DE102010037415A1

DE102010037415A1 - Verfahren zur Steuerung eines Stromflusses durch einen Stromverteilerkreis

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Publication number: DE102010037415A1
Application number: DE102010037415A
Authority: DE
Inventors: Allan Roy Livonia Gale; Michael W. Novi Degner; Larry Dean Ypsilanti Elie
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2011-04-14
Also published as: CN102035413A; CN102035413B; US9132741B2; US20110084548A1

Abstract

Ein Kraftfahrzeug (10), welches dahingehend ausgebildet ist ist, Strom von einem Stromverteilerkreis zu empfangen, der eine Stromzuleitung (36) und eine Rückleitung (38) aufweist, enthält ein in dem Fahrzeug angeordnetes Steuergerät (42). Das Steuergerät (42) ist dahingehend eingerichtet, elektrisch mit dem Stromverteilerkreis verbunden zu werden, eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung (36) und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung (38) zu ermitteln und einen Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz zu steuern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Stromflusses durch einen Stromverteilerkreis gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Ein Stromkabel ist eine Anordnung von zwei oder mehr elektrischen Leitern, die normalerweise durch einen Mantel zusammengehalten werden. Die Anordnung kann zur Übertragung von elektrischem Strom verwendet werden. Stromkabel können z. B. als Permanentverdrahtung in Gebäuden, im Erdboden eingegraben, oberirdisch verlaufend oder freiliegend installiert werden. Für transportable Geräte, mobile Werkzeuge und Maschinerie können flexible Stromkabel verwendet werden.
Kabel können drei Hauptkomponenten aufweisen: Leiter, Isolierung und Schutzhülle. Der Aufbau individueller Kabel kann je nach Anwendung variieren. Aufbau und Material können durch die Arbeitsspannung, Strombelastbarkeit und Umgebungsbedingungen bestimmt sein.
Stromkabel können mehrdrähtige Kupfer- oder Aluminiumleiter aufweisen. Manche Kabel können unisolierte Leiter als Nullleiter oder für Masseanschluss (Erdverbindung) enthalten.
Die Gesamtanordnung kann rund oder flach sein. Der Anordnung können nichtleitende Füllfäden hinzugefügt sein, um die Form der Anordnung aufrechtzuerhalten. Spezialzweck-Stromkabel für oberirdischen oder vertikalen Gebrauch können zusätzliche Elemente wie z. B. Strukturhalter aus Stahl oder Kevlar^® enthalten.
Gebräuchliche Typen von Allzweck-Kabeln sind durch nationale und/oder internationale Codes reglementiert. Diese Codes enthalten Definierungen der verschiedenen Drahtlegierungen, die ein Kabel aufweisen kann, den Isolationstyp des Kabels sowie Eigenschaften einschließlich der Beständigkeit des Kabels gegen Chemikalien und Sonnenlicht.
Häufig verwendete Stromkabel können einen unisolierten Blankdraht für eine Verbindung mit Masse enthalten. Dreistift-Netzsteckdosen und Steckerleitungen erfordern einen Massedraht. Verlängerungskabel haben häufig einen isolierten Massedraht.
Bekannt ist ein aus massiven Kupferdrähten hergestelltes Kabel mit einer nichtmetallischen Kunststoffhülle, die eine mit Wachspapier umwickelte innere Gruppe von mindestens einem Paar 600 Volt THWN (thermoplastisch, hochgradig wasserfest und Nylon^®-beschichtet) kunststoffisolierten Betriebskabeladern und einen blanken Massedraht enthält. Ein derartiges Kabel kann somit drei Adern haben: einen Nulleiter-Draht (weiß gefärbt), einen Draht, welcher der Last Strom zuführt (schwarz gefärbt) und einen blanken Massedraht.
Eine Variante dieses bekannten Kabels hat einen durch weiße Färbung gekennzeichneten Nulleiter, zwei Phasendrähte, nämlich einen ersten Leiter (schwarz) und einen zweiten Leiter (normalerweise rot), und einen unisolierten Kupfer-Massedraht. Dieser Typ kann allgemein für Mehrfach-Umschaltstellen einer gemeinsam genutzten sog. Gemeinschafts-Beleuchtungsanordnung verwendet werden, wie z. B. für Schalter, die sich an beiden Enden eines Flures oder – bei einer Treppenhausbeleuchtung – in übereinander liegenden Etagen befinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Stromflusses durch einen Stromverteilerkreis bereitzustellen, derart, dass Leitungsdefekte erkannt und berücksichtigt werden können. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein in vorstehender Weise abgesichertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 6 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Verfahren zur Steuerung eines Stromflusses durch einen Stromverteilerkreis, der eine Stromzuleitung und eine Rückleitung umfasst, umfasst die Schritte, eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung zu ermitteln und einen Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz zu steuern.
Ein Kraftfahrzeug, das dahingehend ausgebildet ist, Strom von einem Stromverteilerkreis zu empfangen, der eine Stromzuleitung und eine Rückleitung umfasst, kann ein in dem Fahrzeug angeordnetes Steuergerät enthalten, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, nämlich elektrisch mit dem Stromverteilerkreis verbunden zu werden, eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung zu ermitteln und einen Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz zu steuern.
Ein Batterieladegerät kann einen Steuergerät-Schaltungsteil aufweisen und dahingehend ausgebildet sein, Strom von einem Stromverteilerkreis zu empfangen, der eine Stromzuleitung und eine Rückleitung umfasst, und den Strom zu einer Batterie zu übertragen. Der Steuergerät-Schaltungsteil kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein, nämlich eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung zu ermitteln und einen Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz zu steuern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines eine Ausführungsform der Erfindung aufweisenden Kraftfahrzeuges;
2 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform eines Batterieladegerätes;
3 eine Prinzipskizze eines Beispiels für einen Stromkreis, der das Batterieladegerät gemäß 2 enthält;
4 eine alternative Darstellung des Stromkreises des Batterieladegerätes gemäß 3;
5 ein Beispiel für eine grafische Darstellung der prozentualen Änderung des Laststroms aufgrund des Ladegerät-Stroms in dem Stromkreis gemäß 4;
6 ein Beispiel für eine grafische Darstellung der Spannung zwischen den Rück- und Masseleitungen gemäß 3 gegen die Zeit, wenn das Batterieladegerät von 3 ein- und ausgeschaltet wird;
7 ein thermodynamisches Modell eines Drahtes in dem Stromkreis gemäß 4;
8 ein Flussdiagramm eines Beispiel-Algorithmus zur Steuerung des Stromflusses durch den Stromkreis gemäß 3 und 4; und
9 ein Flussdiagramm eines expandierten Teils des Beispiel-Algorithmus gemäß 8.
1 zeigt eine Ausführungsform eines beispielsweise als Elektrofahrzeug oder als hybridelektrisches Fahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs 10 mit einer Fahrbatterie 12, einer Elektromaschine 13, einem Batterieladegerät 14 und einem Chassis 15. Über die Elektromaschine 13 kann aus der Fahrbatterie 12 Antriebskraft für das Kraftfahrzeug 10 geliefert werden.
Das Batterieladegerät 14 kann ein Paar Spulen 16, 18, einen Brückengleichrichter 20, einen Transistor 22, eine Diode 24 und eine Induktivität 26 aufweisen. Der Transistor 22, die Diode 24 und die Induktivität 26 bilden einen Abwärtsregler (engl.: buck regulator) 27 und können dazu eingesetzt werden, den Strom von dem Brückengleichrichter 20 zu der Fahrbatterie 12 zu regeln.
Die Spule 18 enthält einen Stromzuleitungsanschluss 28 und einen Rückleitungsanschluss 30. Die Spule 18 kann über ein Stromkabel 34 elektrisch mit einer Steckdose 32 verbunden sein. Die Steckdose 32 gem. 1 ist als 120 V Wandsteckdose ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann die Steckdose 32 eine 240 V Wandsteckdose, eine Mehrphasen-Wandsteckdose usw. sein. Das Windungsverhältnis der Spulen 16, 18 ist abhängig von den Spannungen, die der Batterie 12 und der Steckdose 32 zugeordnet sind.
Die Spule 16 kann durch den Brückengleichrichter 20, den Transistor 22, die Diode 24 und die Induktivität 26 elektrisch mit der Fahrbatterie 12 verbunden sein. Der Brückengleichrichter 20 (oder eine Diodenbrücke) kann als Anordnung von vier Dioden in einer Brückenkonfiguration ausgebildet sein. Diese Anordnung kann dieselbe Ausgangsspannungspolarität für irgendeine Eingangsspannungspolarität liefern. In der dargestellten Ausführungsform wandelt der Brückengleichrichter 20 Eingangs-Wechselstrom in Ausgangs-Gleichstrom um.
Das Stromkabel 34 enthält eine Stromzuleitung 36, eine Rückleitung 38 und eine Masseleitung 40. Die Stromzuleitung 36 ist elektrisch mit dem Stromzuleitungsanschluss 28 verbunden. Die Rückleitung 38 ist elektrisch mit dem Rückleitungsanschluss 30 verbunden. Die Masseleitung 40 ist elektrisch mit dem Chassis 15 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel gem. 1 fördert die Stromzuleitung 36 Strom von der Steckdose 32 zu der Spule 16, und die Rückleitung 38 fördert Strom von der Spule 18 zu der Steckdose 32.
Das Batterieladegerät 14 kann auch einen Mikroprozessor 42, Stromsensoren 44, 45 und Spannungssensoren 46, 47 enthalten. Der Mikroprozessor 42 empfängt Strom- und Spannungsinformationen von den Stromsensoren 44, 45 und Spannungssensoren 46, 47. In der Ausführungsform gem. 1 fühlt der Stromsensor 44 den Strom durch die Spule 18 und den Rückleitungsanschluss 30 ab, und der Spannungssensor 46 fühlt die Spannung zwischen dem Rückleitungsanschluss 30 und der Masseleitung 40 ab. Der Stromsensor 45 fühlt den Strom zur Fahrbatterie 12 ab, und der Spannungssensor 47 fühlt die Spannung an der Fahrbatterie 12 ab. Andere Anordnungen sind aber auch möglich. Als ein Beispiel kann der Spannungssensor 46 so angeordnet sein, dass er die Spannung zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30 abfühlt. Als ein anderes Beispiel können der Stromsensor 44 und/oder der Spannungssensor 46 so angeordnet sein, dass sie den Strom und/oder die Spannung zwischen dem Brückengleichrichter 20 und dem Transistor 22 abfühlen. Auch andere Konfigurationen sind möglich.
Der Mikroprozessor 42 kann eine Änderung der Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 ermitteln, z. B. auf Basis des Stroms und der Spannung, die von den Strom- und Spannungssensoren 44, 46 gemessen werden. Der Momentanwiderstand R eines Drahtes mit einem Widerstands-Temperaturkoeffizienten α kann durch die folgende Beziehung mit einer Temperaturänderung ΔT der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 verknüpft sein: R = R_i(1 + αΔT) (1) oder
wobei Ri der Anfangswiderstand des Drahtes ist. Im Sinne von Spannungen und Strömen kann Gleichung (2) umgeschrieben werden als
oder
wobei I und V der Momentanstrom bzw. die Momentanspannung sind, die von den Sensoren 44, 46 gemessen werden, und Ii and Vi der Anfangsstrom bzw. die Anfangsspannung sind, die von den Sensoren 44, 46 gemessen werden. Auf Basis von Gleichung (4) kann der Mikroprozessor 42 eine Änderung der Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 auf Basis des Stroms und der Spannung, die von den Strom- und Spannungssensoren 44, 46 gemessen werden, ermitteln. In anderen Ausführungsformen kann das Batterieladegerät 14 auf eine bekannte Weise den Stromfluss da hindurch steuern, um ihn allgemein konstant zu halten. Somit kann der Mikroprozessor 42 eine Änderung der Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 allein auf Basis der von dem Spannungssensor 46 gemessenen Spannung ermitteln. In weiteren Ausführungsformen kann der Mikroprozessor 42 eine Änderung der Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 auf Basis der zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30 gemessenen Spannung ermitteln.
Wie der Fachmann weiß (unter Verwendung der oben beschriebenen Notation), gilt
und
oder
Darin ist VLN– die Momentanspannung zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30, unmittelbar bevor Strom durch das Batterieladegerät 14 zu fließen beginnt, VLNi+ ist die Momentanspannung zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30, unmittelbar nachdem Strom durch das Batterieladegerät 14 zu fließen begonnen hat, VLN+ ist die Momentanspannung zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30 in jedem Zeitpunkt, nachdem Strom durch das Batterieladegerät 14 zu fließen begonnen hat, VNG– ist die Momentanspannung zwischen dem Rückleitungsanschluss 30 und der Masseleitung 40, unmittelbar bevor Strom durch das Batterieladegerät 14 zu fließen beginnt, und VNGi+ ist die Momentanspannung zwischen dem Rückleitungsanschluss 30 und der Masseleitung 40, unmittelbar nachdem Strom durch das Batterieladegerät 14 zu fließen begonnen hat.
Ein Substituieren der Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (2) (und vereinfachen) liefert
Auf Basis von Gleichung (8) kann der Mikroprozessor 42 somit eine Änderung der Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 auf Basis der zwischen dem Stromzuleitungsanschluss 28 und dem Rückleitungsanschluss 30 gemessenen Spannung ermitteln.
Alternativ kann eine Temperatur oder Temperaturänderung der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 auf irgendeine geeignete Weise ermittelt werden. Zum Beispiel können Temperatursensoren, z. B. eine Wheatstonebrücke, eine Diodensperrschicht usw., die mit dem Mikroprozessor 42 kommunizieren und mit den Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 verbunden sind, die Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 erfassen und dem Mikroprozessor 42 mitteilen.
Der Mikroprozessor 42 kann den Transistor 22 ein- und ausschalten, um den Stromfluss zur Fahrbatterie 12 zu steuern. Der Mikroprozessor 42 kann somit den Stromfluss durch die Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 mittels des Transistors 22 steuern.
Die der Spule 16 zugeführte Leistung Pin ist gleich der von der Spule 18 abgegebenen Leistung Pout (unter der Voraussetzung, dass Verluste vernachlässigbar sind): P_in = P_out (9)
Im Sinne von Spannungen und Strömen kann die Gleichung (9) umgeschrieben werden als (I_rmsV_rms)CosΘ = I_BATV_BAT (10) wobei Irms und Vrms der Effektivwert-Strom in die und die Effektivwert-Spannung an der Spule 18 sind, IBAT und VBAT der Strom in und die Spannung an der Fahrbatterie 12 sind (der Strom bzw. die Spannung, die von den Sensoren 45 und 47 gemessen werden), und Cosθ der Phasenwinkel zwischen Irms und Vrms ist (wie dem Fachmann bekannt ist, ist in Systemen mit Einheitsleistungsfaktorkorrektur Cosθ typischerweise gleich 1, und wenn man die Spannung Leitung gegen Nullleiter und die Spannung Nullleiter gegen Masse misst, ist θ der Phasenwinkel zwischen diesen beiden Wechselspannungen). Unter der Voraussetzung, dass Vrms und VBAT allgemein konstant sind, und gemäß Gleichung (10) resultieren Änderungen von IBAT in Änderungen von Irms. D. h., Ein Herabsetzen des Tastgrades des Transistors 22, um IBAT zu vermindern, vermindert Irms (der Mikroprozessor 42 kann somit auch eine Temperaturänderung der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 auf Basis der von den Stromsensoren 44, 45 und dem Spannungssensor 47 gemessenen Ströme und Spannungen ermitteln; z. B. kann Gleichung (10) umgestellt werden, um nach Vrms aufzulösen, und in Gleichung (8) substituiert werden).
Um die Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 innerhalb eines gewünschten Wertebereichs zu halten, kann der Mikroprozessor 42 den Transistor 22 auf eine bekannte Weise zyklisch ein-/ausschalten, wenn sich die Temperatur und/oder die Temperaturänderung der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 einem oberen Ende des Wertebereichs zu nähern beginnt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 42 beginnen, den Transistor 22 zyklisch ein-/auszuschalten, um den Stromfluss zu vermindern, wenn die Temperaturänderung der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 den Wert 35°C übersteigt. Alternativ kann der Mikroprozessor 42 beginnen, den Transistor 22 zyklisch ein-/auszuschalten, um den Stromfluss zu vermindern, wenn die Temperatur der Stromzu- und/oder Rückleitungen 36, 38 innerhalb von 7°C des oberen Endes des Wertebereichs liegt. Es kann jedoch auch irgendein anderes geeignetes Steuerungsschema verwendet werden.
Wie dargestellt, ist das Ladegerät 14 in das Fahrzeug 14 eingebaut. In anderen Ausführungsformen kann das Ladegerät 14 jedoch vom Fahrzeug 10 entfernt angeordnet sein. Zum Beispiel kann das Ladegerät 14 eine allein stehende Einheit sein, die durch Stecker mit der Steckdose 32 und dem Fahrzeug 10 verbunden werden kann. Auch andere Ausführungsformen sind möglich.
In 2, auf die nun Bezug genommen wird, haben bezifferte Elemente, die sich von bezifferten Elementen von 1 um die Zahl 100 unterscheiden, ähnliche Bedeutungen wie die bezifferten Elemente in 1. Eine Ausführungsform eines Batterieladegerätes 114 enthält einen Brückengleichrichter 120, einen Laderegler 121, einen Abwärtsregler 127 und einen Mikroprozessor 142. Der Brückengleichrichter 120 ist elektrisch mit dem Laderegler 121 verbunden. Der Laderegler 121 ist elektrisch mit dem Abwärtsregler 127 verbunden. Der Mikroprozessor 142 kann die Lade- und Abwärtsregler 121, 127 steuern. Der Schaltungsteil des Brückengleichrichters 20, des Ladereglers 121 und des Abwärtsreglers 127 kann irgendeine geeignete Form annehmen.
Der Brückengleichrichter 120 kann elektrisch mit einer Netzsteckdose verbunden sein und Eingangs-Wechselstrom in Ausgangs-Gleichstrom umwandeln. Der Mikroprozessor 142 kann den Laderegler 121 auf bekannte Weise steuern, um den von dem Brückengleichrichter 120 ausgegebenen Gleichstrom für Leistungsfaktorkorrektur zu regeln. Auf Basis der Strom- und/oder Spannungsmessungen mittels der Sensoren 144, 146 kann der Mikroprozessor 142 den Abwärtsregler 127 unter Verwendung von ähnlichen Techniken wie oben beschrieben für ein Stromverteilungs-Temperaturmanagement steuern. Natürlich sind auch andere Anordnungen und/oder Konfigurationen möglich.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, auf welches nun Bezug genommen wird, ist das Batterieladegerät 114 elektrisch mit einem Stromkreis 148 verbunden, der eine Last 149 (unbekannte Last), einen Sicherungskasten 150 und eine Stromquelle 152 enthält. Die Last 149 (wie z. B. ein Kompressor für ein Kühlgerät) liegt zwischen dem Batterieladegerät 114 und dem Sicherungskasten 150 (z. B. ähnlich jenen, die man häufig in Wohngebäuden findet). Elektrischer Strom wird in bekannter Weise von der Stromquelle 152 dem Batterieladegerät 114 über den Sicherungskasten 150 zugeführt.
Wie nachfolgend erläutert, kann das Vorhandensein der unbekannten Last 149 die Rate beeinflussen, mit der das Batterieladegerät 114 Strom aus dem Stromkreis 148 ziehen kann. Im Folgenden werden Techniken zur Ermittlung der Belastbarkeit des Beispiel-Stromkreises 148 beschrieben. Sobald diese Belastbarkeit ermittelt ist, kann mit einer maximalen Rate, die die Leistungsfähigkeit der Verdrahtung des Stromkreises 148 oder von zu der Verdrahtung des Stromkreises 148 gehörenden Auslösesicherungen nicht übersteigt, Strom aus dem Stromkreis 148 gezogen werden.
In 4, auf die nun Bezug genommen wird, ist der Stromkreis 148 zeichnerisch anders dargestellt, um dessen verschiedene Widerstände, Ströme und Spannungen zu zeigen, wobei R1 der elektrische Widerstand des Drahtes zwischen dem Sicherungskasten 150 und der Last 149 ist, R2 der elektrische Widerstand des Drahtes zwischen der Last 149 und dem Batterieladegerät 114, Rul der elektrische Widerstand der Last 149, RChgr der elektrische Widerstand des Batterieladegerätes 114, RSource der elektrische Widerstand der Stromquelle 152, Vac die Spannung der Stromquelle 152, Vfusebox die Spannung am Sicherungskasten 150, Vl die Spannung der Stromzuleitung 136, Vn die Spannung der Rückleitung 138, Vg die Spannung der Masseleitung 140, i2 der durch das Batterieladegerät 114 fließende Strom, iul der durch die Last 149 fließende Strom und i1 der zum Sicherungskasten 150 fließende Strom ist.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 können die Kenngrößen des Stromkreises 148 ermittelt werden, indem die drei Spannungen Vl, Vn und Vg und außerdem der Ladestrom i2 auf irgendeine bekannte Weise gemessen werden. Aus dem Kirchhoffschen Gesetz (die elektrischen Widerstände R1 der Leiter zwischen dem Sicherungskasten 150 und der unbekannten Last 149 seien dieselben und die elektrischen Widerstände R2 der Leiter zwischen der unbekannten Last 149 und dem Batterieladegerät 114 seien dieselben) folgt Vac = i₁·(R_source + 2R₁ + R_ul) – i₂·R_ul (11) 0 = i₂·(2R₂ + R_Chgr + R_ul) – i₁·R_ul (12) V_ng = i₁·R₁ + i₂·R₂, und (13) 0 = i₁ – i₂ – i_ul (14)
Der maximale Stromnennwert und der maximale Drahtwiderstand können zusätzlich verwendet werden, um die Kenngrößen des Stromkreises 148 abzuschätzen. So hat beispielsweise Draht mit einem Drahtmaß-Code 14G einen Stromnennwert von 15 A, und ein 12G-Draht einen Stromnennwert von 20 A. Außerdem hat 14G-Draht einen Drahtwiderstand von 8,3 Ω/km, und 12G-Draht hat einen Drahtwiderstand von 5,2 Ω/km. Unter der Voraussetzung einer Spannungsausfallbedingung von 80 V oder weniger an einer 120V-Wandsteckdose wäre ein vernünftiger maximaler Drahtwiderstand jener, der notwendig ist, um die Spannung an RChgr auf 80 V zu vermindern, wenn 15 A vom Ladegerät 114 gezogen werden und 0 A von der unbekannten Last 149 gezogen werden. Dies würde einen Spannungsabfall von 20 V an jedem Satz von Widerständen R1 und R2 erfordern. Da V = IR, sollte R1 + R2 kleiner als 1,3 Ω sein. Dieser Widerstand kann sogar kleiner sein. Andernfalls kann 1/3 der Leistung aus dem Sicherungskasten 150 in der Verdrahtung des Stromkreises 148 verbraucht werden.
Ein Abschätzen einer typischen Wohnstätte mag veranschaulichen, wie wenig Widerstand ein vernünftiges Maß darstellt ist. Betrachtet man z. B. eine Grundfläche von 167 m2, die 9 m breit und 18,5 m lang ist, wären 30 m (oder weniger) Draht nötig, um in dieser Wohnstätte von einer Ecke zur anderen zu kommen. In diesem Fall ist R1 + R2 gleich (oder kleiner als) 0,23 Ω für 14G-Draht.
Der Lastwiderstand, der nötig ist, um 15 A aus einer 120V-Leitung zu ziehen, ist 120 V/15 A oder 8 Ω. Ein niedrigerer Lastwiderstand würde bei direkter Verbindung mit der 120V-Leitung, d. h. R1 + R2 = 0, einen Strom vom mehr als 15 A ergeben. Vergleicht man den minimalen Lastwiderstand, z. B. 8 Ω, mit dem Drahtwiderstand, z. B. 0,23 Ω, so ist der Lastwiderstand viel größer. Daher kann angenommen werden, dass iul unabhängig von einem Laden des Ladegerätes konstant bleibt. Um diese Annahme zu überprüfen, betrachte man einen 30 m langen 14G-Draht zwischen der unbekannten Last 149 und dem Sicherungskasten 150. 5 zeigt die prozentuale Änderung von iul über einen Bereich von Werten von i2. Der Laststrom iul variiert um weniger als 5%.
Aus (11), (12) und (13) folgt
Falls iul aus den oben erläuterten Gründen konstant ist, reduziert sich (15) auf
Für Bedingungen, unter denen R1 << Rul und/oder RChgr groß ist, ist (16) ungefähr gleich (15).
Auflösen nach Rsource (unter der Voraussetzung, dass sich Vac nicht mit der Last ändert)

V_fusebox = V_ac – (i₁)·R_source (17) und V_fusebox = V_ln + 2V_ng (18) wobei V_ln = V_l – V_n (19) und V_ng = V_n – V_g (20)

Unter Bezugnahme auf 3, 4 und 6 ist i2 = 0 bei T0 (d. h., unmittelbar bevor das Ladegerät 114 eingeschaltet wird) und i2 > 0 bei T1 (d. h., unmittelbar nachdem das Ladegerät 114 eingeschaltet worden ist). Die Werte von Vln0, Vng0 (d. h., die Spannungsabfälle zwischen den Stromzu- und Rückleitungen 136, 138 bzw. den Rück- und Masseleitungen 138, 140 bei T0), Vln1, Vng1 (d. h., die Spannungsabfälle zwischen den Stromzu- und Rückleitungen 136, 138 bzw. den Rück- und Masseleitungen 138, 140 bei T1) und i2 können am Ladegerät 114 gemessen werden, indem zuerst (17) mit i2 = 0 gelöst und dann (17) davon subtrahiert wird, wenn i2 > 0.
Die folgende Gleichung erhält man aus (14) und (17)
Kombinieren von (18) und (21) ergibt
Auflösen nach dem Drahtwiderstand R1 + R2 (unter der Voraussetzung, dass iul konstant ist)
(13) kann für die Bedingungen i2 = 0 und i2 > 0 gelöst werden. Für i2 = 0 bei T0 reduzieren sich (13) und (14) auf
Für i2 > 0 bei T1 kann (13) mit (14) umgeschrieben werden als
Subtrahieren von (24) von (23) liefert
wobei R_T = R₁ + R₂ (26)
Auflösen nach dem Drahtwiderstand liefert
Auflösen nach dem Drahtwiderstand R1
Man kann eine Beziehung zwischen R1 und R2 erhalten, um den Wert von iul zu ermitteln. Dies erreicht man durch Berücksichtigung der Erwärmung des Drahtes in dem Stromkreis 148 aufgrund des Leistungsverbrauchs darin, wenn eine zusätzliche Last von dem Ladegerät 114 ausgeübt wird.
Unter Bezugnahme auf 7 ist die Energie WT auf der gesamten Drahtlänge (der zu R1 und R2 gehörenden Länge) aufgrund des zusätzlichen Ladegerät-Stroms W_T = W_R1 + W_R2 = ∫R₁(i_ul + i₂)²dt + ∫R₂·i₂ ²dt (28) wobei WR1 and WR2 die jeweiligen Energien in den zu R1 und R2 gehörenden Drähten sind.
Die Energieänderung ΔU auf der gesamten Drahtlänge ist
wobei m1, m2, ΔT1 und ΔT2 die Masse bzw. Temperaturänderung der mit R1 und R2 bezeichneten Drahtlängen sind, c die spezifische Wärmekapazität der Drahtlängen ist und Q die zugeführte Wärme ist.
Außerdem gilt
Wenn Draht erwärmt wird, ändert sich sein elektrischer Widerstand, wie unter Bezugnahme auf (1) und (2) erläutert. (30) kann daher im Sinne von R geschrieben werden:
Die Änderung des Spannungsabfalls über R1 und R2 ist ΔV = ΔR·I oder
Erweitern von ΔV1 liefert
Abschätzen des Verhältnisses von ΔVT zu ΔVR1 liefert
Bekanntlich ist die Masse m eines Drahtes mit seiner Querschnittsfläche A und Länge l verknüpft durch m = ς·A·l (35) wobei ς die Dichte des Metalls ist. Wie weiterhin bekannt ist, ist der elektrische Widerstand R eines Drahtes mit seiner Fläche und Länge verknüpft durch R = p·l/A (36) wobei ρ der spezifische Widerstand des Metalls ist.
Wenn die Querschnittsfläche (das Drahtmaß) des Drahtes in dem Stromkreis 148 konstant ist, folgt aus (35) und (36) mαR (37) und
wobei mT = m1 + m2.
Unter Berücksichtigung von (35) und (36) reduziert sich (34) auf
QcR kann man schreiben als Q_cR = kA Δ T / Δ / X (40) wobei k die Isolations-Wärmeleitfähigkeit des Drahtes ist, A die Fläche der freiliegenden Isolierung, ΔT die Differenz zwischen der Luft- und der Drahttemperatur, und ΔX der Abstand zwischen Temperaturablesungen ist (für diese Analyse werden diese Terme als klein vorausgesetzt und auch tatsächlich reduziert, wenn sowohl in den Zähler als auch den Nenner von (39) einbezogen; andere Realisierungen können eine empirische Kompensation für diese Terme einbeziehen).
Unter Berücksichtigung von (40) reduziert sich (39) auf
Wenn sich Draht erwärmt, nimmt der Drahtwiderstand zu, und der Strom durch den Draht nimmt etwas ab. Für diese Analyse wird die Änderung als so klein erachtet, dass sie vernachlässigt werden kann. Außerdem kann der Wert von i2 konstant gehalten werden, um (41) zu vereinfachen zu
Die Gleichung enthält unbekannte Terme R1, R2 und iul. Wenn R₁ ≤ R₁ + R₂, dann folgt aus (27)
Somit wird der Minimalwert von iul festgelegt, wobei
Einbeziehen von (26), (43) und (44) in (42) liefert
Eine Betrachtung von (45) zeigt, dass der einzige unbekannte Term R1 ist. Die Lösung ist möglicherweise rechenintensiv und lässt sich besser lösen durch einen Algorithmus, der sich der korrekten Lösung von R1 iterativ nähert. Alternativ kann man die Zusatzannahme treffen, dass iul eine angemessen lange Zeit existiert hat, um den Draht auf eine konstante Temperatur zu erwärmen (dies kann z. B. durch Messen von Vng0 über eine Zeitspanne bestätigt werden, um sicherzustellen, dass der Wert nicht zunimmt). Unter dieser Voraussetzung reduziert sich (45) auf
Der Wert von ΔV1 ist möglicherweise nicht messbar, während i2 > 0, so dass es eine Alternative zu (45) ist, den Zähler mit i2 > 0 und den Nenner mit i2 = 0 zu messen. Dies reduziert (45) auf
wobei Vng2 – Vng1 = ΔV1 + ΔV2 und Vng3 – Vng0 = ΔV1.
(46) kann nach R1 aufgelöst werden:
wobei Vx gleich Vng bei Tx von 6 ist.
Auflösen nach R2
Aus (26) R₂ = R_T – R₁ (49)
Auflösen nach Rul und iul
Gleichung (11) kann verwendet werden, um nach Rul aufzulösen. Bei T0 ist Vln = iul·Rul und Vng = iul·R1. Es ergeben sich
und
m1, m2, R1 und R2 können für Verwendung von (29), (30), (50) und (51) gelöst werden. Standard-Nachschlagtabellen, z. B. im Speicher des Mikroprozessors 142 gespeichert, können dann verwendet werden, um das Drahtmaß und somit den maximalen Gesamtstrom imax, welcher den Nennwert der zu R1 und R2 gehörenden Verdrahtung darstellt, zu ermitteln. Der Mikroprozessor 142 kann dann unter Verwendung der hierin erörterten Techniken i2 derart steuern, dass i_max ≤ i_ul + i₂ (53)
Der elektrische Widerstand Rul der Last 149 kann natürlich reaktive Komponenten enthalten. Wie der Fachmann weiß, können diese reaktiven Komponenten ermittelt werden, indem θ (unter Bezugnahme auf (10) erörtert) auf eine bekannte Weise in die entsprechenden obigen Gleichungen aufgenommen wird. Es kann jedoch auch irgendeine andere geeignete Technik verwendet werden.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 3 und 4 enthält die Differenz zwischen Vac und Vl (der elektrische Widerstand des oberen Stromkreiszweiges) den Spannungsabfall an Rsource. Die Differenz zwischen Vac und Vn (der elektrische Widerstand des unteren Stromkreiszweiges) enthält den Spannungsabfall an Rsource nicht. Rsource stellt die Impedanz zurückblickend in die Wechselstromleitung dar und hat einen realen Wert größer als 0. Gibt es jedoch einen Defekt im unteren Stromkreiszweig, so dass sein elektrischer Widerstand größer als jener des oberen Stromkreiszweiges ist, wird die Berechnung von Rsource einen kleinen oder negativen Wert liefern. Gibt es einen Defekt im oberen Stromkreiszweig, wird die Berechnung von Rsource einen übermäßig großen Wert liefern. Fehler im unteren und/oder oberen Stromkreiszweig können somit erkannt werden, und der Betrieb des Batterieladegerätes 114 kann entsprechend geändert werden.
Unter Bezugnahme auf die 2, 3, 4 und 8 kann Rsource ermittelt werden, wie bei 154 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 Rsource berechnen, wie oben unter Bezugnahme auf (18) bis (21) erläutert. Wie bei 156 angezeigt, wird ermittelt, ob Rsource außerhalb seines erwarteten Wertebereichs liegt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 ermitteln, ob Rsource größer als 3 Ω oder kleiner als 0 Ω ist. Während 3 Ω einen Widerstand repräsentiert, der in Kombination mit den oberen und unteren Widerständen darin resultieren kann, dass Leitung-zu-Nulleiter-Spannungen als Ausfallbedingungen angesehen werden, können niedrigere Werte des Widerstandes für Rsource verwendet und als repräsentativer Wert für einen fehlerfreien Stromkreis angesehen werden. Wenn ja, kann der Betrieb des Batterieladegerätes 114 geändert werden, wie bei 158 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 imax von (53) reduzieren oder den Betrieb des Batterieladegerätes 114 unterbrechen.
Unter Bezugnahme auf die 2, 3, 4 und 9 wird ermittelt, ob Rsource größer als sein erwarteter Wertebereich ist, wie bei 160 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 ermitteln, ob Rsource größer als 3 Ω ist. Wenn nein, wird ermittelt, ob Rsource kleiner als sein unterer Schwellenwert ist, wie bei 162 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 ermitteln, ob Rsource kleiner als –1 Ω ist (in diesem Beispiel liegen die Schwellenwerte 1 Ω außerhalb der Grenzen des erwarteten Wertebereichs; doch können andere Schemata verwendet werden. Wie nachfolgend erörtert wird, wird die Ladeausgangsleistung des Batterieladegerätes 114 reduziert, wenn Rsource zwischen dem Schwellenwert und der Grenze des erwarteten Wertebereichs liegt. Wenn der Betrag von Rsource größer als der Betrag des Schwellenwertes ist, hört der Betrieb des Batterieladegerätes 114 auf). Wenn ja, wird der Betrieb des Batterieladegerätes 114 unterbrochen, wie bei 164 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 das Laden der Batterie unterbrechen. Wenn nein, wird die Ausgangsleistung des Batterieladegerätes 114 reduziert, wie bei 166 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 den Wert imax von (53) proportional zu der Differenz zwischen dem Wert von Rsource und der Grenze des erwarteten Wertebereichs reduzieren. Wenn Rsource gleich –0,5 Ω ist und die Grenze des erwarteten Wertebereichs 0 Ω ist, kann der Mikroprozessor 142 imax von (53) um 50% reduzieren.
Bejahendenfalls wird wieder bei 160 ermittelt, ob Rsource größer als sein oberer Schwellenwert ist, wie bei 168 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 ermitteln, ob Rsource größer als +4 Ω ist (wie oben erläutert, liegen die Schwellenwerte in diesem Beispiel 1 Ω außerhalb der Grenzen des erwarteten Wertebereichs). Wenn ja, wird der Betrieb des Batterieladegerätes 114 unterbrochen, wie bei 164 angezeigt. Wenn nein, wird die Ausgangsleistung des Batterieladegerätes 114 reduziert, wie bei 166 angezeigt. Zum Beispiel kann der Mikroprozessor 142 imax von (53) proportional zu der Differenz zwischen dem Wert von Rsource und der Grenze des erwarteten Wertebereichs reduzieren. Wenn Rsource gleich +3,7 Ω ist und die Grenze des erwarteten Wertebereichs +3 Ω ist, kann der Mikroprozessor 142 imax von (53) um 70% reduzieren.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Stromflusses durch einen Stromverteilerkreis, der eine Stromzuleitung (36, 136) und eine Rückleitung (38, 138) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung (36, 136) und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung (38, 138) ermittelt und ein Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin umfasst, zu ermitteln, ob ein Betrag der ermittelten Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern eines Stromflusses durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz umfasst, den Stromfluss durch den Verteilerkreis zu vermindern, wenn der Betrag größer als der erste Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin umfasst, zu ermitteln, ob der Betrag größer als ein zweiter Schwellenwert ist, wenn der Betrag größer als der erste Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern eines Stromflusses durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz beinhaltet, den gesteuerten Stromfluss durch den Verteilerkreis zu stoppen, wenn der Betrag größer als der zweite Schwellenwert ist.
Kraftfahrzeug (10), das im Stande ist, Strom von einem Stromverteilerkreis zu empfangen, der eine Stromzuleitung (36) und eine Rückleitung (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Steuergerät (42) enthält, das in dem Fahrzeug angeordnet und dahingehend eingerichtet ist, (i) elektrisch mit dem Stromverteilerkreis verbunden zu werden, (ii) eine Differenz zwischen einem elektrischen Widerstand der Stromzuleitung (36) und einem elektrischen Widerstand der Rückleitung (38) zu ermitteln und (iii) einen Stromfluss durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz zu steuern.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (42) weiterhin dahingehend eingerichtet ist, zu ermitteln, ob ein Betrag der ermittelten Differenz größer als ein erster Schwellenwert ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern eines Stromflusses durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz umfasst, den Stromfluss durch den Verteilerkreis zu vermindern, wenn der Betrag größer als der erste Schwellenwert ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (42) weiterhin dahingehend eingerichtet ist, zu ermitteln, ob der Betrag größer als ein zweiter Schwellenwert ist, wenn der Betrag größer als der erste Schwellenwert ist.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern eines Stromflusses durch den Verteilerkreis auf Basis der ermittelten Differenz den Schritt umfasst, den gesteuerten Stromfluss durch den Verteilerkreis zu stoppen, wenn der Betrag größer als der zweite Schwellenwert ist.