DE102011089946A1

DE102011089946A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Vorladen eines Kondensators

Info

Publication number: DE102011089946A1
Application number: DE102011089946A
Authority: DE
Inventors: Sven Bergmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Vorladen eines Kondensators (12) umfassend die folgenden Schritte vorgeschlagen: Bereitstellen eines vorzuladenden Kondensators (12), Bereitstellen eines Batteriepacks aus n in Reihe geschalteten Zellen (10), eine Parallelschaltung aus n-Zweigen, welcher mit jeweils einem Schaltmittel (16) und einem bestimmt dimensionierten Widerstand (R1, ..., Rn) versehen ist und Bereitstellen eines Mikrocontrollers (14) zum Öffnen und Schließen der Schaltmittel (16) in den Parallelschaltungszweigen. Kennzeichnend umfasst das Verfahren ferner einen Mikrocontroller (14), über den die Schaltmittel (16) derart geöffnet und geschlossen werden können, dass der Ladestrom aus den Zellen (10) zum Vorladen des Kondensators (12) über die bestimmt dimensionierten Widerstände (R1, ..., Rn) an den Ladezustand des Kondensators (12) angepasst werden können. Ferner werden eine Schaltungsanordnung (1) zur Durchführung des Verfahrens, ein Batteriesystem umfassend die Schaltungsanordnung (1) und ein Kraftfahrzeug umfassend das Batteriesystem vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines Kondensators sowie eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des Verfahrens und ist anwendbar insbesondere bei Elektro- und Hybridfahrzeugen.
Ferner wird ein Batteriesystem umfassend die Schaltungsanordnung und ein Kraftfahrzeug umfassend das Batteriesystem beschrieben.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (zum Beispiel bei Windkraftanlagen), in Kraftfahrzeugen (zum Beispiel in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen) als auch im Bereich der Konsumgüter (zum Beispiel Laptops oder Mobiltelefonen) vermehrt wiederaufladbare Batterien zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden.
Hintergrund für diese Anforderung ist, dass ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann. So kann beispielsweise bei einem Elektrofahrzeug ein Ausfall der Traktionsbatterie zu einem sogenannten „Liegenbleiben“ führen.
Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist es notwendig, einen Kondensator vorzuladen, der sich prinzipbedingt zwischen dem Inverter und der Batterie befindet. Würde die Batterie ohne Vorladen auf den Kondensator geschaltet, so würde ein extrem hoher Strom fließen, bis der Kondensator geladen ist, da die Batterie sehr niedrigohmig ist. Dies würde zu einer extremen Alterung der Bauteile und einem frühen Ausfall führen. Daher ist es zwingend erforderlich, den Kondensator vorzuladen.
Es sind zwei Formen der Vorladung eines Kondensators bekannt. Zum einen wird der Kondensator über eine Stromquelle vorgeladen und zum anderen wird das Vorladen des Kondensators über einen definierten Widerstand realisiert.
1 zeigt beispielhaft, wie im Stand der Technik das Vorladen des Kondensators über eine Stromquelle 2 realisiert wird. Die Schaltung weist dabei eine Batterie 1 auf, die mit der Stromquelle 2 verbunden ist. Die Stromquelle 2 ist über einen Schalter 3 mit dem Kondensator 4 verbunden. Über die Stromquelle 2 wird der Strom begrenzt. Der Kondensator 4 wird dabei mit einem konstanten Strom, der durch die Stromquelle 2 geregelt wird, vorgeladen. Nachteilig durch das Vorladen über eine Stromquelle 2 ist, dass ein größerer Aufwand für die Ansteuerung des Vorladens notwendig ist. Der schaltende Transistor muss dabei relativ hohe Ströme schalten können (ca. 10 bis 20 A bei 400 V).
2 zeigt beispielhaft, wie im Stand der Technik das Vorladen des Kondensators 4 über einen definierten Widerstand R realisiert wird. Die Schaltung weist dabei eine Batterie 1 auf, die mit dem definierten Widerstand R verbunden ist. Der definierte Widerstand R ist über einen Schalter 3 mit dem Kondensator 4 verbunden. Bei dieser Konstellation wird der Widerstand R in den Stromkreis integriert, der den Strom begrenzt. Nachteil dieser Lösung ist, dass zu Beginn des Vorladens ein hoher Strom durch die Vorladeeinheit fließt, welcher exponentiell über der Zeit abnimmt und somit die Zeit bis zum Schließen der Hauptschütze verlängert. Mit anderen Worten bedeutet das, dass der Widerstand R so ausgelegt werden muss, dass der Kondensator 4 möglichst schnell vorgeladen wird, aber der Anfangsstrom möglichst gering ist. Ist der Widerstand R zu hoch, dauert die Vorladung zu lang, ist er zu klein und der anfängliche Strom zu hoch, dann wird der Widerstand R geschädigt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorladen eines Kondensators umfasst grundsätzlich folgende Schritte: Es werden ein vorzuladender Kondensator und ein Batteriepack aus n in Reihe geschalteten Zellen bereitgestellt. Weiterhin werden eine Parallelschaltung aus n-Zweigen, die mit jeweils einem Schaltmittel und einem bestimmt dimensionierten Widerstand versehen sind, und ein Mikrocontroller zum Öffnen und Schließen der Schaltmittel in den Parallelschaltungszweigen bereitgestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass über den Mikrocontroller die Schaltmittel derart geöffnet und geschlossen werden können, dass der Ladestrom aus den Zellen zum Vorladen des Kondensators über die bestimmt dimensionierten Widerstände an den Ladezustand des Kondensators angepasst werden können.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Vorladeprozess des Kondensators optimieren lässt, wenn über den Mikrocontroller der Ladestrom aus den Zellen über die Widerstände an den Ladezustand des Kondensators angepasst werden kann. Dadurch erhöht sich der Strom in vorher durch die Wahl der Widerstände festgelegter Höhe, so dass ein kontrolliertes Aufladen des Kondensators mit begrenztem Strom erfolgen kann. Bestimmt dimensionierte Widerstände sind Widerstände, deren Widerstandswert an das Ladeverhalten des Kondensators angepasst ist. Mit anderen Worten, ab einem bestimmten Füllstand werden einzelne Widerstände hinzugeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorladen des Kondensators hat den Vorteil, dass der Ladestrom durch das Hinzu- oder Abschalten von Parallelschaltungszweigen beziehungsweise Widerständen variabel an den Ladezustand des Kondensators angepasst werden kann. Ein anderer Vorteil ist, die Bauteile kleiner zu dimensionieren und damit günstigere Schaltungen zu konstruieren. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass die Ansteuerung weniger komplex ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen Batterie. Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was besonders im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eingangs der Widerstand so gewählt wird, dass der Kondensator mit einem niedrigen Strom vorgeladen wird. Dadurch ist vorteilhaft, dass es nicht zu einem frühen Ausfall der Batterie kommen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladestrom für das Vorladen des Kondensators über die Widerstände begrenzt wird. Durch diese Begrenzung kann vorteilhaft die Vorladung schneller und kontrollierter durchgeführt werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist ferner eine Schaltungsanordnung mit Zellen vorgesehen, welche mit Widerständen versehen ist, die über Schaltmittel mit dem Kondensator verbunden werden können, wobei parallel zu den Schaltmitteln ein Mikrocontroller angeordnet ist, mit welchem die Widerstände derart zugeschaltet werden können, dass der den vorzuladenden Kondensator ladende Strom zunächst durch einen hohen Widerstand auf einen kleinen Wert begrenzt werden kann und stufenweise, kontrolliert durch Hinzuschalten von Widerständen erhöht werden kann. In diesem Fall wird eine optimierte Vorladung des Kondensators erreicht.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Schaltungsmittel vorzugsweise Transistoren sind. Diese eignen sich besonders zum kontaktlosen Schalten kleiner und mittlerer Leistungen. Vorzugsweise sind die Transistoren als Metalloxidfeldeffekttransistor oder Bipolartransistor ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, bei der die Ansteuerung der Schaltmittel durch eine Schaltung mittels Komparatoren durchgeführt wird.
Ferner wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Vorladen des Kondensators umfasst.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches ein Batteriesystem mit einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Vorladen des Kondensators umfasst, wobei das Batteriesystem mit der verbundenen Schaltungsanordnung mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild zum Vorladen des Kondensators über eine Stromquelle gemäß Stand der Technik,
2 ein Prinzipschaltbild zum Vorladen des Kondensators über einen definierten Widerstand gemäß Stand der Technik,
3 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorladung des Kondensators mit n-Widerständen, und
4 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, wobei die Ansteuerung der Schaltmittel durch eine Schaltung mittels Komparatoren durchgeführt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
Auf die 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 1 zur Durchführung des Verfahrens zum Vorladen eines Kondensators 12 gezeigt. Der Kondensator 12 befindet sich zwischen einem Batteriepack, bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen 10, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Lithium-Ionen-Zellen, und einem Inverter – der Inverter ist in der 3 nicht dargestellt. Die Zellen 10 der Schaltungsanordnung 1 sind über eine Parallelschaltung aus jeweils bestimmt dimensionierten Widerständen R1, ..., Rn mit dem vorzuladenden Kondensator 12 verbunden, wobei über in jedem Zweig der Parallelschaltung befindliche Schaltmittel 16 einzelne Parallelschaltungszweige beziehungsweise Widerstände R1, ..., Rn hinzugeschaltet werden können. Das Schaltmittel 16 kann dabei ein Transistor sein. Der Vorteil eines Transistors ist, dass er sich zum kontaktlosen Schalten kleinerer und mittlerer Leistungen eignet.
Parallel zu den Schaltmitteln 16 ist ein Mikrocontroller 14 angeordnet, mit welchem die Widerstände R1, ..., Rn derart zugeschaltet werden können, dass der den vorzuladenden Kondensator 12 ladende Strom zunächst durch einen hohen Widerstand auf einen kleinen Wert begrenzt werden kann und stufenweise, kontrolliert durch Hinzuschalten von Widerständen R1, ..., Rn erhöht werden kann, um eine optimierte Vorladung des Kondensators 12 zu erreichen.
In der vorliegenden Erfindung wird der Ladestrom für das Vorladen des Kondensators 12 über die Widerstände R1, ..., Rn begrenzt. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass der Ladestrom durch das Hinzu- oder Abschalten von Parallelschaltungszweigen beziehungsweise Widerständen variabel an den Ladezustand des Kondensators 12 angepasst werden kann. Bei einer Parallelschaltung ist vorteilhaft, dass alle Elemente den gleichen Potenzialunterschied (Spannung) haben. Zudem können bei einer Parallelschaltung vorteilhaft einzelne Elemente hinzugefügt oder entfernt werden, ohne dass die anderen Elemente ausfallen.
In der vorliegenden Erfindung wird also eingangs ein hoher Widerstand R1, ..., Rn gewählt, um den Strom zu begrenzen, anschließend werden nacheinander immer kleinere Widerstände R1, ..., Rn aufgeschaltet. Dadurch bleibt der Strom klein und die Vorladung wird schneller durchgeführt. Wird eine gewisse Spannung des Kondensators 12 überschritten, wird der nächste Widerstand zugeschaltet. Durch die Parallelschaltung kann dann die Anzahl der Widerstände R1, ..., Rn reduziert werden.
In der 3 wird die Ansteuerung der Schaltmittel 16 durch einen Mikrocontroller 14 durchgeführt. 4 zeigt die Ansteuerung der Schaltmittel 16 durch eine Schaltung, die mittels Komparatoren 18 durchgeführt wird. Bei der Ausführung ohne einen Mikrocontroller 14 werden feste Spannungswerte als Vergleichsreferenz genommen. Erreicht die Spannung am Kondensator 12 diese Vergleichsspannung, wird der nächste Widerstand zugeschaltet.

Claims

Verfahren zum Vorladen eines Kondensators (12), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines vorzuladenden Kondensators (12), – Bereitstellen eines Batteriepacks aus n in Reihe geschalteten Zellen (10), – Bereitstellen einer Parallelschaltung aus n-Zweigen, welche mit jeweils einem Schaltmittel (16) und einem bestimmt dimensionierten Widerstand (R1, ..., Rn) versehen sind, – Bereitstellen eines Mikrocontrollers (14) zum Öffnen und Schließen der Schaltmittel (16) in den Parallelschaltungszweigen, dadurch gekennzeichnet, dass über den Mikrocontroller (14) die Schaltmittel (16) derart geöffnet und geschlossen werden können, dass der Ladestrom aus den Zellen (10) zum Vorladen des Kondensators (12) über die bestimmt dimensionierten Widerstände (R1, ..., Rn) an den Ladezustand des Kondensators (12) angepasst werden kann.
Verfahren zum Vorladen eines Kondensators (12) nach Anspruch 1, wobei die Zellen (10) Lithium-Ionen Sekundärzellen sind.
Verfahren zum Vorladen eines Kondensators (12) nach Anspruch 1, wobei eingangs der Widerstand (R1, ..., Rn) so gewählt wird, dass der Kondensator (12) mit einem niedrigen Strom vorgeladen wird.
Verfahren zum Vorladen eines Kondensators (12) nach Anspruch 1, wobei der Ladestrom für das Vorladen des Kondensators (12) über die Widerstände (R1, ..., Rn) begrenzt wird.
Schaltungsanordnung (1) mit Zellen (10), welche mit Widerständen (R1, ..., Rn) versehen ist und über Schaltmittel (16) mit einem Kondensator (12) verbunden ist, wobei parallel zu den Schaltmitteln (16) ein Mikrocontroller (14) angeordnet ist, mit welchem die Widerstände (R1, ...,Rn) derart zugeschaltet werden können, dass der den vorzuladenden Kondensator (12) ladende Strom zunächst durch einen hohen Widerstand auf einen kleinen Wert begrenzt werden kann und stufenweise, kontrolliert durch Hinzuschalten von Widerständen (R1, ..., Rn) erhöht werden kann.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Schaltmittel (16) Transistoren sind.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei die Transistoren als Metalloxidfeldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei eine Ansteuerung der Schaltmittel (16) durch eine Schaltung mittels Komparatoren (U1, ..., Un) durchgeführt wird.
Batteriesystem, umfassend eine Schaltungsanordnung (1) zur Durchführung des Verfahrens zum Vorladen eines Kondensators (12) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.
Kraftfahrzeug, umfassend ein Batteriesystem nach Anspruch 9, wobei das Batteriesystem mit der verbundenen Schaltungsanordnung (1) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.