dem gemessenen Ableitstrom Im berechnetund beidernachfolgenden Steuerung des Ableitstroms Id,das heißt beiderWiderstandsregelung,konstant gehalten.Der Widerstandssollwert Rs wird damit vorliegend während des Ladevorgangs nicht mehr verändert.
Es seierwähnt,dass bevorzugtbeiden vorstehend beschriebenen Ausführungs- beispielen der Isolationswiderstand RisoP,RisoN zwischen dem ersten batterieseiti- gen HochvoltpotenzialHVP und dem SchutzleiterPE und/oderzwischendem zwei- ten batterieseitigen HochvoltpotenzialHVP und dem SchutzleiterPE mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung (z.B.derIsolationsüberwachungseinrichtung 9) ermitteltund überwachtwerden kann,wobeiderIsolationsüberwachungsein- richtung derberechnete Ableitwiderstand R bereitgestelltwird (in den Fig.nicht explizitdargestellt),um einen sich aus dem Isolationswiderstand Risop,RisoN und dem Ableitwiderstand R zusammensetzenden Gesamtisolationswiderstand derLa- deschaltung zu bestimmen.
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zum Laden einerHochvoltbat- terie und die erfindungsgemäße Ladevorrichtung sind nichtaufdie hierin jeweils beschriebenen konkretenAusführungsformenbeschränkt,sondern umfassenauch gleich wirkendeweitereAusführungsformen,diesichaustechnischsinnvollenwei- teren Kombinationen derhierin beschriebenen Merkmale allerErfindungsgegen- stände ergeben.Insbesondere sind die vorstehend in derallgemeinen Beschrei- bung und derFigurenbeschreibung genannten und/oderin den Figuren allein ge- zeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nichtnurin denjeweils hierin ex- plizitangegebenenKombinationen,sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar,ohne den Rahmen dervorliegenden Erfindung zu verlassen.
In besondersbevorzugterAusgestaltung wird die erfindungsgemäße Ladevorrich- tungzum LadeneinerHochvoltbatterieeinesElektrofahrzeugs(z.B.Traktionsbat- terie mit800V Batterienennspannung oderhöher)aneinerLadestation,die eine geringere Ladespannung (z.B.max.400V)alsdie Batterienennspannung derzu ladenden HV-Batterie bereitstellt,verwendet. Bezugszeichenliste
1 LadeVerrichtung
2 Hochvoltbatterie
3 Ladestation
4 Elektrofahrzeug
5 BatterieseitigerSchutzleiteranschluss
6 ErsterbatterieseitigerLadeanschluss
7 ZweiterbatterieseitigerLadeanschluss
8 DC/DC-Aufwärtswandler
9 Isolationsüberwachungseinrichtung (ISO-Wächter)
10 FunktionalerAbleitwiderstand
11 Transistor
12 Spannungsregelung
13 Stromregelung
14 Klemmschaltung
15 Widerstandsnetzwerk
16 Schaltelement
17 Tiefpassfilter
18 GesteuertesSystem
19 Resseinrichtung
20 Widerstandsregelung
21 Widerstandsdriftkompensation
22 Widerstandsveränderung
23 Widerstandsdriftregelung
24 Filter
A Erste Regelstufe
B Zweite Regelstufe fG1 ErsteGrenzfrequenz fG2 Zweite Grenzfrequenz
HV+ Stationsseitigespositives Hochvoltpotenzial
HV- StationsseitigesnegativesHochvoltpotenzial
HVP BatterieseitigespositivesHochvoltpotenzial
HW BatterieseitigesnegativesHochvoltpotenzial I Strom Id Ableitstrom Im Messstrom
Is Sollstrom μC DigitaleVerarbeitungseinheit,z.B.Mikrocontroller
PE Schutzleiter(Schutzerde)
R Widerstand
Rlim Widerstandsuntergrenze Rs Sollwiderstand
U Spannung Ubat Batteriespannung
Uboost Step-Up-Spannung Uc Ladespannung Um Messspannung
Us Sollspannung

Claims

Patentansprüche . Verfahren zum Laden einerHochvoltbatterie (2),aufweisend die Schritte:
- Bereitsteilen der Hochvoltbatterie (2) mit einer Batterienennspannung (Ubat),
- Bereitstellen einerLadestation (3)miteinerLadenennspannung (Uc),die kleineristalsdie Batterienennspannung (Ubat),
- elektrisches Verbinden eines stationsseitigen Schutzleiteranschlusses miteinem batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5),um einen gemein- samen Schutzleiter(PE)dazwischen auszubilden,bezogen aufwelchen die Ladestation (3) symmetrisch jeweils die Hälfte derLadenennspan- nung (Uc) zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial (HV+)und dem Schutzleiter(PE)unddieHälfte derLadenennspannung (Uc) zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial(HV-) und dem Schutzleiter(PE)bereitstellt,
- Angleichen einer Spannung zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(HVP) und dem Schutzleiter(PE)an die halbe Lade- nennspannung (Uc) durch gesteuertes Ableiten eines Ableitstroms (Id) zwischen einem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter(PE),
- elektrisches Verbinden des ersten stationsseitigen Hochvoltpotenziai (HV+) mit dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenziai(HVP) und elektrisches Verbinden des zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenziai (HV-)miteinem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenziai(HVN),wobei die Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenziai (HV-)und dem Schutzleiter(PE)aufeineSpannungzwischen dem zwei- ten batterieseitigen Hochvoltpotenziai(HVN)und dem Schutzleiter(PE) aufwärtsgewandeltwird,um elektrische Energie von derLadestation (3) in die Hochvoltbatterie (2)zu übertragen,und
- Steuern des Ableitstroms (Id) mitels einer Widerstandsregelung eines funktionalzwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenziai(HVP) und dem Schutzleiter(PE)wirkenden Ableitwiderstands (10). , Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dassi eine Spannung (Um)zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP)und dem Schutzleiter(PE)gemessenwird und derzudieserSpannung (Um)gehörende Ableitstrom (Id)gemessen wird und hieraus ein Sollwider- stand (Rs)fürdieWiderstandsregelung desAbleitwiderstands(10)berechnet wird. Verfahren gemäßdem vorhergehendenAnspruch, dadurch gekennzeichnet,dass derSollwiderstand (Rs)desAbleitwiderstands(10)nach einem Abklingen ei- nestransienten Einschwingvorgangs zu Beginn derLadeenergieübertragung, nachdem ein im Wesentlichen stabilerEnergieübertragungszustand erreicht ist,aus dergemessenen Spannung (Um)und dem gemessenen Ableitstrom (Im)berechnetwird und beidernachfolgenden Steuerung des Ableitstroms (Id)konstantgehalten wird. Verfahren gemäß einem derbeiden vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet,dass ein Isolationswiderstand (RisoP, RisoN)zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE)und/oderzwischendem zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE) mittelseinerIsolationsüberwachungseinrichtung (9)ermitteltund überwacht wird,wobeiderIsolationsüberwachungseinrichtung (9)derberechnete Ab- leitwiderständ (Rs)bereitgestelltwird,um einen sich aus dem Isolationswi- derstand (RisoP,RisoN)und dem Ableitwiderstand (R)zusammensetzendenGe- samtisolatioriswiderstandzu bestimmen. Verfahren gemäßeinem derdreivorhergehendenAnsprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die gemessene Spannung (Um)zwischen dem ersten batterieseitigen Hoch- voltpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE)vorderBerechnung desSoll- widerstands (Rs)mitelseinesTiefpassfilters(17)gefiltert wird, Verfahren gemäß dem vorhergehendenAnspruch, dadurch gekennzeichnet,dass derTiefpassfilter (17)wahlweise mit einerersten Grenzfrequenz (fG1) und einer zweiten Grenzfrequenz (fG2) betrieben wird, wobei die erste Grenzfrequenz(fG1)größeristalsdiezweiteGrenzfrequenz(fG2)undderTief- passfilter(17)mitderersten Grenzfrequenz(fG1)während einestransienten Einschwingvorgangs zu Beginn der Energieübertragung betrieben wird und der Tiefpassfilter(17) mit derzweiten Grenzfrequenz (fG2) betrieben wird, nachdem ein Im Wesentlichen stabilerEnergieübertragungszustand erreicht ist. Verfahrengemäß einem dervorhergehendenAnsprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Widerstandsregelung eine Widerstandsdriftkompensation (21)aufweist, die eine schieichende Widerstandsveränderung (22)eines Isolationswider- stands (RisoP,RisoN)zwischen dem ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial (HVP) und dem Schutzleiter(PE)und/oderzwischen dem zweiten batterie- seitigen Hochvoltpotenzial(HVP)unddem Schutzleiter(PE)automatischaus- gleicht. Verfahren gemäßeinem dervorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet,dass derAbleitstrom (Id)mittelseinesTransistors(11)ineinem linearen Betriebs- bereich gesteuertwird. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurchgekennzeichnet,dass derTransistor(11)beiAuftreten einerÜberspannung zwischen einem den Ableitstrom (Id) aufnehmenden Eingangsanschluss und einem den Ableit- strom (Id) abgebenden Ausgangsanschluss mittels einer Klemmschaltung (14)kurzgeschlossen wird. Verfahren gemäß einem dervorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet,dass die Widerstandsregelung mittels einer digitalen Verarbeitungseinheit (pG) ausgeführtwird. Vorrichtung (1)zum Laden einerHochvoltbatterie (2),insbesondere Hoch- voltbatterie einesElektrofahrzeugs,miteinerBatterienennspannung (Ubat)an einerLadestation (3)miteinerLadenennspannung (Uc),die kleineristalsdie Batterienennspannung (Ubat),aufweisend:
- einen batterieseitigen Schutzleiteranschluss (5)zum Verbinden mitei- nem stationsseitigen Schutzleiteranschluss,um beieinerVerbindung ei- nen gemeinsamen Schutzleiter (PE) dazwischen auszubilden,bezogen aufwelchen die Ladestation (3)symmetrisch jeweils die Hälfte derLa- denennspannung (Uc)zwischen einem ersten stationsseitigen Hochvolt- potenzial(HV+)und dem Schutzleiter(PE)unddieHälftederLadenenn- spannung (Uc)zwischen einem zweiten stationsseitigen Hochvoltpoten- zial(HV-)und dem Schutzleiter(PE)bereitstellt,
- einen ersten batterieseitigen,mit einem ersten batterieseitigen Hoch- voitpotenzial(HVP)verbundenen Ladeanschluss (6)zum Verbinden mit dem ersten stationsseitigen Hochvoltpotenzial(HV+),
- einenzweitenbatterieseitigen,miteinem zweiten batterieseitigen Hoch- voltpotenzial(HVN)verbundenen Ladeanschluss (7)zum Verbinden mit dem zweiten stationsseitigen Hochvoltpotenzial(HV-),
- einen Aufwärtswandler(8),um eine Spannung zwischen dem zweiten stationsseitigen Hochvoitpotenzial(HV-)und dem Schutzleiter(PE)auf eineSpannungzwischendem zweiten batterieseitigen Hochvoitpotenzial (HVN)und dem Schutzleiter(PE)zu wandeln,und
- eine Steuereinrichtung (μC),die eingerichtetist,ein Verfahren nach ei- nem dervorhergehendenAnsprücheauszuführen,um durchgesteuertes AbleiteneinesAbleitstroms(Id)mittelseinerWiderstandsregelung eines funktionalzwischendem ersten batterieseitigen Hochvoitpotenzial(HVP) und dem Schutzleiter(PE)wirkendenAbleitwiderstands(10)eine Span- nungzwischendem ersten batterieseitigenHochvoitpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE)an die halbe Ladenennspannung derLadestation (3)anzugleichen. Vorrichtung gemäßAnspruch 11, gekennzeichnetdurch eineIsolationsüberwachungseinrichtung (9)zurErmittlungundÜberwachung einesIsolationswiderstands(RisoP,RisoN)zwischendem ersten batterieseitigen Hochvoitpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE)und/oderzwischen dem zweiten baterieseitigen Hochvoitpotenzial(HVP)und dem Schutzleiter(PE). Vorrichtung gemäßAnspruch 11oder12, gekennzeichnetduroh einen in einem Linearbereich betreibbarenTransistor(11)zurSteuerung des Ableitstroms(Id). Vorrichtung gemäß dem vorhergehendenAnspruch, gekennzeichnetdurch eine Klemmschaltung (14),die ausgebildetist,beiAuftreteneinerÜberspan- nung zwischen einem denAbleitstrom (Id)aufnehmenden Eingangsanschluss desTransistors(11)und einem denAbleitstrom (Id)abgebenden Ausgangs- anschlussdesTransistors(11)den Eingangsanschlussund den Ausgangsan- schlusskurzzuschließen. Vorrichtunggemäß einem derbeiden vorhergehendenAnsprüche, gekennzeichnetdurch ein steuerbares Schaltelement (16) zum wahlweisen galvanischen Trennen des Transistors (11) vom ersten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(HVP) und/odervom zweiten batterieseitigen Hochvoltpotenzial(HVN).
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