WO2023144002A1 - ÜBERWACHTES LADEVERFAHREN UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON LADESTATIONSSEITIGEN ÜBERSPANNUNGSSCHUTZMAßNAHMEN - Google Patents

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WO2023144002A1
WO2023144002A1 PCT/EP2023/051233 EP2023051233W WO2023144002A1 WO 2023144002 A1 WO2023144002 A1 WO 2023144002A1 EP 2023051233 W EP2023051233 W EP 2023051233W WO 2023144002 A1 WO2023144002 A1 WO 2023144002A1
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voltage
charging
signal
voltage source
converter
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Franz Pfeilschifter
Martin GÖTZENBERGER
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Vitesco Technologies GmbH
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    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/041—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using a short-circuiting device

Definitions

  • the electric drive and the accumulator are designed for nominal voltages in the high-voltage range, i.e. for voltages well over 60V.
  • 400V systems for vehicles there are now also 800V systems for vehicles.
  • 800V systems for vehicles There are also corresponding charging stations that are designed according to charging standards.
  • One of these standards is the CHAdeMO standard, with versions of this standard providing charging voltages of up to 500V DC.
  • charging standards such as the CHAdeMO charging standard provide safety measures on the charging station side, which can become problematic if a charging station emits a first DC voltage for charging in order to charge an accumulator in the vehicle with a second, higher DC voltage than the first DC voltage. if an insulation fault of a high-voltage potential (the second DC voltage) with respect to ground occurs.
  • CHAdeMo charging stations in particular have overvoltage protection elements in accordance with the 1.0 and 2.0 standards in the form of varistors, by means of which the high-voltage potentials are protected against ground. These begin to conduct at a threshold voltage or at a voltage value that is above the maximum charging voltage, for example if an excessive voltage occurs with respect to ground due to a fault or a lightning strike.
  • the checking step provides whether the charging voltage source has overvoltage protection, which includes a voltage limiting element that is provided between a charging voltage potential and a ground potential of the charging voltage source and is set up to go into a conductive state from a voltage (threshold voltage) below the nominal voltage. This is also referred to as critical overvoltage protection, particularly since it becomes active when a ground insulation fault occurs in a connected vehicle whose vehicle electrical system has a voltage rating greater than a tripping voltage of the overvoltage protection.
  • the verification step can be skipped because the error mentioned above cannot occur regardless of the existence of overvoltage protection at the charging station. Even in the case of a one-sided insulation fault, no voltage can be applied to the charging station from the vehicle that would trigger the overvoltage protection (that is, put the voltage limiting element into the active state), since the voltage is too low for this.
  • the checking step thus detects whether a voltage limiting element is provided on the charging station side, which could become conductive if a corresponding voltage occurs at the charging station due to an insulation fault on the vehicle side (ie a voltage of a high-voltage potential with respect to ground). Since a charging standard such as the CHAdeMO charging standard defines corresponding voltage limiting elements, it is therefore possible to only base the check on the standard according to which the charging station is constructed in order to conclude whether a critical voltage limiting element is present. If this is the case, provision can be made to suppress the at least one DC voltage charging mode.
  • This DC voltage charging mode is in particular a direct charging mode that can be used, for example, when a battery is heavily discharged and the maximum charging voltage is suitable for charging the accumulator.
  • the DC charging mode can also be a mode in which a galvanically non-isolating converter is used to transfer the charging power from the charging station to the on-vehicle storage battery.
  • the transmission of the DC voltage is preferably aborted by triggering the fuse, in particular the pyro fuse or the isolating switch, when the comparison shows that the deviation is greater than the specified tolerance value, provided this deviation is present for a specified period of time.
  • the pyro fuse is to be interpreted here as a switch, since it can be opened like a switch by means of signal activation.
  • the termination is carried out if the comparison shows that the deviation is greater than the specified tolerance value, and after this comparison on further comparison step is carried out (for plausibility checking), this step showing that the deviation is greater than the specified tolerance value even after the specified period of time has elapsed.
  • the transmission of the DC voltage is only aborted by the fuse, the pyro fuse or the isolating switch being triggered if, after a debounce period (corresponding to the specified period of time), the comparison shows that the deviation is greater than the specified tolerance value. It can be specified that only the charging circuit is switched off or a switch that can be closed again is opened if the comparison shows that the deviation is greater than a specified error limit, but the pyrofuse is not triggered immediately when this error limit is reached.
  • At least one isolating switch or a pyro fuse is only tripped when not only the error limit but also the tolerance value (greater than the error limit) is exceeded by the deviation, in particular for the specified debouncing period. Pyro fuses are therefore only triggered if a tolerance value (and not just a smaller error limit) is exceeded.
  • the error limit indicates when an error is detected that will lead to the above-mentioned activation of the overvoltage protection, and the tolerance value indicates when there is also an actual danger for the user (due to a possible touch current that is above a permissible limit, i.e. which may be dangerous to a human).
  • the charging circuit has a DC voltage conductor connection with two contacts that have a different polarity.
  • the first contact is connected to a tie point via a fuse.
  • the fuse is an electrical fuse or a fuse or can be designed as a pyro fuse.
  • the first contact is connected to a tie point via this fuse.
  • a first, direct, converter-free charging path follows at the connection point. This has a switch over which the node with a first battery terminal of the charging circuit is connected. If the switch is open, no current can flow in the first charging path.
  • a second loading path connects to the connection point. This has a voltage converter. The second charging path is thus set up to transmit power in a voltage-converting manner via the voltage converter.
  • the node is connected to a second battery connection of the charging circuit via the second charging path.
  • the voltage converter has at least one switch of an inverter as the working switch and at least one winding as the working inductance, as noted above in the context of the method.
  • This is part of an electrical machine that is controlled by the inverter.
  • the inverter and the electric machine can be used for two functions, namely for driving or for recuperation on the one hand and for converting voltage on the other.
  • a corresponding control device can be provided, which is connected to the inverter in a driving manner in order to selectively carry out one of the two functions mentioned.
  • the second contact of the DC voltage connection is preferably connected to a second battery connection of the charging circuit via a diode.
  • the forward direction of the diode is intended to enable a current flow from the second battery connection to the second contact. If the second contact has the negative polarity and the first contact has the positive polarity of the DC voltage charging connection, then the forward direction of the diode points towards the DC voltage charging connection. In other words, the blocking direction of the diode then points away from the DC voltage and the DC voltage connection. If the second contact is associated with the positive polarity, then the forward direction of the diode points away from the second contact or from the DC voltage charging connection, and the reverse direction points towards the DC voltage charging connection.
  • Has control device which is connected to the switch driving.
  • the control device is also connected in a driving manner to at least one switch, via which at least one of the two battery connections is connected. If the battery terminals are each connected via a switch (to the remaining circuitry), then both battery terminals are each connected via a switch to the remaining circuitry. In this case, a switch can be provided between a first battery connection and a point at which the two charging paths meet again. Another switch can be provided between the second battery terminal and the diode.
  • the control device can also be connected to the voltage converter in a driving manner.
  • the control device is preferably designed to carry out the checking step and, depending on the result of the checking step, to selectively transmit the switches and the DC-DC converter or to control them to prevent a transmission.
  • the control device is thus designed to implement at least two states by means of the switches and the DC-DC converter, namely the transmission as the first state and the suppression of the transmission as the second state.
  • a charging station which is permanently installed and which is in particular connected to a supply network can serve as the charging voltage source. Furthermore, another vehicle that is used to charge the traction battery described here can also serve as a charging voltage source.
  • the checking step provides, in particular, that a signal is received which reflects whether or not the said overvoltage protection (which becomes active below 500 V or becomes conductive with respect to ground) is present in the charging voltage source. Since this is linked in particular to the charging standard according to which the charging voltage source is designed, the signal can reflect the charging standard according to which the charging voltage source is designed. From this it can be concluded whether the charging voltage source has the above-mentioned overvoltage protection or not. In particular, the signal can indicate whether or not the charging voltage source is designed according to a CHAdeMO standard 2.0 or below.
  • CHideMO standard 2.0 or below refers to a CHAdeMO standard that provides for overvoltage protection (relating to the voltage between a charging voltage potential and ground) on the part of the charging voltage source, which becomes active from a voltage (threshold voltage) of approx. 500 V, in particular at a voltage (threshold voltage) of below 800 V, 700 V or 600 V.
  • overvoltage protection becomes conductive when the relevant voltage (threshold voltage) is reached and, in particular, provides a conductive path between a high-voltage potential and ground.
  • a control device or another device can be provided on the part of the vehicle network, which is set up to receive a corresponding signal and evaluate it accordingly.
  • the at least one DC voltage mode is suppressed.
  • direct voltage is transmitted from the charging voltage source to the traction accumulator in said direct voltage mode.
  • the charging circuit can have a signal receiver. This is set up (for example by implementing a corresponding data transmission protocol) to receive the signal which characterizes the standard according to which the charging station is designed.
  • a control unit can be provided to receive this signal from the signal receiver and to evaluate whether the signal identifies a charging standard that provides overvoltage protection with a voltage limiting element for the charging station.
  • the signal receiver can be wireless or wired.
  • the signal receiver and the control unit can be designed as a common device.
  • test signal can be designed to trigger a voltage limiting element (ie put it into the conductive state) in order to use a corresponding signal response to the test signal to determine whether there is overvoltage protection with a voltage limiting element or not.
  • the test signal can also be in the form of a signal for actively measuring the impedance of the charging voltage source in order to determine the impedance using a corresponding signal response to the test signal in order to determine from the impedance whether overvoltage protection with a voltage limiting element is present or not.
  • the property of conducting from the threshold voltage and the property of having an impedance within an impedance interval that is typical for the voltage limiting element, in particular a capacitance within a typical capacitance interval, are suitable as properties of the voltage limiting element.
  • Another electrical property specific to the voltage limiting element can also be determined. If the property is present, then an existing voltage limiting element is inferred. If the determination shows that the property is not present, then it is concluded that no (potentially critical) voltage limiting element is present in the charging station.
  • the resulting signal response is detected as a current flow (above a predetermined current threshold).
  • the current flow is the result of the test voltage that is applied to the voltage-limiting element, which is thereby switched to the conductive state.
  • the polarity of the test voltage and the charging voltage potentials is taken into account; in particular, the magnitude of the test voltage to be applied is greater than the magnitude of the threshold voltage. This captures the ability of the voltage limiting element (if present) to conduct when a voltage above the current threshold is applied to that element.
  • the test voltage can come from the traction battery or a DC-DC converter connected to it; the test signal generator can be connected to these.
  • an excitation signal for impedance measurement can be applied as a test signal.
  • a suitable excitation signal is an alternating voltage (or alternating current) signal with a frequency component, with several frequency components simultaneously (e.g. noise) or with a frequency component whose frequency changes over time (“sweeping”).
  • the resulting signal response is detected as a signal that characterizes an impedance of the charging voltage source, in particular with reference to the test signal.
  • the signal response can be recorded as a current signal.
  • an AC signal as the excitation signal the signal response can be recorded as a voltage signal.
  • the test voltage is preferably applied with a current limitation, so that only a limited current flows when the voltage-limiting element is conductive.
  • the current limitation of the test signal can be provided in a simple manner by means of a preferably switchable series resistor (current-limiting resistor connected in series) or by appropriate control of the DC-DC converter in order to generate a test signal with a limited current intensity.
  • the test signal can be limited to a maximum current of no more than 1 A, 100 mA, 10 mA or 1 mA.
  • the series resistor (current-limiting resistor) can be provided as a switchable resistor, in particular as a series connection of a resistance element and a switch. The switch is preferably temporarily closed (in the verification step).
  • a test signal generator (for example in a charging circuit) can be provided on the vehicle side. This is set up to generate the test signal.
  • the test signal generator is preferably (on the output side) connected to the charging voltage potential and the ground potential. This serves to apply the test signal to these potentials.
  • the test signal generator can be connected (in particular on the input side) to the traction accumulator, to a DC-DC converter connected thereto, or to a low-voltage source.
  • a detection device can be provided which is set up to detect the signal response generated by the test signal. The detection device can be connected on the input side to the charging voltage potential and/or the ground potential, preferably in a signal-transmitting manner or via a voltage divider or via a capacitive coupling.
  • the test signal generator and the detection device together preferably form a detection module for actively detecting or measuring an electrical property of the voltage-limiting element.
  • the control device can be connected downstream of the detection device or the detection module or can be part of it or of a common device.
  • the on-board charging circuit via which the DC voltage is transmitted, has a first, direct and converter-free path, and a second charging path.
  • the second charging path leads via a voltage converter.
  • This can be designed as a dedicated voltage converter, or can be formed by windings of an electrical machine as the working inductance of the voltage converter and as the switch of the inverter as the working switch of the voltage converter, with the inverter and windings belonging to a vehicle drive, in particular a traction drive.
  • the windings are in particular windings of an electric machine of the electric drive of the vehicle, in particular the stator.
  • the method preferably provides that it is selected whether the transmission takes place via the first loading path or via the second loading path. This applies to the transmission from the charging voltage source to the traction battery or the transmission of the DC voltage via the vehicle's charging circuit.
  • the step of selecting can provide that the first or the second path is provided depending on the state of charge or on the terminal voltage of the traction battery that is to be charged. If the difference between the charging voltage and the traction battery voltage is greater than a specified margin, then the second charging path is selected, since this has the voltage converter via which the voltage can be adjusted. If the difference is smaller, then the first (direct) loading path can be selected.
  • the voltage converter used according to the method is in particular a DC voltage converter, preferably a step-up converter, although other types of converters can also be considered.
  • the voltage converter can have at least one dedicated working switch and at least one dedicated working inductance as converter elements and be set up to bring about the conversion by clocking the working switch together with the inductance.
  • the working switch and working inductance only have the task of converting the voltage and are in particular not set up to implement functions within a drive or within the traction drive of the vehicle.
  • a switch of an inverter is used to represent the converter, in particular a working switch of the converter used, in which case one or more switches of the inverter can be used.
  • a winding of the electrical machine in particular the electrical machine of the traction drive, can be used as the working inductance.
  • Both inverter switches can be used as working switches and at least one winding of the electrical machine can be used as working inductance. This allows the representation of a converter without dedicated power elements.
  • the control of the inverter is also designed to control it together with the working inductance as a converter.
  • a corresponding control device or inverter control would therefore have two functions, namely the control of the inverter to generate a rotary field in the electrical machine and the control of at least one switch of the inverter as the operating switch of the voltage converter.
  • a further aspect of the procedure described here is insulation monitoring, in which the degree of symmetry of the charging voltage potentials with respect to a ground potential is determined.
  • the charging voltage potentials are electrically isolated from the ground potential in error-free operation. If the insulation is approximately the same, there is also a symmetry of the charging voltage potential over the ground potential. With charging voltage potentials of + and - 400 V (that is, with a charging voltage of 800 V), the ground potential would be around 0 V, since the ground potential should have approximately the same insulation resistance compared to the two charging voltage potentials. If there is an insulation fault in one of the charging voltage potentials relative to the ground potential, then the ground potential is shifted relative to the charging voltage potential.
  • the voltage between the incorrectly isolated charging voltage potential and the ground potential is significantly lower than in error-free operation. Due to the insulation fault, the charging voltage potential in question is drawn to ground potential, so that there is a very low voltage between them, i.e. significantly less than half the charging voltage. while the voltage between the insulation-fault-free charging voltage potential and the ground potential is significantly higher than half the charging voltage, and in particular can be close to the entire charging voltage.
  • This high voltage between the insulation fault-free charging voltage potential and the ground potential then triggers the overvoltage protection on the part of the charging voltage source if the voltage (threshold voltage) at which the overvoltage protection is activated is lower than the charging voltage.
  • This asymmetry can be detected by comparing (the amount of) the voltage difference of a charging voltage potential compared to the ground potential with a predetermined nominal value. If the magnitude of the voltage difference (in the positive or negative direction) deviates from the nominal value by more than a specified safety margin, this corresponds to the detected asymmetry, as a result of which the insulation fault can be detected.
  • the nominal value can be 400 V (or more than half of the charging voltage, around 500 V), with an asymmetry occurring when the voltage between the charging voltage potential and the ground potential is significantly lower than the nominal value (where then the charging voltage potential in question is faulty), or if the voltage in question is significantly greater than the nominal value, in which case the other charging voltage potential then has the insulation fault.
  • the absolute value of the voltage difference between a charging voltage potential and the ground potential can be compared with the voltage difference between the other charging voltage potential and the ground potential, in order thereby to record the asymmetry directly.
  • An insulation error signal is emitted if the comparison shows that there is a deviation that is greater than a specified error limit or safety margin. Otherwise, no insulation error signal is output or a signal that indicates that there is no insulation error.
  • the voltage converter is switched off if the comparison shows that the deviation is greater than a predetermined one margin of error is.
  • the voltage converter can be shut down by setting its work switch to a permanently open state. This prevents the converter from continuing to work and emitting converted DC voltage if an insulation fault is present.
  • This error limit corresponds to a deviation that suggests that a dangerously high touch voltage may be present, i.e. a touch voltage may be present on the chassis of the vehicle that is not permitted under a high-voltage safety standard.
  • Another aspect is that when a small deviation is detected, the charging or the transmission of DC voltage is continued or at least one charging mode remains permitted, and that the transmission of DC voltage is interrupted or prevented if there is a greater deviation, as described above.
  • a tolerance value is used, below which no hazard is to be assumed and above which a possible hazard is assumed.
  • a safety distance can be provided between the tolerance value and the previously mentioned error limit. If the deviation is not greater than the tolerance value, then an insulation warning signal can be issued, which indicates that the insulation should be checked, but includes the fact that there is no dangerous insulation fault.
  • an error signal is preferably emitted which indicates a critical insulation error and which includes aborting the transmission process as part of the charging process.
  • a fuse in particular a pyro fuse
  • a circuit breaker can be triggered, in particular by opening the circuit breaker. This disconnection is therefore preferably only triggered if the deviation indicates an actually dangerous contact voltage, or that there may be a touch voltage on the vehicle chassis that is not permitted under a high-voltage safety standard.
  • FIG. 1 serves to explain exemplary embodiments of the procedure described here.
  • FIG. 1 shows an exemplary on-board charging circuit with battery connections B+, B-, which are connected to a battery circuit.
  • the battery circuit includes two series-connected batteries B1, B2 (each designed as a high-voltage accumulator), which are connected to one another via a circuit breaker device, which is designed in particular as a pyro fuse.
  • the battery circuit can generally have two accumulators (high-voltage accumulators) which are connected in series, with a pyro fuse, generally a fuse or an isolating switch also being connected in series.
  • the two accumulators can be directly connected in series with one another, in which case a circuit breaker, a fuse or, in particular, a pyro fuse can be connected (in series), so that the resulting series connection is then connected to the battery terminals. Positioning in the middle between the two high-voltage accumulators is shown.
  • a first battery connection B+ and a second battery connection B- are connected to the battery circuit (B1, SB, B2).
  • the polarity results from the reference numbers.
  • a switch S5, which represents the connection to the further charging circuit, is optionally connected in series to the first battery connection B+.
  • Another optional switch S6 connects the second battery terminal B- to the remaining charging circuit.
  • a current measuring device 1 can be provided between the second battery connection B ⁇ and the switch S6. This measuring device can also be located directly after switch S6.
  • the switches S5 and S6 shown are used for the controlled connection of the two battery connections B+, B- to an inverter I, which acts as a traction inverter is formed, and has three half-bridges. Each of these half-bridges has an intermediate point, this intermediate point serving as a phase connection for three windings W of an electrical machine. Also shown are three current measuring devices 2, 3, 4, which are provided between the electrical machine or the windings W of the electrical machine and the phase connections of the inverter I.
  • the windings W are connected to one another in a star point connection, with a switch S3 being connected to the star point.
  • Inverter I has two DC terminals connected to the positive and negative rails, respectively.
  • a positive DC voltage terminal of the inverter I is connected to a potential rail which connects the switch S5 (leading to the first battery terminal B+) to a switch S2.
  • a second DC voltage connection of the inverter I is connected to a potential rail (a negative potential rail) which connects the switch S6 or the second battery connection B- to a diode D on the one hand and to a switch S1 on the other.
  • the diode D is connected in series with a switch S4.
  • a switched diode circuit with the diode D and the switch S4 results.
  • the switch S1 is connected in parallel with this diode circuit.
  • the switch S1 bridges the diode circuit in the closed state.
  • the switch S1 can be closed. There is then the possibility of energy being fed back from the battery connection B+, B- to the illustrated contacts K+, K- of a DC voltage charging connection.
  • a second (negative) contact K- is provided on the side of the diode circuit D, S4 or on the side of the switch S1 that faces away from the inverter or that faces away from the second battery connection B-.
  • This belongs to a DC voltage charging connection, which also has a first (positive) contact K+.
  • the first contact K+ is connected to a connection point V via an (optional) fuse F1.
  • the fuse S1 is an additional fuse executed, but can be designed as an electronic fuse or pyro fuse.
  • connection point V which is connected to the star point of the windings W via the switch S3, is also connected via the switch S2 to the positive potential rail, which leads to the positive battery connection B+ or to the switch S5.
  • the switches S5 and S6 thus form all-pole isolating switches on the part of the charging circuit for controlled disconnection of the battery connections B+, B-.
  • the switch SB (designed in particular as a pyro fuse) is part of the battery circuit, which is connected to the battery terminals. This also applies to separating the battery circuit or the batteries B1 and B2, so that when the battery is open, no potential can be present that results from the sum of the two voltages of the batteries B1 and B2.
  • connection point V From the connection point V (seen from the first contact K+) there is a first direct charging path via the switch S2 (and via the optional switch S5) to the first battery connection B+. This charging path is converter-free.
  • a second charging path also leads via the (optional) switch S3, the windings W and the inverter I to the battery terminals (B+). Since at least one of the windings W can form a voltage converter together with at least one of the switches I or together with a half-bridge of the inverter I, the second charging path has a voltage converter.
  • a control unit C is set up to control the switches of the inverter I so as to provide the DC/DC conversion function for the second charging path.
  • the connection point V is protected against the first contact K+ of the DC voltage charging connection via the fuse F1. Alternatively or in combination with this, this can also be connected upstream of the second contact K-.
  • the contacts K+, K- of the DC voltage charging connection form the end of the charging circuit opposite the battery connections B+, B-. Therewith form B+, B- on the one hand and K+, K- on the other hand the two ends of the charging circuit.
  • a voltage source SQ is connected to a charging circuit via the contacts K+, K-. This is connected via optional switching elements S7, S8 provided for all poles.
  • the voltage source SQ is a charging voltage source and is formed in particular by a DC voltage charging station or by a vehicle which supplies charging energy.
  • the switches S7, S8 are used for the intrinsic protection of this voltage source SQ.
  • the control unit C is also connected to the switches of the charging circuit and optionally also to the isolating switch of the battery circuit (B1, SB, B2) in a driving manner.
  • the control unit C is set up to detect whether the voltage source SQ has overvoltage protection that is designed or set up to conduct current if a voltage occurs at one of the contacts K+, K- with respect to a ground potential that is the sum of the nominal voltages (or minimum operating voltages) of the accumulators B1 and B2. If this is the case or if the verification step comes to the conclusion that this is the case, then the control device C is set up to trigger or open at least one of the switches S1, S2, S4, S5, S6 or SB or is set up to Open at least one of these switches to prevent at least one DC charging mode. Switch S3 can also be opened here.
  • At least one further of these switches can be opened if, in addition, a current flow that is above a (predetermined) error limit is determined on the basis of the overvoltage protection. This characterizes a current value from which the present error is detected based on the current flow.
  • one of the switches mentioned is designed as a switch that can only be opened once, for example as a pyro fuse, then this is preferably only opened if the above-mentioned conditions are met and if a current flowing due to the overvoltage protection (through element E) is determined, which is above a tolerance value.
  • This tolerance value is greater than the error limit.
  • the tolerance value indicates the threshold above which the current flow can become dangerous for a person.
  • the error limit indicates at which current flow an error associated with a current flow due to the overvoltage protection of the charging station is detected and is lower than the tolerance value. Thus, when the tolerance value is exceeded, another switch can be opened, which is not opened when the error limit is exceeded.
  • the control device C is designed to drive the switches of the inverter in the open state when it is detected that the charging voltage source has overvoltage protection that includes a voltage limiting element E that is provided and set up between a charging voltage potential and a ground potential GND of the charging voltage source SQ is to switch to a conductive state from a voltage (threshold voltage) below the nominal voltage.
  • the control device C can have a signal input or a receiving device, by means of which information can be transmitted to the control device C, which reflects whether the charging voltage source SQ has overvoltage protection (or is connected to it), which includes a voltage limiting element E, which is set up to become conductive at a voltage (threshold voltage) below the nominal voltage.
  • the nominal voltage of the entire battery circuit is referred to as the nominal voltage, that is to say the sum of the nominal voltages of the accumulators B1 and B2.
  • the signal receiver EM is designed a Receive signal RA that corresponds to the information or indicates whether the charging voltage source (charging station) is designed according to a CHAdeMO standard 2.0 or below or not (or according to which standard the charging voltage source or charging station is designed.
  • test signal generator T which has an input I, which is connected on the one hand to a potential of the traction accumulators B1, B2 or the battery terminals B+, B- or an (output) potential of the voltage converter I, W (charging voltage potential), and on the other hand to is connected to the ground potential GND.
  • the test signal generator T applies the test signal TS to these two potentials.
  • the test signal generator TG can correspond to a serially connected current-limiting resistor, in particular between the potential corresponding to B+, B- or the (output) potential of the voltage converter and point V.
  • the test signal generator TG or its Input I be connected to a charging voltage potential (of the accumulators or the DC-DC converter).
  • An output 0 of the test signal generator TG can be connected in particular via a detection device M to one of the contacts K+ or K ⁇ (or to the point V). If the detection device M is an ammeter, then this can detect whether the application of the test signal leads to a (direct) current flow or not.
  • test signal generator TG generates a voltage above the threshold voltage of the element E. It can also be provided a test signal generator TG, which is suitable for a test signal Impedance measurement outputs, wherein a measuring device detects the signal response.
  • the control unit C or another unit (T, M, 7) can be set up for impedance determination and evaluation based on the signal response (and possibly the test signal) in order to determine whether there is an impedance specific to the element E, or not.
  • the test signal generator TG can be a low-voltage device (operating voltage ⁇ 60 V) and can in particular have a voltage supply input I, which is designed for a supply voltage ⁇ 60 V.
  • control unit C determines that there is no voltage limiting element E or such overvoltage protection in the connected charging energy source (i.e. the circuit to the right of the contacts K+, K-), then the control unit C is set up, the switches S5, S6, S2 , S7, S8, S4 and/or S1 to close to enable a DC charging mode.
  • the transmission is suppressed by opening the switch S1, which is connected in parallel to the switched diode circuit (series circuit of diode D and switch S4).
  • the following method is carried out if it is detected in the checking step that the charging voltage source does not have overvoltage protection: checking whether there is an insulation fault with respect to a ground potential, in particular in the charging circuit. If it is detected that only one of the two HV potentials (B+ or K+ or B- or K-) is affected by the insulation fault, then the opposite HV potential, which is not affected by the insulation fault, takes on the full HV potential with respect to ground. If such a potential shift is detected, then an insulation fault is assumed. An insulation fault can also be detected by detecting a current flow (for example by means of a current measuring device 1) which is above the fault limit in particular. If an insulation fault is detected when using the second charging path or if it is generally recognized that there is a fault in the second charging path, then the converter is switched to inactive by the control device opening all switches of the inverter or keeping them in the open state.
  • the specified limit value can be, in particular, the continuous current carrying capacity of the grounding conductor used.
  • the limit value can correspond to the tolerance limit.
  • the set limit may correspond to a limit touch current value of a high voltage charging standard, such as 100 mA, 40 mA, 20 mA, or 10 mA DC. In particular, this can be carried out by detecting the current which flows via one of the two battery connections B+, B-. In particular, the current measuring device 1 can be used to determine whether or not the current flowing due to the insulation fault is above the specified limit value.
  • the switch SB of the battery circuit is actuated to open, in particular by the control unit C. If this is a pyro fuse, then this is then only ignited by the control unit C if the fault current even with an inactive DC/DC converter I, W is greater than a specified limit.
  • This limit value can correspond to the tolerance value mentioned at the outset (or the specified error limit).
  • a pyro fuse or another switch that can no longer be closed in the circuit shown is not always opened when there is an insulation fault or when there is critical overvoltage protection, but only when the fault current is greater than a limit value, despite the voltage transformer being switched off reflects from which the touch current is dangerous for humans.
  • This can be defined by a limit set out in the standard, specifically minus a safety margin.

Abstract

Es wird ein überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren zum Aufladen eines fahrzeugseitigen Traktionsakkumulators (B1, B2) über eine fahrzeugseitige Ladeschaltung mittels einer fahrzeugexternen Ladespannungsquelle (SQ) beschrieben. Der Traktionsakkumulator (B1, B2) weist eine Nennspannung von mindestens 500 V auf. Zunächst wird in einem Überprüfungsschritt erfasst, ob die Ladespannungsquelle (SQ) einen Überspannungsschutz aufweist, der ein Spannungsbegrenzungselement (E) umfasst, das zwischen einem Ladespannungspotential und einem Massepotential der Ladespannungsquelle (SQ) vorgesehen ist und eingerichtet ist, ab einer Spannung unterhalb der Nennspannung in einen leitfähigen Zustand überzugehen. Es wird Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1, B2) wird, wenn im Überprüfungsschritt erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) nicht aufweist. Es wird zumindest ein Gleichspannungslademodus zur Übertragung von Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1, B2) unterbunden, wenn im Überprüfungsschritt erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) aufweist. Ferner wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung beschrieben, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Überwachtes Ladeverfahren unter Berücksichtigung von ladestationsseitigen Überspannungsschutzmaßnahmen
Es ist bekannt, Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb auszustatten. Um den fahrzeugseitigen Speicher in Form eines Akkumulators zu laden, sind Ladestationen vorgesehen, die über ein Kabel mit dem Fahrzeug verbunden werden.
Aufgrund der hohen erforderlichen Ladeleistung bzw. Traktionsleistung sind der elektrische Antrieb und der Akkumulator für Nennspannungen im Hochvoltbereich ausgelegt, das heißt für Spannungen von weit über 60V. Neben 400V-Systemen für Fahrzeuge bestehen inzwischen auch 800V-Systeme für Fahrzeuge. Weiterhin bestehen entsprechende Ladestationen, die gemäß Ladestandards ausgebildet sind. Einer dieser Standards ist der CHAdeMO-Standard, wobei Versionen dieses Standards Ladespannungen von bis zu 500V Gleichspannung vorsehen.
Nachdem nun fahrzeugseitig Akkumulatoren von 800V in zahlreichen Fahrzeugen verwendet werden, jedoch die Ladespannung abhängig vom Standard hiervon abweichen kann, bspw. eine Gleichspannung von 500V als Ladespannung maximal, ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzusehen, mittels der trotz unterschiedlicher Ladespannung ein sicherer Ladebetrieb möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
Es wurde erkannt, dass in Ladestandards wie dem CHAdeMO-Ladestandard ladestationsseitig Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen sind, die problematisch werden können, wenn eine Ladestation zum Laden eine erste Gleichspannung abgibt, um im Fahrzeug einen Akkumulator mit einer zweiten, höheren Gleichspannung als die erste Gleichspannung zu laden, wenn ein Isolationsfehler eines Hochvoltpotentials (der zweiten Gleichspannung) gegenüber Masse auftritt. Dies ergibt sich dadurch, dass insbesondere CHAdeMo-Ladesäulen gemäß dem Standard 1.0 und 2.0 Überspannungsschutzelemente aufweisen in Form von Varistoren mittels denen die Hochvoltpotentiale gegenüber Masse abgesichert sind. Diese beginnen bei einer Schwellenspannung bzw. bei einem Spannungswert, der oberhalb der maximalen Ladespannung liegt, zu leiten, etwa wenn aufgrund eines Fehlers oder eines Blitzeinschlags eine zu hohe Spannung gegenüber Masse auftritt.
Jedoch führen diese Sicherheitsmaßnahmen beim Laden eines Akkumulators mit einer Nennspannung größer als die maximale Ladespannung (insbesondere größer als die Schwellenspannung bzw. als der Spannungswert) dazu, dass etwa bei einem einseitigen Isolationsfehler eines Hochvoltpotentials gegenüber Masse das andere Hochvoltpotentials gegenüber Masse eine derartige Spannung aufweist, die dazu führt, dass die Überspannungsschutzelemente zu leiten beginnen. Dies führt zu einem unerwünschten hohen Stromfluss. Mit anderen Worten entsteht in dem Hochvoltabschnitt, der die zweite Gleichspannung führt, bei einem einseitigen Isolationsfehler gegenüber Masse eine starke Asymmetrie der Potentiale der zweiten Gleichspannung gegenüber Masse, wodurch einseitig eine derart hohe Spannung gegenüber Masse entstehen kann, dass der Überspannungsschutz der Ladestation aktiv (leitend) wird.
Konkret ist dies der Fall, wenn bei einem beispielhaften Gleichspannungssystem, das in fehlerfreiem Zustand gegenüber Masse eine Spannung von +400V bzw. -400V aufweist, bei einem einseitigen Isolationsfehler gegenüber Masse die Spannung mit 0V bzw. 800V vorliegen, sodass diese hohe Spannung von 800V dazu führt, dass der Überspannungsschutz ausgelöst wird.
Die Aktivierung des Überspannungsschutzes führt zu einem hohen Erdungsstrom, wobei aufgrund des niedrigen Innenwiderstands des Akkumulators dieser derart hoch sein kann, dass nicht gewährleistet ist, dass die Erdung intakt bleibt. Dies ist insbesondere der Fall bei Ladestationen, deren Erdungskabel einen relativ geringen Querschnitt aufweist (gegenüber dem Querschnitt der Hochvoltleitungen der Ladestation). Wird daher durch den hohen Stromfluss aufgrund der asymmetrischen Verschiebung (als Resultat eines Isolationsfehlers gegenüber Masse) die Erdung beschädigt, insbesondere bei geringen Erdungsquerschnitten, dann verbleibt das Fahrzeug, in dem ein Isolationsfehler vorliegt, ohne Erdungspotentialanschluss, wodurch gefährlich hohe Berührungspotentiale am Chassis des Fahrzeugs nicht auszuschließen sind und wodurch eine Fehlererkennung fehlerhaft sein kann.
Daher wird vorgeschlagen, dass bei einem Traktionsakkumulator, dessen Nennspannung größer ist als die Spannung (Schwellenspannung), ab der ein Spannungsbegrenzungselement der Ladestationen zu leiten beginnt, das heißt bei einem Traktionsakkumulator mit einer derart hohen Spannung, dass bei einem einseitigen Isolationsfehler eines Hochvoltpotentials gegenüber Masse der Überspannungsschutz der Ladestation greift (und so weitere Gefahren auslösen kann), zunächst überprüft wird, ob die Ladestation einen Überspannungsschutz aufweist, der leitend werden könnte. Ist dies der Fall, dann wird zumindest ein Gleichspannungslademodus aktiv unterbunden. Wird erfasst, dass die Ladestation den Überspannungsschutz nicht aufweist (wodurch das genannte Problem nicht besteht), dann wird dieser Gleichspannungslademodus, der ansonsten unterbunden würde, zugelassen und es wird Gleichspannung gemäß diesem Gleichspannungslademodus übertragen. Der Überprüfungsschritt sieht vor, ob die Ladespannungsquelle einen Überspannungsschutz aufweist, der ein Spannungsbegrenzungselement umfasst, das zwischen einem Ladespannungspotential und einem Massepotential der Ladespannungsquelle vorgesehen ist und eingerichtet ist, ab einer Spannung (Schwellenspannung) unterhalb der Nennspannung in einen leitfähigen Zustand überzugehen. Dies wird auch als kritischer Überspannungsschutz bezeichnet, insbesondere da dieser aktiv wird, wenn ein Erdungs-Isolationsfehler in einem angeschlossenen Fahrzeug auftritt, dessen Bordnetz eine Nennspannung aufweist, die größer als eine Auslösespannung des Überspannungsschutzes ist.
Ist die Nennspannung des Traktionsakkumulators kleiner als die maximale Ladespannung bzw. kleiner als die Schwellenspannung, ab der ein Überspannungsschutz aktiv wird, dann kann der Überprüfungsschritt übersprungen werden, weil unabhängig vom Bestehen eines ladestationsseitigen Überspannungsschutzes nicht der oben genannte Fehler auftreten kann. Selbst bei einem einseitigen Isolationsfehler kann an der Ladestation vom Fahrzeug keine Spannung angelegt werden, die den Überspannungsschutz auslöst (das heißt, das Spannungsbegrenzungselement in aktiven Zustand versetzt), da die Spannung zu gering hierfür ist.
Der Überprüfungsschritt erfasst somit, ob ein Spannungsbegrenzungselement ladestationsseitig vorgesehen ist, das leitend werden könnte, wenn durch einen fahrzeugseitigen Isolationsfehler eine entsprechende Spannung an der Ladestation auftritt (das heißt eine Spannung eines Hochvoltpotentials gegenüber Masse). Da ein Ladestandard wie beispielsweise der CHAdeMO-Ladestandard entsprechende Spannungsbegrenzungselemente definiert, ist es daher möglich, bei der Überprüfung lediglich auf den Standard abzustellen, gemäß dem die Ladestation aufgebaut ist, um hieraus zu schließen, ob ein kritisches Spannungsbegrenzungselement vorliegt. Ist dies der Fall, kann vorgesehen sein den zumindest einen Gleichspannungslademodus zu unterdrücken. Dieser Gleichspannungslademodus ist insbesondere ein Direktlademodus, der bspw. verwendet werden kann, wenn eine Batterie stark entladen ist und die maximale Ladespannung geeignet ist, den Akkumulator zu laden. Zudem kann der Gleichspannungslademodus auch ein Modus sein, bei dem ein galvanisch nicht-trennender Wandler verwendet wird, um die Ladeleistung von der Ladestation an den fahrzeugseitigen Akkumulator zu übertragen.
Vorzugsweise wird die Übertragung der Gleichspannung abgebrochen, indem die Sicherung, insbesondere die Pyrosicherung oder der Trennschalter, ausgelöst wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als der vorgegebene Toleranzwert ist, sofern diese Abweichung für eine vorgegebene Zeitdauer vorliegt. Die Pyrosicherung ist hierin als ein Schalter zu interpretieren, da diese wie ein Schalter mittels Signalansteuerung geöffnet werden kann. Insbesondere wird das Abbrechen durchgeführt, sofern das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als der vorgegebene Toleranzwert ist, und nach diesem Vergleichen ein weiterer Vergleichsschritt durchgeführt wird (zur Plausibilisierung), wobei dieser Schritt ergibt, dass die Abweichung auch nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer größer als der vorgegebene Toleranzwert ist. Mit anderen Worten wird nur dann das Übertragen der Gleichspannung abgebrochen, indem die Sicherung, die Pyrosicherung oder der Trennschalter ausgelöst wird, wenn auch nach einer Entprellzeitdauer (entsprechend der vorgegebenen Zeitdauer) das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als der vorgegebene Toleranzwert ist. Es kann vorgegeben sein, dass nur die Ladeschaltung abgestellt wird bzw. ein wieder schließbarer Schalter geöffnet wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als eine vorgegebene Fehlergrenze ist, jedoch bei Erreichen dieser Fehlergrenze nicht unmittelbar die Pyrosicherung ausgelöst wird.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Trennschalter oder eine Pyrosicherung nur dann ausgelöst wird, wenn nicht nur die Fehlergrenze, sondern auch der Toleranzwert (größer als die Fehlergrenze) von der Abweichung überschritten wird, insbesondere für die vorgegebene Entprellzeitdauer. Pyrosicherungen werden somit nur dann ausgelöst, wenn ein Toleranzwert (und nicht nur eine kleinere Fehlergrenze) überschritten wird. Die Fehlergrenze gibt an, ab wann ein Fehler erkannt wird, der zum genannten Aktivieren des Überspannungsschutzen führen wird, und der Toleranzwert gibt an, wann darüber hinaus auch eine tatsächliche Gefahr für den Nutzer besteht (aufgrund eines möglichen Berührstroms, der über einer Zulässigkeitsgrenze liegt, d.h. der für einen Menschen gefährlich sein kann).
Weiterhin wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung beschrieben, die eingerichtet ist, um das hier beschriebene Verfahren auszuführen. Die Ladeschaltung weist einen Gleichspannungsleiteranschluss mit zwei Kontakten auf, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Der erste Kontakt ist über eine Sicherung mit einem Verknüpfungspunkt verbunden. Die Sicherung ist hierbei eine elektrische Sicherung oder eine Schmelzsicherung oder kann als Pyrosicherung ausgebildet sein. Der erste Kontakt ist über diese Sicherung mit einem Verknüpfungspunkt verbunden. An dem Verknüpfungspunkt schließt sich ein erster, direkter, wandlerfreier Ladepfad an. Dieser weist einen Schalter auf, über den der Verknüpfungspunkt mit einem ersten Batterieanschluss der Ladeschaltung verbunden ist. Ist der Schalter geöffnet, dann kann in dem ersten Ladepfad kein Strom fließen. An dem Verknüpfungspunkt schließt sich ein zweiter Ladepfad an. Dieser weist einen Spannungswandler auf. Der zweite Ladepfad ist somit eingerichtet, Leistung spannungswandelnd über den Spannungswandler zu übertragen. Über den zweiten Ladepfad ist der Verknüpfungspunkt mit einem zweiten Batterieanschluss der Ladeschaltung verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Spannungswandler wie vorangehend im Rahmen des Verfahrens bemerkt, mindestens einen Schalter eines Inverters als Arbeitsschalter auf und mindestens eine Windung als Arbeitsinduktivität. Diese ist Teil einer elektrischen Maschine, die von dem Inverter angesteuert wird. Dadurch kann der Inverter und die elektrische Maschine für zwei Funktionen verwendet werden, nämlich zum Fahren bzw. zum Rekuperieren einerseits und zum anderen zum Wandeln von Spannung. Es kann eine entsprechende Steuereinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Inverter ansteuernd verbunden ist, um wahlweise eine der beiden genannten Funktionen auszuführen.
Der zweite Kontakt des Gleichspannungsanschlusses ist vorzugsweise über eine Diode mit einem zweiten Batterieanschluss der Ladeschaltung verbunden. Die Durchlassrichtung der Diode ist vorgesehen, einen Stromfluss von dem zweiten Batterieanschluss zu dem zweiten Kontakt zu ermöglichen. Ist der zweite Kontakt der negativen Polarität und der erste Kontakt der positiven Polarität des Gleichspannungsladeanschlusses, dann weist die Durchlassrichtung der Diode zum Gleichspannungsladeanschluss hin. Mit anderen Worten weist dann die Sperrrichtung der Diode von der Gleichspannung dem Gleichspannungsanschluss weg. Ist der zweite Kontakt der positiven Polarität zugeordnet, dann zeigt die Durchlassrichtung der Diode von dem zweiten Kontakt bzw. von dem Gleichspannungsladeanschluss weg, und die Sperrrichtung zeigt zum Gleichspannungsladeanschluss hin.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die fahrzeugseitige Ladeschaltung eine
Steuereinrichtung aufweist, die mit dem Schalter ansteuernd verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist ferner mit mindestens einem Schalter ansteuernd verbunden, über den mindestens einer der beiden Batterieanschlüsse verbunden sind. Sind die Batterieanschlüsse jeweils über einen Schalter angebunden (an die verbleibende Schaltung), dann sind beide Batterieanschlüsse jeweils über einen Schalter mit der verbleibenden Schaltung verbunden. Hierbei kann ein Schalter zwischen einem ersten Batterieanschluss und einem Punkt vorgesehen sein, an dem sich die beiden Ladepfade wieder treffen. Ein weiterer Schalter kann zwischen dem zweiten Batterieanschluss und der Diode vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung kann ferner mit dem Spannungswandler ansteuernd verbunden sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, den Überprüfungsschritt durchzuführen, und die Schalter sowie den Gleichspannungswandler abhängig von dem Ergebnis des Überprüfungsschritts wahlweise zu übertragen oder zum Unterbinden einer Übertragung anzusteuern. Die Steuereinrichtung ist somit ausgebildet, mindestens zwei Zustände mittels der Schalter und dem Gleichspannungswandler zu realisieren, nämlich als erster Zustand das Übertragen und als zweiter Zustand das Unterbinden der Übertragung.
Als Ladespannungsquelle kann eine Ladestation dienen, die fest installiert ist, und die insbesondere an ein Versorgungsnetz angeschlossen ist. Ferner kann als Ladespannungsquelle auch ein weiteres Fahrzeug dienen, das zum Laden des hier beschriebenen Traktionsakkumulators verwendet wird.
Der Überprüfungsschritt sieht insbesondere vor, dass ein Signal empfangen wird, welches wiedergibt, ob der genannte Überspannungsschutz (der unter 500 V aktiv bzw. gegenüber Masse leitend wird) in der Ladespannungsquelle vorliegt, oder nicht. Da dies insbesondere mit dem Ladestandard verknüpft ist, gemäß dem die Ladespannungsquelle ausgebildet ist, kann das Signal den Ladestandard wiedergeben, gemäß dem die Ladespannungsquelle ausgebildet ist. Daraus lässt sich schließen, ob die Ladespannungsquelle den genannten Überspannungsschutz aufweist, oder nicht. Insbesondere kann das Signal kennzeichnen, ob die Ladespannungsquelle gemäß einem CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter ausgebildet ist, oder nicht. Hierbei wird als „CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter“ ein CHAdeMO-Standard bezeichnet, der vorsieht, dass ein Überspannungsschutz (betreffend die Spannung zwischen einem Ladespannungspotential und Masse) seitens der Ladespannungsquelle vorliegt, der ab einer Spannung (Schwellenspannung) von ca. 500 V, insbesondere bei einer Spannung (Schwellenspannung) von unterhalb von 800 V, 700 V oder 600 V aktiv wird. Als Aktivwerden wird hierbei bezeichnet, dass der Überspannungsschutz leitend wird bei Erreichen der betreffenden Spannung (Schwellenspannung) und insbesondere einen leitenden Pfad zwischen einem Hochvoltpotential und Masse vorsieht. Seitens des Fahrzeugnetzes kann hierbei eine Steuereinrichtung oder eine andere Einrichtung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, ein entsprechendes Signal zu empfangen und entsprechend auszuwerten.
Beim Empfang eines Signals, das einen CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter kennzeichnet, wird der zumindest eine Gleichspannungsmodus unterbunden. Beim Empfang eines Signals, das einen CHAdeMO-Standard darüber kennzeichnet, oder allgemein einen Ladestandard kennzeichnet, der den genannten Überspannungsschutz nicht vorsieht, wird Gleichspannung in dem genannten Gleichspannungsmodus von der Ladespannungsquelle an den Traktionsakkumulator übertragen.
Zum Empfang eines derartigen Signals kann die Ladeschaltung einen Signalempfänger aufweisen. Dieser ist eingerichtet (etwa durch Implementierung eines entsprechenden Datenübertragungsprotokolls), das Signal zu empfangen, welches den Standard kennzeichnet, gemäß dem die Ladestation ausgebildet ist. Eine Steuereinheit kann vorgesehen sein, dieses Signal von dem Signalempfänger zu empfangen und auszuwerten, ob das Signal einen Lade-Standard kennzeichnet, der einen Überspannungsschutz mit einem Spannungbegrenzungselement für die Ladestation vorsieht. Der Signalempfänger kann kabellos oder kabelgebunden sein. Der Signalempfänger und die Steuereinheit können als gemeinsame Vorrichtung ausgebildet sein.
Neben der Möglichkeit, auf den Ladestandard abzustellen, um zu ermitteln, ob ein Überspannungsschutz mit Spannungsbegrenzungselement vorliegt, d.h. basierend auf einem Informationssignal, das von der Ladestation an die fahrzeugseitige Ladeschaltung übertragen wird, kann auch mittels eines Testsignals ermittelt werden, ob ein Überspannungsschutz mit Spannungsbegrenzungselement vorliegt, oder nicht. Das Testsignal kann ausgebildet sein, ein Spannungsbegrenzungselement auszulösen (d.h. in leitenden Zustand zu versetzen), um anhand einer entsprechenden Signalantwort auf das Testsignal zu ermitteln, ob ein Überspannungsschutz mit Spannungsbegrenzungselement vorliegt, oder nicht. Das Testsignal kann ferner ausgebildet sein als Signal zur aktiven Messung der Impedanz der Ladespannungsquelle, um anhand einer entsprechenden Signalantwort auf das Testsignal die Impedanz zu ermitteln, um aus der Impedanz zu ermitteln, ob ein Überspannungsschutz mit Spannungsbegrenzungselement vorliegt, oder nicht. Es bestehen daher Ausführungsformen, die vorsehen, eine Eigenschaft des Spannungsbegrenzungselements zu ermitteln, um bei ermittelter Eigenschaft auf ein vorhandenes Spannungsbegrenzungselement zu schließen, und bei einem Ermittlungsergebnis, das kennzeichnet, dass die Eigenschaft nicht vorliegt, auf ein nicht vorhandenes Spannungsbegrenzungselement zu schließen. Als Eigenschaft des Spannungsbegrenzungselements eignet sich hier die Eigenschaft, ab der Schwellenspannung zu leiten, sowie die Eigenschaft, eine Impedanz innerhalb eines für das Spannungsbegrenzungselements typischen Impedanzintervalls aufzuweisen, insbesondere eine Kapazität innerhalb eines typischen Kapazitätsintervalls. Es kann auch eine andere elektrische Eigenschaft ermittelt werden, die für das Spannungsbegrenzungselement spezifisch ist. Liegt die Eigenschaft vor, dann wird auf ein vorhandenes Spannungsbegrenzungselement geschlossen. Ergibt die Ermittlung, dass die Eigenschaft nicht vor liegt, dann wird darauf geschlossen, dass in der Ladestation kein (potentiell kritisches) Spannungsbegrenzungselement vorhanden ist.
Es kann daher vorgesehen sein, dass in dem Überprüfungsschritt erfasst wird, ob die Ladespannungsquelle den Überspannungsschutz aufweist, oder nicht. Dies wird erfasst bzw. ermittelt, indem ein Testsignal an das Ladespannungspotential und das Massepotential angelegt wird (d.h. dort, wo das Spannungsbegrenzungselement angeschlossen ist, wenn es vorhanden ist). Es wird eine resultierende Signalantwort erfasst, d.h. eine Signalantwort, die sich aus dem Testsignal ergibt. Anhand der Signalantwort wird ermittelt wird, ob die Ladespannungsquelle den Überspannungsschutz aufweist, oder nicht. Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, die für das Spannungsbegrenzungselement typische elektrische Eigenschaft zu erfassen oder zu ermitteln durch Anlegen des Testsignals und durch Erfassen der zugehörigen Signalantwort. Die Eigenschaft ergibt sich aus der Auswertung, wie sich die Signalantwort zu dem Testsignal verhält bzw. ob sich eine Signalantwort ergibt, oder nicht. Als Testsignal kann eine Testspannung angelegt werden, die über der Schwellenspannung liegt. Die resultierende Signalantwort wird als ein Stromfluss (oberhalb einer vorgegebenen Stromschschwelle) erfasst. Der Stromfluss ist hierbei das Resultat der Testspannung, die an dem Spannungsbegrenzungselement angelegt wird, welches hierdurch in den leitenden Zustand versetzt wird. Hierbei wird die Polarität der Testspannung und der Ladespannungspotentiale beachtet; insbesondere liegt der Betrag der Testspannung angelegt werden über dem Betrag der Schwellenspannung. Dadurch wird die Eigenschaft des Spannungsbegrenzungselements (sofern es vorhanden ist) erfasst, zu leiten, wenn eine Spannung über der Stromschwelle an dieses Element angelegt wird. Die Testspannung kann von dem Traktionsakkumulator oder einem daran angeschlossenen Gleichspannungswandler stammen; der Testsignalgenerator kann mit diesen verbunden sein.
Weiterhin kann als Testsignal ein Anregungssignal zur Impedanzmessung angelegt werden. Als Anregungssignal eignet sich ein Wechselspannungssignal (oder Wechselstromsignal) mit einer Frequenzkomponente, mit mehreren Frequenzkomponenten gleichzeitig (etwa Rauschen) oder mit einer Frequenzkomponente, deren Frequenz sich zeitlich ändert („sweeping“). Es wird die resultierende Signalantwort als ein Signal erfasst wird, das eine Impedanz der Ladespannungsquelle kennzeichnet, insbesondere bei Bezugnahme auf das Testsignal. Es kann bei einem Wechselspannungssignal als Anregungssignal die Signalantwort als Stromsignal erfasst werden. Es kann bei einem Wechselstromsignal als Anregungssignal die Signalantwort als Spannungssignal erfasst werden. Vorzugsweise wird die Testspannung mit einer Strombegrenzung angelegt, damit bei leitendem Spannungsbegrenzungselement nur ein begrenzter Strom fließt. Die Strombegrenzung des Testsignals kann auf einfache Weise mittels eines vorzugsweise schaltbaren Reihenwiderstands (seriell angeschlossenem Strombegrenzungswiderstand) vorgesehen werden oder auch durch entsprechende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers, um ein Testsignal mit begrenzter Stromstärke zu erzeugen. Das Testsignal kann begrenzt sein auf eine Maximalstromstärke von nicht mehr als 1 A, 100 mA, 10 mA oder 1 mA. Der Reihenwiderstand (Strombegrenzungswiderstand) kann als schaltbarer Widerstand vorgesehen werden, insbesondere als Reihenschaltung eines Widerstandselements und eines Schalters. Der Schalter wird (im Überprüfungsschritt) vorzugsweise temporär geschlossen.
Es kann fahrzeugseitig Testsignalgenerator (etwa in einer Ladeschaltung) vorgesehen sein. Dieser ist zur Erzeugung des Testsignals eingerichtet. Der Testsignalgenerator ist vorzugsweise (ausgangsseitig) mit dem Ladespannungspotential und dem Massepotential verbunden. Dies dient zum Anlegen des Testsignals an diese Potentiale. Der Testsignalgenerator kann (insbesondere eingangsseitig) mit dem Traktionsakkumulator, mit einem daran angeschlossenen Gleichspannungswandler oder mit einer Niederspannungsquelle verbunden sein. Es kann ferner eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die von dem Testsignal erzeugte Signalantwort zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung kann eingangsseitig mit dem Ladespannungspotential und/oder dem Massepotential verbunden sein, vorzugsweise signalübertragend bzw. über einen Spannungsteiler oder über eine kapazitive Ankopplung. Der Testsignalgenerator und die Erfassungseinrichtung bilden zusammen vorzugsweise ein Erfassungsmodul zur aktiven Erfassung oder Messung einer elektrischen Eigenschaft des Spannungsbegrenzungselements. Der Erfassungseinrichtung bzw. dem Erfassungsmodul kann die Steuereinrichtung nachgeschaltet sein oder kann Teil hiervon oder einer gemeinsamen Einrichtung sein. Ausführungsformen sehen vor, dass die fahrzeugseitige Ladeschaltung, über die die Gleichspannung übertragen wird, einen ersten, direkten und wandlerfreien Pfad aufweist, sowie einen zweiten Ladepfad. Der zweite Ladepfad führt über einen Spannungswandler. Dieser kann als dezidierter Spannungswandler ausgebildet sein, oder kann gebildet sein von Wicklungen einer elektrischen Maschine als Arbeitsinduktivität des Spannungswandlers und als Schalter des Inverters als Arbeitsschalter des Spannungswandlers, wobei Inverter und Wicklungen einem fahrzeugseitigen Antrieb angehören, insbesondere einem Traktionsantrieb. Die Wicklungen sind insbesondere Wicklungen einer elektrischen Maschine des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs, insbesondere des Stators. Das Verfahren sieht vorzugsweise vor, dass ausgewählt wird, ob die Übertragung über den ersten Ladepfad stattfindet oder über den zweiten Ladepfad. Dies betrifft die Übertragung von der Ladespannungsquelle an den Traktionsakkumulator bzw. die Übertragung der Gleichspannung über die fahrzeugseitige Ladeschaltung. Der Schritt des Auswählens kann vorsehen, dass abhängig vom Ladezustand oder von der Klemmenspannung des Traktionsakkumulators, der zu laden ist, der erste oder der zweite Pfad vorgesehen wird. Ist die Differenz zwischen Ladespannung und Traktionsakkumulatorspannung größer als eine vorgegebene Marge, dann wird der zweite Ladepfad ausgewählt, da dieser den Spannungswandler aufweist, über den die Spannung angepasst werden kann. Ist die Differenz kleiner, dann kann der erste (direkte) Ladepfad ausgewählt werden.
Der verfahrensgemäß verwendete Spannungswandler insbesondere ein Gleichspannungswandler, vorzugsweise ein Aufwärtswandler, wobei jedoch auch andere Wandlerarten in Betracht kommen. Der Spannungswandler kann mindestens einen dezidierten Arbeitsschalter und mindestens eine dezidierte Arbeitsinduktivität als Wandlerelemente aufweisen und eingerichtet sein, durch Takten des Arbeitsschalters gemeinsam mit der Induktivität die Wandlung zu bewerkstelligen. Hierbei haben Arbeitsschalter und Arbeitsinduktivität nur die Aufgabe des Spannungswandelns und sind insbesondere nicht eingerichtet zur Realisierungen von Funktionen innerhalb eines Antriebs bzw. innerhalb des Traktionsantriebs des Fahrzeugs. Alternativ wird zur Darstellung des Wandlers, insbesondere eines Arbeitsschalters des Wandlers, ein Schalter eines Inverters verwendet, wobei hierbei ein oder mehrere Schalter des Inverters verwendet werden können. Zusätzlich kann als Arbeitsinduktivität eine Windung der elektrischen Maschine verwendet werden, insbesondere der elektrischen Maschine des Traktionsantriebs. Es können sowohl Schalter des Inverters als Arbeitsschalter als auch mindestens eine Windung der elektrischen Maschine als Arbeitsinduktivität verwendet werden. Dies ermöglicht die Darstellung eines Wandlers ohne dezidierte Leistungselemente. Insbesondere bei der Verwendung eines Schalters des Inverters als Arbeitsschalter und mindestens einer Wicklung der elektrischen Maschine als Arbeitsinduktivität kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerung des Inverters auch ausgebildet ist, diesen zusammen mit der Arbeitsinduktivität als Wandler anzusteuern. Eine entsprechende Steuereinrichtung bzw. Invertersteuerung hätte somit zwei Funktionen, nämlich die Ansteuerung des Inverters zur Erzeugung eines Drehfeldes in der elektrischen Maschine und die Ansteuerung von mindestens einem Schalter des Inverters als Arbeitsschalter des Spannungswandlers.
Ein weiterer Aspekt der hier beschriebenen Vorgehensweise ist eine Isolationsüberwachung, bei der der Grad der Symmetrie der Ladespannungspotentiale gegenüber einem Massepotential ermittelt wird. Die Ladespannungspotentiale sind gegenüber dem Massepotential bei fehlerfreiem Betrieb elektrisch isoliert. Sind die Isolationen ungefähr gleich, ergibt sich auch eine Symmetrie der Ladespannungspotentiale über dem Massepotential. Bei Ladespannungspotentialen von + und - 400 V (das heißt bei einer Ladespannung von 800V) würde das Massepotential bei ca. 0 V liegen, da das Massepotential gegenüber den beiden Ladespannungspotentialen ungefähr den gleichen Isolationswiderstand aufweisen sollten. Ergibt sich ein Isolationsfehler eines der Ladespannungspotentiale gegenüber dem Massepotential, dann verschiebt sich das Massepotential gegenüber dem Ladespannungspotential. Insbesondere ist die Spannung zwischen dem fehlerhaft isolierten Ladespannungspotential und dem Massepotential deutlich kleiner als im fehlerfreien Betrieb. Durch den Isolationsfehler wird das betreffende Ladespannungspotential auf das Massepotential gezogen, so dass sich zwischen diesen eine sehr geringe Spannung ergibt, das heißt deutlich kleiner als die Hälfte der Ladespannung, während die Spannung zwischen dem isolationsfehlerfreien Ladespannungspotential und dem Massepotential deutlich höher als die Hälfte der Ladespannung ist, und insbesondere nahe der gesamten Ladespannung liegen kann. Diese hohe Spannung zwischen isolationsfehlerfreiem Ladespannungspotential und dem Massepotential führt dann zur Auslösung des Überspannungsschutzes auf Seiten der Ladespannungsquelle, sofern die Spannung (Schwellenspannung), bei der der Überspannungsschutz aktiviert wird, kleiner ist als die Ladespannung.
Diese Asymmetrie kann erkannt werden durch Vergleich (des Betrags) der Spannungsdifferenz eines Ladespannungspotentials gegenüber dem Massepotential mit einem vorgegebenen Nennwert. Weicht der Betrag der Spannungsdifferenz (in positiver oder negativer Richtung) um mehr als eine vorgegebene Sicherheitsmarge von dem Nennwert ab, entspricht dies der erkannten Asymmetrie, wodurch der Isolationsfehler erkannt werden kann. Bei einer Ladespannung von beispielsweise 800 V kann somit der Nennwert bei 400 V (oder mehr als die Hälfte der Ladespannung, etwa 500 V) liegen, wobei eine Asymmetrie dann besteht, wenn die Spannung zwischen Ladespannungspotential und Massepotential deutlich kleiner ist als der Nennwert (wobei dann das betreffende Ladespannungspotential fehlerhaft ist), oder wenn die betreffende Spannung deutlich größer ist als der Nennwert, wobei dann das andere Ladespannungspotential den Isolationsfehler aufweist. Alternativ oder in Kombination hiermit kann der Betrag der Spannungsdifferenz eines Ladespannungspotentials und dem Massepotential mit der Spannungsdifferenz zwischen dem anderen Ladespannungspotential und dem Massepotential verglichen werden, um dadurch die Asymmetrie direkt zu erfassen. Ein Isolationsfehlersignal wird abgegeben, wenn das Vergleichen ergibt, dass eine Abweichung besteht, die größer als eine vorgegebene Fehlergrenze bzw. Sicherheitsmarge ist. Ansonsten wird kein Isolationsfehlersignal abgegeben bzw. ein Signal, das angibt, dass kein Isolationsfehler vorliegt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Spannungswandler abgestellt wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als eine vorgegebene Fehlergrenze ist. Der Spannungswandler kann insbesondere abgestellt werden, indem dessen Arbeitsschalter in einen dauerhaften offenen Zustand versetzt werden. Dadurch wird bei Vorliegen eines Isolationsfehlers vermieden, dass der Wandler noch weiterarbeitet und gewandelte Gleichspannung abgibt. Diese Fehlergrenze entspricht einer Abweichung, die darauf schließen lässt, dass eine gefährlich hohe Berührspannung vorliegen kann, das heißt, dass eine Berührspannung vorliegen kann am Chassis des Fahrzeugs, die gemäß einer Norm zur Hochvoltsicherheit nicht zugelassen ist.
Ein weiterer Aspekt ist es, dass bei Erfassen einer geringen Abweichung das Laden bzw. das Übertragen von Gleichspannung fortgeführt wird bzw. zumindest ein Lademodus zugelassen bleibt, und dass bei einer stärkeren Abweichung wie vorangehend beschrieben das Übertragen von Gleichspannung abgebrochen bzw. unterbunden wird. Um dies zu unterscheiden, wird ein Toleranzwert verwendet, unterhalb dessen von keiner Gefährdung auszugehen ist, und oberhalb dessen von einer möglichen Gefährdung ausgegangen wird. Zwischen Toleranzwert und der vorangehend genannten Fehlergrenze kann ein Sicherheitsabstand vorgesehen sein. Wenn die Abweichung nicht größer als der Toleranzwert ist, dann kann ein Isolationshinweissignal abgegeben werden, welches darauf hinweist, dass die Isolation überprüft werden sollte, jedoch beinhaltet, dass kein gefährlicher Isolationsfehler vorliegt. Bei Überschreiten der vorangehend genannten Fehlergrenze wird hingegen vorzugsweise ein Fehlersignal abgegeben, das auf einen kritischen Isolationsfehler hinweist und das beinhaltet, den Übertragungsvorgang im Rahmen des Ladeprozesses abzubrechen.
Ist die Fehlergrenze überschritten, oder ist die Abweichung größer als ein vorgegebener Toleranzwert, vorzugsweise um mindesten einen Sicherheitsbetrag größer, dann kann vorgesehen sein, dass eine Sicherung, insbesondere eine Pyrosicherung ausgelöst wird. Alternativ oder in Kombination hierzu kann ein Trennschalter ausgelöst werden, insbesondere indem der Trennschalter geöffnet wird. Dieses Abtrennen wird daher vorzugsweise nur dann ausgelöst, wenn die Abweichung auf eine tatsächlich gefährliche Berührspannung hinweist, bzw. dass eine Berührspannung am Chassis des Fahrzeugs anliegen kann, die gemäß einer Norm zur Hochvoltsicherheit nicht zulässig ist.
Die Figur 1 dient zur Erläuterung von beispielhaften Ausführungsformen der hier beschriebenen Vorgehensweise.
Die Figur 1 zeigt eine beispielhafte fahrzeugseitige Ladeschaltung mit Batterieanschlüssen B+, B-, die an eine Batterieschaltung angeschlossen sind. Die Batterieschaltung umfasst in dem dargestellten Beispiel zwei in Reihe geschaltete Batterien B1 , B2 (jeweils als Hochvoltakkumulator ausgeführt), die über eine Trennschaltervorrichtung, die insbesondere als Pyrosicherung ausgeführt ist, miteinander verbunden sind. Die Batterieschaltung kann allgemein zwei Akkumulatoren (Hochvoltakkumulatoren) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, wobei eine Pyrosicherung, allgemein eine Sicherung oder ein Trennschalter ebenso in Reihe geschaltet sind. Die beiden Akkumulatoren können direkt miteinander in Serie geschaltet sein, wobei sich dann ein Trennschalter, eine Sicherung oder insbesondere eine Pyrosicherung anschließen kann (in Reihe), so dass dann diese sich ergebende Reihenschaltung mit den Batterieanschlüssen verbunden ist. Dargestellt ist eine Platzierung in der Mitte zwischen den beiden Hochvoltakkumulatoren.
An die Batterieschaltung (B1 , SB, B2) schließen sich ein erster Batterieanschluss B+ und ein zweiter Batterieanschluss B- an. Die Polarität ergibt sich aus den Bezugszeichen. Optional ist an den ersten Batterieanschluss B+ in Reihe ein Schalter S5 angeschlossen, der die Verbindung mit der weiteren Ladeschaltung darstellt. Ein weiterer optionaler Schalter S6 verbindet den zweiten Batterieanschluss B- mit der verbleibenden Ladeschaltung. Weiterhin kann eine Strommessvorrichtung 1 vorgesehen sein zwischen dem zweiten Batterieanschluss B- und dem Schalter S6. Diese Messeinrichtung kann sich auch direkt nach dem Schalter S6 befinden.
Die dargestellten Schalter S5 und S6 dienen zum gesteuerten Anschluss der beiden Batterieanschlüsse B+, B- an ein Inverter I, der als Traktionsinverter ausgebildet ist, und der drei Halbbrücken aufweist. Jede dieser Halbbrücken weist einen Zwischenpunkt auf, wobei dieser Zwischenpunkt als Phasenanschluss für drei Wicklungen W einer elektrischen Maschine dient. Dargestellt sind ferner drei Strommesseinrichtungen 2, 3, 4, die zwischen der elektrischen Maschine bzw. den Wicklungen W der elektrischen Maschine und den Phasenanschlüssen des Inverters I vorgesehen sind.
Die Wicklungen W sind in Sternpunktpunktschaltung miteinander verbunden, wobei sich an den Sternpunkt ein Schalter S3 anschließt.
Der Inverter I weist zwei Gleichspannungsanschlüsse auf, die mit der positiven bzw. der negativen Schiene verbunden sind. Ein positiver Gleichspannungsanschluss des Inverters I ist mit einer Potentialschiene verbunden, die den Schalter S5 (der zum ersten Batterieanschluss B+ führt) mit einem Schalter S2 verbindet. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss des Inverters I ist mit einer Potentialschiene (einer negativen Potentialschiene) verbunden, die den Schalter S6 bzw. den zweiten Batterieanschluss B- zum einen mit einer Diode D und zum anderen mit einem Schalter S1 verbindet. Die Diode D ist in Reihe geschaltet mit einem Schalter S4. Es ergibt sich eine geschaltete Diodenschaltung mit der Diode D und dem Schalter S4. Parallel zu dieser Diodenschaltung ist der Schalter S1 angeschlossen. Der Schalter S1 überbrückt die Diodenschaltung in geschlossenem Zustand. Insbesondere wenn ermittelt wird, dass ladestationsseitig kein kritischer Überspannungsschutz vorliegt, kann der Schalter S1 geschlossen sein. Es ergibt sich dann die Möglichkeit der Rückspeisung von Energie vom Batterieanschluss B+, B- zu den dargestellten Kontakten K+, K- eines Gleichspannungsladeanschlusses.
Auf der Seite der Diodenschaltung D, S4 bzw. auf der der Seite des Schalters S1 , die dem Inverter abgewandt ist bzw. die der dem zweiten Batterieanschluss B- abgewandt ist, ist ein zweiter (negativer) Kontakt K- vorgesehen. Dieser gehört zu einem Gleichspannungsladeanschluss, der auch einen ersten (positiven) Kontakt K+ aufweist. Der erste Kontakt K+ ist über eine (optionale) Sicherung F1 mit einem Verbindungspunkt V verbunden. Die Sicherung S1 ist als Zusatzsicherung ausgeführt, kann jedoch als elektronische Sicherung oder Pyrosicherung ausgebildet sein.
Der Verbindungspunkt V, der über den Schalter S3 mit dem Sternpunkt der Wicklungen W verbunden ist, ist ferner über den Schalter S2 mit der positiven Potentialschiene verbunden, die zu dem positiven Batterieanschluss B+ bzw. zum Schalter S5 führt.
Die Schalter S5 und S6 bilden somit allpolige Trennschalter seitens der Ladeschaltung zum gesteuerten Abtrennen der Batterieanschlüsse B+, B-. Der Schalter SB (insbesondere als Pyrosicherung ausgeführt), ist Teil der Batterieschaltung, die sich an die Batterieanschlüsse anschließt. Dieser gilt ebenso zur Auftrennung der Batterieschaltung bzw. der Batterien B1 und B2, so dass bei offenem Zustand kein Potential anliegen kann, das sich aus der Summe der beiden Spannungen der Batterie B1 und B2 ergibt.
Vom Verbindungspunkt V geht (vom ersten Kontakt K+ aus gesehen) ein erster direkter Ladepfad über den Schalter S2 (und über den optionalen Schalter S5) zum ersten Batterieanschluss B+. Dieser Ladepfad ist wandlerfrei. Vom Verbindungspunkt V führt ein zweiter Ladepfad über den (optionalen) Schalter S3, die Wicklungen W und den Inverter I ebenso zu den Batterieanschlüssen (B+). Da zumindest eine der Wicklungen W zusammen mit zumindest einem der Schalter I bzw. zusammen mit einer Halbbrücke des Inverters I einen Spannungswandler bilden können, weist der zweite Ladepfad einen Spannungswandler auf. Eine Steuereinheit C ist eingerichtet, die Schalter des Inverters I anzusteuern, um so die Gleichspannungswandlungsfunktion vorzusehen für den zweiten Ladepfad. Der Verbindungspunkt V ist gegenüber dem ersten Kontakt K+ des Gleichspannungsladeanschlusses abgesichert über die Sicherung F1. Diese kann alternativ oder in Kombination hiermit auch dem zweiten Kontakt K- vorgeschaltet sein.
Die Kontakte K+, K- des Gleichspannungsladeanschlusses bilden das den Batterieanschlüssen B+, B- entgegengesetzte Ende der Ladeschaltung. Somit bilden B+, B- einerseits und K+, K- andererseits die beiden Enden der Ladeschaltung.
Es ist dargestellt, dass sich an eine Ladeschaltung über die Kontakte K+, K- eine Spannungsquelle SQ anschließt. Diese ist über optionale, allpolig vorgesehene Schaltelemente S7, S8 angeschlossen. Die Spannungsquelle SQ ist eine Ladespannungsquelle und wird insbesondere gebildet von einer Gleichspannungsladestation oder von einem Fahrzeug, welches Ladeenergie abgibt. Die Schalter S7, S8 dienen zur Eigensicherung dieser Spannungsquelle SQ.
Die Steuereinheit C ist zudem mit den Schaltern der Ladeschaltung und optional auch mit dem Trennschalter der Batterieschaltung (B1 , SB, B2) ansteuernd verbunden. Die Steuereinheit C ist eingerichtet, zu erfassen, ob die Spannungsquelle SQ über einen Überspannungsspannungsschutz verfügt, der ausgelegt bzw. eingerichtet ist, Strom zu leiten, wenn an einem der Kontakte K+, K- gegenüber einem Massepotential eine Spannung auftritt, die der Summe der Nennspannungen (oder Minimalbetriebsspannungen) der Akkumulatoren B1 und B2 entspricht. Ist dies der Fall bzw. kommt der Überprüfungsschritt zu dem Ergebnis, dass dies zutrifft, dann ist die Steuereinrichtung C eingerichtet, zumindest einen der Schalter S1 , S2, S4, S5, S6 oder SB auszulösen bzw. zu öffnen bzw. ist eingerichtet, durch Öffnen zumindest einer dieser Schalter zumindest einen Gleichspannungslademodus zu unterbinden. Auch der Schalter S3 kann hierbei geöffnet werden.
Es kann ferner zumindest ein weiterer dieser Schalter geöffnet werden, wenn zudem ein Stromfluss aufgrund des Überspannungsschutzes ermittelt wird, der über einer (vorgegebenen) Fehlergrenze liegt. Diese kennzeichnet einen Stromwert, ab dem der vorliegende Fehler erkannt wird anhand des Stromflusses.
Ist einer der genannten Schalter als nur einmalig zu öffnender Schalter ausgebildet, etwa als Pyrosicherung, dann wird dieser vorzugsweise nur dann geöffnet, wenn die vorangehend genannte Bedingungen erfüllt sind und wenn zudem ein aufgrund des Überspannungsschutzes fließender Strom (durch Element E) ermittelt wird, der über einem Toleranzwert liegt. Dieser Toleranzwert ist größer als die Fehlergrenze. Der Toleranzwert gibt die Schwelle an, ab der der Stromfluss für einen Menschen gefährlich werden kann. Die Fehlergrenze gibt an, ab welchem Stromfluss ein Fehler erkannt wird, der mit einem Stromfluss aufgrund des Überspannungsschutzes der Ladestation verbunden ist, und liegt niedriger als der Toleranzwert. Es kann somit bei Überschreiten des Toleranzwerts ein weiterer Schalter geöffnet werden, der bei Überschreiten der Fehlergrenze nicht geöffnet wird. Bei einem Strom zwischen Toleranzwert und Fehlergrenze kann eine eingeschränkte Ladung erfolgen, d.h. es kann ein Gleichspannungsladezustand unterbunden sein, während ein anderer Gleichspannungsladezustand zugelassen wird. Die beiden Gleichspannungsladezustand können sich durch den jeweils verwendeten Ladepfad unterschieden. Die Steuereinrichtung C ist hierzu ausgebildet.
Gemäß einem Aspekt ist die Steuereinrichtung C ausgebildet, die Schalter des Inverters im offenen Zustand anzusteuern, wenn erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle einen Überspannungsschutz aufweist, der ein Spannungsbegrenzungselement E umfasst, das zwischen einem Ladespannungspotential und einem Massepotential GND der Ladespannungsquelle SQ vorgesehen ist und eingerichtet ist, ab einer Spannung (Schwellenspannung) unterhalb der Nennspannung in einen leitfähigen Zustand überzugehen. Die Steuereinrichtung C kann hierzu ein Signaleingang oder eine Empfangseinrichtung aufweisen, mittels der Informationen an die Steuereinrichtung C übermittelt werden können, die wiedergeben, ob die Ladespannungsquelle SQ einen Überspannungsschutz aufweist (bzw. hiermit verbunden ist), der ein Spannungsbegrenzungselement E umfasst, welches eingerichtet ist, bei einer Spannung (Schwellenspannung) unterhalb der Nennspannung in leitfähigem Zustand überzugehen. Als Nennspannung wird hierbei die Nennspannung der gesamten Batterieschaltung bezeichnet, das heißt, die Summe der Nennspannungen der Akkumulatoren B1 und B2.
Dargestellt ist die Möglichkeit, dass ein Signalempfänger EM mit der
Steuereinrichtung C verbunden ist. Der Signalempfänger EM ist ausgebildet, ein Signal RA empfangen zu empfangen, dass der Information entspricht bzw. das kennzeichnet, ob die Ladespannungsquelle (Ladestation) gemäß einem CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter ausgebildet ist, oder nicht (bzw. gemäß welchem Standard die Ladespannungsquelle bzw. Ladestation ausgebildet ist.
Ferner sind hierzu weitere Möglichkeiten gegeben, die darauf abzielen, mittels eines Testsignals TS eine für das Spannungsbegrenzungselement E spezifische Eigenschaft aktiv (durch Anregung mittels Signal TS) zu ermitteln, etwa die Eigenschaft oberhalb einer Schwellenspannung zu leiten (und unterhalb nicht) oder die Eigenschaft, eine für das Element E spezifische Impedanz aufzuweisen. Dargestellt ist ein Testsignalgenerator T, der einen Eingang I aufweist, der einerseits mit einem Potential der Traktionsakkumulatoren B1 , B2 oder der Batterieanschlüsse B+, B- oder einem (Ausgangs-)potential des Spannungswandlers I, W (Ladespannungspotential) verbunden ist, und andererseits mit dem Erdungspotential GND verbunden ist. An diese beiden Potentiale legt der Testsignalgenerator T das Testsignal TS an.
Der Testsignalgenerator TG kann in einer einfachen Ausführung einem seriell angeschlossenen Strombegrenzungswiderstand entsprechen, insbesondere zwischen dem Potential entsprechend B+, B- oder dem (Ausgangs-)potential des Spannungswandlers und dem Punkt V. Über eine Verbindung V1 oder V2 kann der Testsignalgenerator TG bzw. dessen Eingang I mit einem Ladespannungspotential (der Akkumulatoren oder des Gleichspannungswandlers) verbunden sein. Ein Ausgang 0 des Testsignalgenerators TG kann insbesondere über eine Erfassungseinrichtung M mit einem der Kontakte K+ oder K- (oder mit dem Punkt V) verbunden sein. Ist die Erfassungseinrichtung M ein Strommesser, dann kann dieser erfassen, ob das Anlegen des Testsignals zu einem (Gleich-)stromfluss führt, oder nicht. Im erstgenannten Fall wird von einem vorliegenden Spannungsbegrenzungselement E ausgegangen, im letztgenannten Fall wird von einem nicht vorhandenen Spannungsbegrenzungselement E ausgegangen. Dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der der Testsignalgenerator TG eine Spannung über der Schwellenspannung des Elements E erzeugt. Es kann auch ein Testsignalgenerator TG vorgesehen sein, der ein Testsignal geeignet zur Impedanzmessung abgibt, wobei eine Meßeinrichtung die Signalantwort erfasst. Die Steuereinheit C oder eine andere Einheit (T, M, ... ) kann zur Impedanzermittlung und -auswertung ausgehend von der Signalanwort (und ggf. dem Testsignal) eingerichtet sein, um zu ermitteln, ob eine für das Element E spezifische Impedanz vorliegt, oder nicht. Im erstgenannten Fall wird von einem vorliegenden Spannungsbegrenzungselement E ausgegangen, im letztgenannten Fall wird von einem nicht vorhandenen Spannungsbegrenzungselement E ausgegangen. Bei einem Testsignal geeignet zur Impedanzmessung kann der Testsignalgenerator TG eine Niedervolteinrichtung sein (Betriebsspannung < 60 V) und kann insbesondere einen Spannungsversorgungseingang I aufweisen, der für eine Versorgungsspannung < 60 V ausgebildet ist.
Wird seitens der Steuereinheit C festgestellt, dass ein Spannungsbegrenzungselement E bzw. ein derartiger Überspannungsschutz in der angeschlossenen Ladeenergiequelle (das heißt die Schaltung rechts der Kontakte K+, K-) nicht vorliegt, dann ist die Steuereinheit C eingerichtet, die Schalter S5, S6, S2, S7, S8, S4 und/oder S1 zu schließen, um einen Gleichspannungslademodus zu ermöglichen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Übertragen unterbunden wird, indem der Schalter S1 geöffnet wird, der parallel zu der geschalteten Diodenschaltung (Reihenschaltung aus Diode D und Schalter S4) angeschlossen ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass folgendes Verfahren ausgeführt wird, wenn im Überprüfungsschritt erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle den Überspannungsschutz nicht aufweist: Überprüfen, ob ein Isolationsfehler gegenüber einem Erdungspotential vorliegt, insbesondere in der Ladeschaltung. Wird erfasst, dass nur eines der beiden HV-Potentiale (B+ bzw. K+ oder B- bzw. K-) von dem Isolationsfehler betroffen ist, dann nimmt das gegenüberliegende HV-Potential, das nicht von dem Isolationsfehler betroffen ist, das volle HV-Potential gegenüber Masse an. Wird eine derartige Potentialverschiebung erfasst, dann wird von einem Isolationsfehler ausgegangen. Ein Isolationsfehler kann auch erkannt werden durch Erfassen eines Stromflusses (etwa mittels Strommeßvorrichtung 1 ), der insbesondere über der Fehlergrenze liegt. Wird ein Isolationsfehler bei der Verwendung des zweiten Ladepfades erkannt bzw. wird allgemein erkannt, dass im zweiten Ladepfad ein Fehler vorliegt, dann wird der Wandler inaktiv geschaltet, indem die Steuereinrichtung alle Schalter des Inverters öffnet bzw. in offenem Zustand hält.
Daraufhin kann geprüft werden, ob aufgrund des Isolationsfehlers ein Strom fließt, der größer als ein festgelegter Grenzwert ist. Der festgelegte Grenzwert kann insbesondere der Dauerstromtragfähigkeit des verwendeten Erdungsleiters sein. Der Grenzwert kann der Toleranzgrenze entsprechen. Ferner kann der festgelegte Grenzwert einem Grenz-Berührstromwert einer Norm zum Hochspannungsladen entsprechen, beispielsweise 100 mA, 40 mA, 20 mA oder 10 mA Gleichstrom. Dies kann insbesondere durch Erfassung des Stroms durchgeführt werden, der über einen der beiden Batterieanschlüsse B+, B- fließt. Insbesondere kann mittels der Strommesseinrichtung 1 ermittelt werden, ob der aufgrund des Isolationsfehlers fließende Strom über dem festgelegten Grenzwert liegt, oder nicht.
Liegt der Fehlerstrom nicht über dem festgelegten Grenzwert, dann kann vorgesehen sein, dass die Schalter, die geschlossen sind, im geschlossenen Zustand verbleiben. Ist der Grenzwert überschritten, dann werden die Schalter geöffnet. Insbesondere wird, wenn der Grenzwert überschritten wird, der Schalter SB der Batterieschaltung zum Öffnen angesteuert, insbesondere von der Steuereinheit C. Ist dies eine Pyrosicherung, dann wird diese somit nur dann von der Steuereinheit C gezündet, wenn der Fehlerstrom selbst bei inaktivem Gleichspannungswandler I, W größer als ein festgelegter Grenzwert ist. Dieser Grenzwert kann dem eingangs erwähnten Toleranzwert entsprechen (oder der vorgegebenen Fehlergrenze).
Daher wird nicht in jedem Fall bei Vorliegen eines Isolationsfehlers oder bei Vorliegen eines kritischen Überspannungsschutzes eine Pyrosicherung oder ein anderer, nicht mehr schließbarer Schalter der dargestellten Schaltung geöffnet, sondern nur dann, wenn der Fehlerstrom trotz abgeschaltetem Spannungswandler größer als ein Grenzwert ist, der eine Grenze wiedergibt, ab dem der Berührstrom für den Menschen gefährlich ist. Dies kann definiert sein durch einen Grenzwert, der in der Norm dargelegt ist, insbesondere abzüglich einer Sicherheitsmarge.

Claims

Patentansprüche
1 . Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren zum Aufladen eines fahrzeugseitigen Traktionsakkumulators (B1 , B2) über eine fahrzeugseitige Ladeschaltung mittels einer fahrzeugexternen Ladespannungsquelle (SQ), wobei der Traktionsakkumulator (B1 , B2) eine Nennspannung von mindestens 500 V aufweist, wobei zunächst in einem Überprüfungsschritt erfasst wird, ob die Ladespannungsquelle (SQ) einen Überspannungsschutz aufweist, der ein Spannungsbegrenzungselement (E) umfasst, das zwischen einem Ladespannungspotential und einem Massepotential (GND) der Ladespannungsquelle (SQ) vorgesehen ist und eingerichtet ist, ab einer Schwellenspannung unterhalb der Nennspannung in einen leitfähigen Zustand überzugehen, Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1 , B2) übertragen wird, wenn im Überprüfungsschritt erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) nicht aufweist und zumindest ein Gleichspannungslademodus zur Übertragung von Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1 , B2) unterbunden wird, wenn im Überprüfungsschritt erfasst wird, dass die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in dem Überprüfungsschritt erfasst wird, ob die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) aufweist, oder nicht, indem von der fahrzeugexternen Ladespannungsquelle (SQ) ein Signal (RA) empfangen wird, das kennzeichnet, ob die Ladespannungsquelle (SQ) gemäß einem CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter ausgebildet ist, oder nicht, wobei bei Empfang eines Signals (RA), das einen CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter kennzeichnet, zumindest ein Gleichspannungslademodus unterbunden wird und bei Empfang eines Signals (RA), das einen CHAdeMO-Standard 3.0 oder darüber kennzeichnet, oder einen Ladestandard der Ladespannungsquelle (SQ) kennzeichnet, der den Überspannungsschutz (E) nicht vorsieht, Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1 , B2) übertragen wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in dem Überprüfungsschritt erfasst wird, ob die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) aufweist, oder nicht, indem ein Testsignal (TS) an das Ladespannungspotential und das Massepotential (GND) angelegt wird, eine resultierende Signalantwort (SA) erfasst wird, und anhand der Signalantwort (SA) ermittelt wird, ob die Ladespannungsquelle (SQ) den Überspannungsschutz (E) aufweist, oder nicht aufweist. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Testsignal (TS) eine Testspannung angelegt wird, die über der Schwellenspannung liegt und die resultierende Signalantwort (SA) als ein Stromfluss erfasst wird, der von der Testspannung erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Testsignal (TS) ein Anregungssignal zur Impedanzmessung angelegt und die resultierende Signalantwort (SA) als ein Signal erfasst wird, das eine Impedanz der Ladespannungsquelle kennzeichnet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, wobei die fahrzeugseitige Ladeschaltung, über die die Gleichspannung übertragen wird, einen ersten, direkten, wandlerfreien Ladepfad und einen zweiten Ladepfad aufweist, der über einen Spannungswandler (I, Q) führt, wobei das Verfahren den Schritt des Auswählens zwischen dem ersten Ladepfad und dem zweiten Ladepfad zur Übertragung der Gleichspannung von der Ladespannungsquelle (SQ) an den Traktionsakkumulator (B1 , B2) vorsieht. Verfahren nach Anspruch 6, wobei bei einer Übertragung der Gleichspannung über den zweiten Ladepfad diese Gleichspannung von dem Spannungswandler (I, W) gewandelt wird, wobei der Spannungswandler (W) die Gleichspannung wandelt mittels eines dezidierten Arbeitsschalters und einer dezidierten Arbeitsinduktivität als Wandlerelemente, oder die Gleichspannung wandelt mittels mindestens einem Schalter eines Inverters (I) als Arbeitsschalter und mittels mindestens einer Windung (W) einer elektrischen Maschine als Arbeitsinduktivät, wobei der Inverter (I) und die elektrische Maschine einen fahrzeugseitigen Traktionsantrieb bilden. Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor und/oder während dem Übertragen von Gleichspannung an den Traktionsakkumulator (B1 , B2) eine Isolationsüberwachung stattfindet, die vorsieht, eine Spannungsdifferenz zwischen einem Ladespannungspotential und dem Massepotential (GND) mit einem vorgegebenen Nennwert oder mit einer anderen Spannungsdifferenz zwischen einem anderen Ladespannungspotential und dem Massepotential (GND) zu vergleichen, um dadurch eine Asymmetrie der beiden Ladespannungspotentiale, zwischen denen die Ladespannung besteht, gegenüber dem Massepotential zu erkennen, wobei ein Isolationsfehlersignal abgegeben wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass eine Abweichung besteht, die größer als eine vorgegebene Fehlergrenze ist, und kein Isolationsfehlersignal abgegeben wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung nicht größer als eine vorgegebene Fehlergrenze ist. Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren nach Anspruch 8, wobei ein Spannungswandler (I, W) der Ladeschaltung abgestellt wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als eine vorgegebene Fehlergrenze ist. Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren nach Anspruch 9, wobei das Übertragen von Gleichspannung abgebrochen wird, wenn nach dem Abstellen des Spannungswandlers (I, W) das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als ein vorgegebener Toleranzwert ist, und das Übertragen von Gleichspannung durchgeführt oder fortgeführt wird, wenn nach dem Abstellen des Spannungswandlers (I, W) das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung nicht größer als der vorgegebene Toleranzwert ist. Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren nach Anspruch 10, wobei das Übertragen von Gleichspannung abgebrochen wird, indem eine Sicherung, insbesondere eine Pyrosicherung (SB), oder ein Trennschalter ausgelöst wird. Überwachtes Gleichspannungs-Ladeverfahren nach Anspruch 11 , wobei das Übertragen von Gleichspannung abgebrochen wird, indem die Sicherung, insbesondere die Pyrosicherung (SB), oder der Trennschalter ausgelöst wird, wenn das Vergleichen ergibt, dass die Abweichung größer als der vorgegebene Toleranzwert ist, sofern eine vorgegebene Zeitdauer nach diesem Vergleichen ein weiteres Vergleichen durchgeführt wird, das ergibt, dass die Abweichung auch nach Ablauf der vorgegebene Zeitdauer größer als der vorgegebener Toleranzwert ist. Fahrzeugseitige Ladeschaltung eingerichtet zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ladeschaltung einen Gleichspannungsladeanschluss mit zwei Kontakten (K+, K-) unterschiedlicher Polarität aufweist, wobei der erste Kontakt (K+) über eine Sicherung (F1 ) mit einem Verknüpfungspunkt (V) verbunden ist, an den sich ein erster, direkter, wandlerfreier Ladepfad anschließt, der einen Schalter (S2) aufweist, über den der Verknüpfungspunkt (V) mit einem ersten Batterieanschluss (B+) der Ladeschaltung verbunden ist, wobei sich an den Verknüpfungspunkt (V) ein zweiter Ladepfad anschließt, der einen Spannungswandler (I, W) aufweist, über den der Verknüpfungspunkt (V) mit einem zweiten Batterieanschluss (B-) der Ladeschaltung verbunden ist und wobei der zweite Kontakt (K-) des Gleichspannungsladeanschlusses über eine Diode (D) mit einem zweiten Batterieanschluss (B-) der Ladeschaltung verbunden ist, wobei die Durchlassrichtung der Diode (D) vorgesehen ist, einen Stromfluss von dem zweiten Batterieanschluss (B-) zu dem zweiten Kontakt (K-) zu ermöglichen und wobei die fahrzeugseitige Ladeschaltung eine Steuereinrichtung (C) aufweist, die mit dem Schalter (S2), mit mindestens einem Schalter (S5, S6), über den mindestens einer der Batterieanschlüsse angebunden sind, und mit dem Spannungswandler (I, W) ansteuernd verbunden ist und eingerichtet ist, den Überprüfungsschritt durchzuführen und die Schalter (S2, S5, S6) sowie den Gleichspannungswandler (I, W) anzusteuern, abhängig vom Ergebnis des Überprüfungsschritts wahlweise zum Übertragen oder zum Unterbinden einer Übertragung anzusteuern. Fahrzeugseitige Ladeschaltung nach Anspruch 13, wobei die Ladeschaltung ferner einen Signalempfänger (EM) zum Empfang eines Signals aufweist, das kennzeichnet, ob die Ladespannungsquelle (SQ) gemäß einem CHAdeMO-Standard 2.0 oder darunter ausgebildet ist, oder nicht, oder wobei die Ladeschaltung ferner einen Testsignalgenerator (T) aufweist, der zur Erzeugung eines Testsignals (TS) eingerichtet ist, wobei der Testsignalgenerator (T) mit dem Ladespannungspotential und dem Massepotential (GND) verbunden ist, um an diese Potentiale das Testsignal (TS) anzulegen, sowie eine Erfassungseinrichtung (M) aufweist, die eingerichtet ist, die von dem Testsignal (TS) erzeugte Signalantwort (SA) zu erfassen.
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