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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Elektrofahrzeug sowie ein entsprechendes Elektrofahrzeug.
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Ein Bordnetz weist typischerweise mehrere Komponenten auf, welche über ein oder mehrere Leitungen zur Energie- und/oder Signalübertragung miteinander verbunden sind. Ein Bordnetz findet üblicherweise Verwendung in einem Fahrzeug und umfasst dann Komponenten des Fahrzeugs, z.B. eine Batterie als eine Energiequelle oder eine Klimaanlage, einen Antrieb und dergleichen als Verbraucher.
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Ein Bordnetz für ein Elektrofahrzeug stellt einen Spezialfall dar. Ein Elektrofahrzeug weist einen elektrischen Antrieb auf, welcher typischerweise eine Hochspannungsversorgung (kurz: HV-Versorgung) benötigt. Entsprechend weist das Bordnetz hierzu ein HV-Netz auf, mit einer HV-Batterie, mit einer Leistungselektronik und mit einer E-Maschine, welche miteinander über entsprechende HV-Leitungen verbunden sind. Zusätzlich zum HV-Netz ist oftmals noch ein Niedervoltnetz vorhanden, mit einer Niedervoltbatterie, welche entsprechende Niedervolt-Verbraucher mit Energie versorgt.
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Die HV-Batterie ist aus Gründen der Kontaktsicherheit typischerweise mittels eines Trennelements vom restlichen Bordnetz abtrennbar, beispielsweise mittels galvanisch trennender Schütze. Beim umgekehrten Verbinden können jedoch hohe Ströme auftreten, welche zu einer Beschädigung einzelner oder mehrerer elektrischer Komponenten führen können, speziell der genannten Schütze. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Bordnetz eine Kapazität enthält, beispielsweise einen Filterkondensator oder Energiepufferkondensator als Teil eines Wechselrichters im Bordnetz. Um Beschädigungen zu Vermeiden, wird diese Kapazität zweckmäßigerweise vorgeladen.
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Beispielsweise ist in der
DE 10 2015 209 081 A1 ein elektrisches System beschrieben, welches eine Hochvolt-Batterie und eine Niedervolt-Batterie umfasst, zwischen welchen ein DC/DC-Wandler angeordnet ist. Zwischen der Hochvolt-Batterie und dem DC/DC-Wandler ist weiter ein Zwischenkreiskondensator angeordnet. Der DC/DC-Wandler kann zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators verwendet werden, wobei dann die Niedervolt-Batterie eine Spannungsquelle ist.
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Allgemein ergibt sich beim Vorladen das Problem, dass dieses eine gewisse Zeit benötigt und währenddessen hinsichtlich der Spannung im Bordnetz eine gewisse Dynamik entfaltet. Falls die Verbindung der HV-Batterie mit dem restlichen Bordnetz zum falschen Zeitpunkt erfolgt, z.B. bei unzureichender Vorladung, besteht die Gefahr einer Beschädigung z.B. durch Stromspitzen. Speziell für den Fall, dass mittels eines DC/DC-Wandlers vorgeladen wird, ist mit diesem zusätzlich zur HV-Batterie eine weitere Komponente am Vorladen beteiligt, wodurch sich eine erhöhte Komplexität ergibt. Auch stellt ein DC/DC-Wandler, welcher zum Vorladen genutzt wird, eine HV-Energiequelle und somit ein entsprechendes Gefahrenpotential dar.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Elektrofahrzeug anzugeben sowie ein entsprechendes Elektrofahrzeug. Dabei soll ein Vorladen im Bordnetz mittels eines Gleichspannungswandlers möglichst sicher und zuverlässig durchführbar sein und auch durchgeführt werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen zum Verfahren gelten sinngemäß auch für das Elektrofahrzeug und umgekehrt. Insbesondere wird die Aufgabe weiterhin gelöst durch ein Bordnetz. Die Ausführungen zum Elektrofahrzeug gelten entsprechend auch für das Bordnetz. Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für das Elektrofahrzeug und das Bordnetz insbesondere dadurch, dass dieses ausgebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen.
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Das Verfahren dient allgemein zum Betrieb eines Bordnetzes für ein Elektrofahrzeug. Das Bordnetz weist ein HV-Netz und ein Niedervoltnetz auf sowie einen Gleichspannungswandler, welcher das HV-Netz mit dem Niedervoltnetz verbindet. Unter „HV“ wird „Hochspannung“ verstanden, nämlich bei einer Gleichspannung insbesondere oberhalb von 60 V und bei einer Wechselspannung insbesondere oberhalb von 30 V. Der Gleichspannungswandler wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet. Das HV-Netz selbst weist eine HV-Batterie, ein Trennelement und einen Zwischenkreis auf. Die HV-Batterie wiederum weist eine Anzahl von Zellen auf, wobei unter „einer Anzahl von“ hier und auch allgemein „zumindest ein/eine“ verstanden wird. Vorliegend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von mehreren Zellen ausgegangen. Das Trennelement ist ausgebildet zum Trennen und Verbinden der Zellen und des Zwischenkreises. Ähnlich wie der Gleichspannungswandler das Niedervoltnetz und das HV-Netz miteinander verbindet und voneinander abgrenzt, so verbindet auch das Trennelement die Zellen mit dem Zwischenkreis und grenzt diese voneinander ab, sodass die Zellen elektrisch betrachtet auf einer Seite des Trennelements angeordnet sind und der Zwischenkreis, d.h. insbesondere das übrige HV-Netz und auch das Niedervoltnetz, auf der anderen Seite des Trennelements. Die Zellen sind demnach bezüglich des Trennelements zellseitig angeordnet und der Zwischenkreis ist demgegenüber wandlerseitig angeordnet.
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Der Zwischenkreis wird in einer Vorladephase mittels des Gleichspannungswandlers aus dem Niedervoltnetz vorgeladen, indem bezüglich des Trennelements zellseitig eine Zellspannung gemessen wird und wandlerseitig eine Zwischenspannung. Die Zellspannung und die Zwischenspannung werden jeweils beispielsweise mittels eines entsprechenden Spannungsmessgeräts oder einer Spannungsmessschaltung gemessen. Während der Vorladephase ist das Trennelement geöffnet, sodass die Zellen vom Zwischenkreis und auch vom Gleichspannungswandler getrennt sind. Die Zellspannung entspricht insbesondere der HV-Spannung der HV-Batterie. Die Zellspannung wird insbesondere zwischen den Zellen und dem Trennelement gemessen. Die Zwischenspannung wird insbesondere zwischen dem Trennelement und dem Gleichspannungswandler gemessen. Die Zwischenspannung ist insbesondere diejenige Spannung, welche im Zwischenkreis tatsächlich vorliegt und welche während der Vorladephase vom Gleichspannungswandler tatsächlich hergestellt wird.
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Während der Vorladephase wird nun der Gleichspannungswandler mit der Zwischenspannung als ein Istwert und der Zellspannung als ein Sollwert gesteuert, zum Angleichen der Zwischenspannung an die Zellspannung. Auf diese Weise wird beim Vorladen die Zwischenspannung an die Zellspannung angeglichen. Mit anderen Worten: der Gleichspannungswandler wird abhängig von den beiden Spannungen, nämlich Zellspannung und Zwischenspannung, auf beiden Seiten des Trennelements gesteuert. Dabei wird der Gleichspannungswandler insbesondere zumindest solange im Hochsetzbetrieb betrieben, wie der Istwert unterhalb des Sollwerts liegt. Bei Erreichen des Sollwerts, ggf. innerhalb eines Toleranzbereichs, wird die Vorladephase beendet, da dann die Zwischenspannung hinreichend an die Zellspannung angeglichen ist, um das Trennelement sicher zu schließen. Das Verfahren ist somit speziell insbesondere ein Steuerverfahren für einen Gleichspannungswandler zum Vorladen im Bordnetz eines Elektrofahrzeugs. Als Energiequelle beim Vorladen dient insbesondere eine Niedervoltbatterie, welche ein Teil des Niedervoltnetzes ist. Die Niedervoltbatterie stellt eine Niederspannung bereit, welche vom Gleichspannungswandler hochgesetzt wird, d.h. während der Vorladephase wird der Gleichspannungswandler in einem Hochsetzbetrieb betrieben.
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Ein Kerngedanke der Erfindung ist insbesondere die Messung der Zellspannung einerseits und der Zwischenspannung andererseits und deren Verwendung bei der Steuerung des Gleichspannungswandlers zum Vorladen. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass der Gleichspannungswandler bei offenem Trennelement von den Zellen getrennt ist und daher keine Kenntnis von der Zellspannung haben kann, wodurch die Ansteuerung des Gleichspannungswandlers beim Vorladen entsprechend unsicher ist. Grundsätzlich könnte einfach irgendeine Spannung als Sollwert vorgegeben werden, z.B. eine Nennspannung der HV-Batterie, diese ist aber nicht notwendigerweise korrekt. Beim Vorladen wird jedoch zweckmäßigerweise die Zwischenspannung möglichst nah an die Zellspannung angeglichen. Durch Kenntnis der Zellspannung beim Vorladen ist nun eine deutlich verbesserte Steuerung des Gleichspannungswandlers realisiert. Ein wesentlicher Vorteil besteht somit insbesondere darin, dass der Gleichspannungswandler als zusätzliche Komponente funktional mit der HV-Batterie verbunden ist und dadurch bei dessen Steuerung die tatsächliche Zellspannung als Sollwert verfügbar ist und auch entsprechend genutzt wird.
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Unter einem „Elektrofahrzeug“ werden jegliche Fahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb verstanden, z.B. rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge und auch Hybridfahrzeuge. Unter einem Fahrzeug werden dabei insbesondere nicht-schienengebundenen Landfahrzeuge verstanden, speziell PKW und LKW. Ein Elektrofahrzeug weist grundsätzlich einen elektrischen Antrieb auf, welcher von einer HV-Batterie des Elektrofahrzeugs mit Energie versorgt wird. Der Antrieb umfasst typischerweise zumindest eine E-Maschine sowie zu deren Steuerung eine Leistungselektronik. Die HV-Batterie stellt hierzu als eine Betriebsspannung eine Hochspannung, kurz „HV“ bereit. Die Hochspannung ist geeignet zur Versorgung des elektrischen Antriebs.
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Das Bordnetz ist wie beschrieben grundsätzlich in ein HV-Netz und ein Niedervoltnetz unterteilt, welche durch den Gleichspannungswandler verbunden sind. Der Gleichspannungswandler ist vorzugsweise ein galvanisch getrennter Gleichspannungswandler, sodass eine zusätzlich HV-Absicherung des Niedervoltnetzes gewährleistet ist. Der Gleichspannungswandler ist vorzugsweise eine sogenannte ASIL-Komponente (ASIL = Automotive Safety Integrity Level) und dann ein sicherheitsrelevantes System mit entsprechenden Anforderungen insbesondere gemäß ISO 26262.
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Im Niedervoltnetz ist die bereits genannte Niedervoltbatterie eine Energiequelle, beispielsweise mit einer Betriebsspannung von 12 V, 24 V oder 48 V und jedenfalls unterhalb von 60 V. Analog weist das HV-Netz als eine Energiequelle die bereits genannte HV-Batterie auf, mit einer Betriebsspannung innerhalb einer bestimmten Spannungslage, beispielsweise mit einer Betriebsspannung von 380 V. Im HV-Netz sind typischerweise weitere HV-Komponenten vorhanden, beispielsweise die E-Maschine zum Antrieb des Elektrofahrzeugs, die Leistungselektronik zur Ansteuerung der E-Maschine, ein Ladegerät, eine oder mehrere Komfortkomponenten, z.B. ein HV-Heizer oder ein Kältemittelverdichter einer Klimaanlage. Der Zwischenkreis des HV-Netzes umfasst insbesondere alle Komponenten und Leitungen des HV-Netzes außer der HV-Batterie und der darin integrierten Komponenten. Durch die diversen Komponenten und Leitungen sind im HV-Netz und speziell im Zwischenkreis explizit oder parasitär eine oder mehrere Kapazitäten gebildet, welche zusammengenommen eine Kapazität des HV-Netzes, speziell des Zwischenkreises bilden. Diese Kapazität wird auch als Zwischenkapazität bezeichnet. Die Zwischenkapazität ist problematisch beim Verbinden der HV-Batterie mit dem übrigen HV-Netz und soll daher während der Vorladephase vorgeladen werden.
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Die HV-Batterie weist zusätzlich zu den Zellen typischerweise zwei Pole auf, nämlich einen Minuspol und einen Pluspol, welche mit den Zellen verbunden sind, zum Anschluss an das übrige HV-Netz. Zwischen den Polen und den Zellen ist ein Trennelement angeordnet, um die Pole vorzugsweise galvanisch von den Zellen zu trennen. Bevorzugterweise weist das Trennelement zwei Schütze auf, einen für jeden der Pole, d.h. einen Minusschütz und einen Plusschütz. Zum Verbinden der HV-Batterie mit dem übrigen HV-Netz wird das Trennelement geschlossen, zum Trennen der HV-Batterie entsprechend geöffnet. Speziell beim Verbinden stellt die Kapazität im Zwischenkreis ein Problem dar und soll daher vorgeladen werden, bevor die tatsächliche, galvanische Verbindung der Zellen mit dem übrigen HV-Netz und somit auch mit der Kapazität erfolgt. Problematisch ist vor Allem, dass auf beiden Seiten des Trennelements unterschiedliche Spannungen vorliegen, nämlich einmal zellseitig die Zellspannung und andererseits wandlerseitig die Zwischenspannung, welche im restlichen HV-Netz und an der Kapazität herrscht. Üblicherweise ist für das Trennelement eine Zielspannungsdifferenz als eine Toleranz angeben, welche den maximal akzeptablen Unterschied zwischen den Spannungen auf beiden Seiten angibt, d.h. den Unterschied, bei welchem ein eventueller Ausgleichsstrom das Trennelement nicht oder nicht nennenswert beschädigt. In einer geeigneten Ausgestaltung beträgt die Zielspannungsdifferenz 10 V in beiden Richtungen.
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Grundsätzlich ist es möglich, zum Vorladen anstelle des Gleichspannungswandlers einen sogenannten Vorladekreis zu verwenden, welcher einen Vorladewiderstand, zur Strombegrenzung, und einen Vorladeschalter, z.B. ein Schütz, in Reihe zueinander geschaltet aufweist. Bei Verwendung eines solchen Vorladekreises werden dann mit Beginn der Vorladephase der Vorladeschalter sowie lediglich einer der oben genannten Schütze geschlossen und dadurch eine Verbindung zwischen den Zellen der HV-Batterie und der Kapazität hergestellt. Diese Verbindung führt durch den Vorladewiderstand, welcher als Strombegrenzer wirkt, sodass die Kapazität allmählich vorgeladen wird. Je nach Dimensionierung des Vorladewiderstands steigt die Zwischenspannung im HV-Netz an, bis sich diese an die HV-Spannung angeglichen hat. Zweckmäßigerweise wird solange vorgeladen, bis sich die Zwischenspannung relativ zur HV-Spannung innerhalb eines bestimmten Spannungsintervalls befindet. Die Kapazität ist dann hinreichend vorgeladen und die Zellen können vollständig mit dem übrigen HV-Netz verbunden werden und somit den Vorladewiderstand umgehen. Hierzu wird der zweite der bereits genannten Schütze geschlossen. Da aufgrund des Vorladens auf beiden Seiten der Schütze eine zumindest ähnliche Spannung herrscht, werden Überspannungen, Lichtbögen und dergleichen vorteilhaft vermieden. Sind die beide Schütze geschlossen, d.h. ist das Trennelement vollständig geschlossen, wird der Vorladeschütz geöffnet, der Vorladewiderstand wird zunächst nicht mehr benötigt.
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Vorliegend wird nun beim Vorladen des Zwischenkreises der Gleichspannungswandler an der Schnittstelle zwischen HV-Netz und Niedervoltnetz mit einbezogen. Der Gleichspannungswandler wirkt hier als Hochsetzsteller in einem Hochsetzbetrieb und wandelt die Spannung der Niedervoltbatterie in eine Hochspannung für das HV-Netz um. Die Zwischenkapazität lässt sich auf diese Weise aus dem Niedervoltnetz vorladen und ein Vorladekreis wie oben beschrieben wird vorteilhaft überflüssig. Daher ist das Bordnetz, speziell die HV-Batterie, in einer bevorzugten Ausgestaltung frei von einem Vorladekreis mit einem Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand. Das prinzipielle Vorgehen ist aber zunächst ähnlich: auf ein Startsignal hin wird die Kapazität vorgeladen, bis die Zwischenspannung einen bestimmten Wert erreicht, ab welchem dann die Zellen mit dem übrigen HV-Netz verbunden wird, indem das Trennelement vollständig geschlossen wird.
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Die vorbeschriebene Lösung mit einem Vorladekreis ist besonders einfach umsetzbar, zumal dann, wenn der Vorladekreis in die HV-Batterie integriert ist oder zumindest von dieser gesteuert wird. Das Vorladen erfolgt dann unabhängig von anderen Komponenten des Bordnetzes und die HV-Batterie kann das Vorladen alleinig durchführen und hierzu auch alle nötigen Spannungen selbst messen. Bei Verwendung eines Gleichspannungswandlers zum Vorladen fällt jedoch die Funktion des Vorladens aus dem Funktionsumfang der HV-Batterie heraus, nun ist eine weitere Komponente am Vorladen beteiligt, welche allerdings keine Kenntnis von der Zellspannung hat. Dennoch ist ein Vorladen mittels des Gleichspannungswandlers vorteilhaft, da nun auf einen Vorladekreis verzichtet und ein solcher entsprechend eingespart werden kann. Umso vorteilhafter ist es, wenn der Gleichspannungswandler ohnehin schon für eine andere Funktion im Bordnetz vorgesehen ist und nicht extra zum Vorladen hinzugefügt werden muss, sondern mit dem Vorladen eine weitere Funktion erfüllt, zusätzlich zu einer ohnehin schon vorgesehenen Funktion. Eine solche ohnehin schon vorgesehene Funktion ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Erzeugen eines Prüfpulses mit der Niedervoltbatterie, um, vergleichbar mit einem Startergenerator, einen Startvorgang zu simulieren. Der Gleichspannungswandler wird hier genutzt, um die dabei im Niedervoltnetz erzeugten Energie in das HV-Netz zu übertragen und dort zu speichern. Denkbar und geeignet sind aber auch andere Funktionen. Wesentlich ist, dass der Gleichspannungswandler bereits im Bordnetz vorhanden ist und dieser mit dem Vorladen in der Vorladephase einen erweiterten Funktionsumfang erhält, also effektiver genutzt wird.
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Ein wichtiger Unterschied des hier beschriebenen Verfahrens zum Vorladen mit einem Vorladekreis ist, dass das Vorladen mit dem Gleichspannungswandler insgesamt nicht mehr alleinig von der HV-Batterie durchgeführt werden kann, denn die Energie zum Vorladen wird jetzt nicht von der HV-Batterie bereitgestellt, sondern vom Gleichspannungswandler, welcher die Energie wiederum aus dem Niedervoltnetz bezieht. Umgekehrt besteht das bereits beschriebene Problem, dass der Gleichspannungswandler keine Kenntnis von der Zellspannung hat. Eine Kenntnis dieser Spannung ist beim Vorladen zwar nicht zwingend, jedoch vorteilhaft, um den Gleichspannungswandler im Hochsetzbetrieb geeignet anzusteuern.
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Bevorzugterweise weist das Bordnetz eine Mastereinheit auf, welche auch als Steuereinheit oder Controller bezeichnet wird. Die Mastereinheit ist mit der HV-Batterie und dem Gleichspannungswandler verbunden und steuert diese einerseits und erhält von diesen andererseits jeweils ein oder mehrere Statussignale, zur Überwachung. Die Mastereinheit ist mit der HV-Batterie und dem Gleichspannungswandler insbesondere über eine Signalleitung verbunden, zum Datenaustausch. Der Datenaustausch umfasst insbesondere, dass der Gleichspannungswandler und die HV-Batterie jeweils ein oder mehrere Statussignale an die Mastereinheit übermitteln und dass die Mastereinheit jeweils ein oder mehrere Steuersignale an die HV-Batterie und den Gleichspannungswandler übermittelt. Auf diese Weise sind die HV-Batterie und der Gleichspannungswandler über die Mastereinheit auf vorteilhafte Weise funktional verknüpft.
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Dem oben beschriebenen Auseinanderfallen der Funktionen beim Vorladen wird durch die Mastereinheit entgegengewirkt. Zugleich ist eine Diagnose des Bordnetzes möglich.
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Ein Steuersignal für die HV-Batterie ist geeigneterweise eine Anweisung, das Trennelement zu schließen oder zu öffnen. Ein Steuersignal an den Gleichspannungswandler ist geeigneterweise eine Anweisung, den Hochsetzbetrieb zu aktivieren oder zu deaktivieren oder eine Anweisung, die Vorladephase zu starten oder zu beenden. Ein Statussignal von der HV-Batterie zeigt geeigneterweise an, ob das Trennelement geöffnet oder geschlossen ist oder ob die Zwischenspannung der Zellspannung entspricht oder nicht. Ein Statussignal von dem Gleichspannungswandler zeigt geeigneterweise an, ob der Sollwert den Istwert erreicht hat oder nicht oder welcher Strom durch den Gleichspannungswandler fließt oder welche Hochspannung an diesem anliegt. Geeignet ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher ein Statussignal ein Fehlersignal ist, welches anzeigt, dass ein Fehler vorliegt, beispielsweise ein Fehler derjenigen Komponente, welche das Fehlersignal erzeugt und übermittelt. Die vorgenannten Ausgestaltungen sind grundsätzlich beliebig kombinierbar. Anhand der vorgenannten Statussignale bestimmt die Mastereinheit geeigneterweise, ob die Vorladephase korrekt durchgeführt wird oder wurde und bricht diese gegebenenfalls ab, falls ein Fehler vorliegt. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die HV-Batterie oder der Gleichspannungswandler oder beide im Falle eines Fehlers direkt ein Statussignal an die Mastereinheit übermitteln, sodass diese die entsprechend andere Komponente dann geeignet steuert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung misst die HV-Batterie die Zellspannung und übermittelt diese an den Gleichspannungswandler. In einer Variante misst die HV-Batterie zusätzlich auch die die Zwischenspannung und übermittelt diese ebenfalls an den Gleichspannungswandler. Entsprechend sind die HV-Batterie und der Gleichspannungswandler insbesondere über eine Signalleitung verbunden, zur Datenübertragung. Die Signalleitung umgeht in einer geeigneten Ausgestaltung die Mastereinheit, sodass die HV-Batterie und der Gleichspannungswandler direkt verbunden sind. Zweckmäßig ist aber auch eine mittelbare Verbindung und Übermittlung über die Mastereinheit. Wesentlich ist, dass der Gleichspannungswandler von der HV-Batterie die Information erhält, welche Zellspannung in der HV-Batterie vorliegt, da diese Größe für den Gleichspannungswandler nicht unmittelbar zugänglich ist.
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Die HV-Batterie weist vorzugsweise ein Batteriemanagementmodul auf, mit welchem die Zellspannung gemessen wird und mit welchem zweckmäßigerweise auch die Zwischenspannung gemessen wird. Vorzugsweise steuert das Batteriemanagementmodul auch das Trennelement.
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Insgesamt kommandiert die Mastereinheit vorzugsweise die HV-Batterie und den Gleichspannungswandler und übernimmt somit insbesondere die Funktion der Steuerung der HV-Batterie und des Gleichspannungswandlers. Die HV-Batterie übernimmt vorzugsweise die Funktion, das Trennelement umzuschalten, d.h. zu öffnen oder zu schließen, und geeigneterweise zusätzlich auch die Funktion, die Zellspannung zu überwachen, sowie entsprechende Statussignale auszugeben. Der Gleichspannungswandler übernimmt vorzugsweise die Funktionen, während der Vorladephase den Zwischenkreis vorzuladen, während der Verbindungsphase die Zwischenspannung zu halten und insgesamt die Zwischenspannung zu überwachen sowie entsprechende Statussignale auszugeben. Die diversen Statussignale dienen insbesondere zur Überwachung und somit zur Diagnose, sodass die Mastereinheit bei Erkennen eines Fehlers geeignete Gegenmaßnahmen, z.B. eine Abschaltung vornehmen kann und zweckmäßigerweise auch vornimmt.
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Vorzugsweise weist der Gleichspannungswandler eine Sensorik auf, insbesondere zum Messen und Überwachen einer Spannung, vorzugsweise der Zwischenspannung. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Sensorik mittels eines Offsetabgleichs korrigiert, welcher geeignet ist, zumindest eines der nachfolgend beschriebenen Risiken zu vermeiden. Ein erstes Risiko ist, dass die Spannung, welche tatsächlich vorliegt, zwar in einem vorgegebenen Zielereich liegt, dass aber die Spannung, welche mit der Sensorik gemessen wird aufgrund einer Toleranzkette von der HV-Batterie und dem Gleichspannungswandler außerhalb des Zielbereichs liegt, sodass also gemessen Spannung und tatsächliche Spannung nicht übereinstimmen. In diesem Fall wird zweckmäßigerweise ein Fehlersignal erzeugt und dieses z.B. über eine Warnleuchte ausgegeben und das Vorladen wird abgebrochen. Ein zweites Risiko ist umgekehrt, dass die tatsächliche Spannung außerhalb des Zielbereichs liegt, obwohl die gemessene Spannung innerhalb des Zielbereichs liegt, wodurch das Trennelement beim Umschalten potentiell beschädigt wird. Zur Vermeidung eines oder beider Risiken wird während der Vorladephase zweckmäßigerweise einmal eine konstante Spannung gewählt, ein Offsetabgleich der Sensorik durchgeführt, insbesondere mittels eines Datenaustauschs zwischen den Komponenten im Bordnetz, und damit ein Offset bestimmt, welcher in einem Speicher gespeichert wird und dann insbesondere vom Gleichspannungswandler zur Korrektur der gemessenen Spannung verwendet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Gleichspannungswandler während der Vorladephase zuerst bis zum Erreichen einer ersten Spannung unterhalb der Zellspannung, d.h. des Sollwerts, stromgeregelt betrieben und danach bis zum Erreichen der Zellspannung spannungsgeregelt betrieben. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass beim Vorladen zur Vermeidung von Schäden zweckmäßigerweise der Strom zum Vorladen des Zwischenkreises beschränkt wird, analog zum Vorladewiderstand bei Verwendung eines Vorladekreises wie weiter oben bereits beschrieben. Der Gleichspannungswandler wird also während der Vorladephase mit der Zwischenspannung als ein Istwert und der Zellspannung als ein Sollwert gesteuert, indem für einen Istwert unterhalb der ersten Spannung der Strom auf einen vorgegebenen Strom geregelt wird, bis der Istwert die erste Spannung erreicht. Beispielsweise wird der Gleichspannungswandler auf einen Strom von 10 A geregelt, während der Istwert geringer ist als die erste Spannung. Beim Erreichen der ersten Spannung und somit kurz vor Erreichen des Sollwerts wird von einer Stromregelung auf eine Spannungsregelung umgeschaltet, sodass der Gleichspannungswandler für den verbleibenden Anstieg bis zum Sollwert spannungsgeregelt betrieben wird, nämlich insbesondere auf den Sollwert geregelt. Die erste Spannung beträgt geeigneterweise zwischen 90 % und 98 % des Sollwerts. Alternativ ist auch eine durchgängige Stromregelung ohne Umschalten möglich und geeignet, d.h. der Gleichspannungswandler wird dann bis zum Erreichen des Sollwerts stromgeregelt betrieben.
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Vorzugsweise wird während einer Prüfphase zumindest eine Startbedingung überwacht, bevorzugterweise von der Mastereinheit, und die Vorladephase lediglich dann gestartet, wenn die Startbedingung erfüllt ist. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass der Zwischenkreis geladen wird, wenn das Bordnetz sich in einem hierfür ungünstigen Zustand befindet, z.B. wenn noch eine Komponente aktiviert ist, beispielsweise ein HV-Heizer im HV-Netz zum Beheizen eines Innenraums des Elektrofahrzeugs. Die Startbedingung ist in diesem Fall, dass die Komponente deaktiviert ist. Die Prüfphase geht der Vorladephase voraus. Die Vorladephase wird erst gestartet, wenn die Prüfphase beendet ist.
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Vorzugsweise führt der Gleichspannungswandler während der Vorladephase eine Diagnose durch und erzeugt hierbei ein Statussignal, falls eine gesamte Zeitdauer der Vorladephase einen Höchstwert z.B. von 10 s überschreitet, falls eine zeitlich Änderung der Zwischenspannung außerhalb eines vorgegebenen Spannungsintervalls liegt oder falls ein Strom im Zwischenkreis einen vorgegebenen Höchststrom überschreitet oder eine Kombination hiervon. Beispielsweise deutet eine zu schnelle Änderung, d.h. eine Änderung der Spannung oberhalb des vorgegebenen Spannungsintervalls, eine offene HV-Leitung an oder das Fehlen einer Kapazität im Zwischenkreis. Demgegenüber deutet eine zu langsame Änderung, d.h. eine Änderung der Spannung unterhalb des vorgegebenen Spannungsintervalls, auf einen Kurzschluss hin, über welchen Strom abfließt. Ein zu hoher Strom, d.h. ein Strom oberhalb des vorgegebenen Höchststroms, speziell bei bereits erreichtem Sollwert der Zwischenspannung, deutet auf einen aktiven Verbraucher hin, welcher zwar keinen Ausgleichsstrom verursacht, jedoch beim Schließen des Trennelements potentiell einen unzulässigen Strom verursacht. Entsprechend misst der Gleichspannungswandler die an diesem anliegende Spannung, d.h. die Zwischenspannung und somit den Istwert, oder den Strom, welcher durch den Gleichspannungswandler fließt, oder beides. Bei entsprechenden Abweichungen wird ein Statussignal erzeugt und durch dieses beispielsweise eine Warnleuchte im Elektrofahrzeug aktiviert. Das Statussignal wird vorzugsweise an die Mastereinheit übermittelt, zur zentralisierten Diagnose und um gegebenenfalls die jeweils andere Komponente (HV-Batterie oder Gleichspannungswandler) geeignet anzusteuern.
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Sobald die Zwischenspannung den Sollwert erreicht, gegebenenfalls innerhalb einer Toleranz, und damit hinreichend an die Zellspannung angeglichen ist, wird die Vorladephase beendet und eine Verbindungsphase gestartet, während welcher das Trennelement geschlossen wird, um die Zellen mit dem Zwischenkreis galvanisch zu verbinden und also die HV-Batterie zur Energieentnahme mit dem übrigen HV-Netz zu verbinden.
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Geeigneterweise wird am Ende der Vorladephase die Verbindungsphase gestartet, während welcher das Trennelement geschlossen wird und zugleich der Gleichspannungswandler auf den Sollwert geregelt wird. Während der Verbindungsphase wird somit der Gleichspannungswandler spannungsgeregelt betrieben. Dadurch werden vorteilhaft eventuelle Energieverluste durch passive Widerstände oder Ähnliches ausgeglichen ohne dass die Zwischenspannung abfällt. Sofern der Gleichspannungswandler bereits während der Vorladephase und an deren Ende spannungsgeregelt betrieben wird, wird der Gleichspannungswandler beim Übergang in die Verbindungsphase einfach weiter spannungsgeregelt betrieben. Ein spezielles Umschalten ist nicht nötig.
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Während der Verbindungsphase wird zweckmäßigerweise eine Diagnose durchführt, indem der Gleichspannungswandler ein Statussignal erzeugt, falls ein Strom im Zwischenkreis einen vorgegebenen Höchststrom überschreitet, oder indem die HV-Batterie eine Diagnose durchführt und hierbei ein Statussignal erzeugt, falls eine gesamte Zeitdauer der Verbindungsphase einen Höchstwert z. B. von 10 s überschreitet und/oder falls eine Differenz zwischen der Zellspannung und der Zwischenspannung eine vorgegebene Maximaldifferenz überschreitet, oder beides. Beispielsweise wird durch den Gleichspannungswandler dann ein Strom erkannt, welcher größer ist als der oben bereits genannte Strom zum Ausgleich passiver Widerstände, sodass auf einen aktiven Verbraucher geschlossen wird. Ein solcher Verbraucher ist beispielsweise aufgrund der Topologie des HV-Netzes nicht von der HV-Batterie erkennbar, da der Strom vom Gleichspannungswandler direkt zum Verbraucher fließt. Bei Erkennung einer zu großen Differenz zwischen Zellspannung und Zwischenspannung nach der Vorladephase wird sicherheitshalber das Trennelement nicht geschlossen, um entsprechend negative Effekte zu vermeiden. Entsprechend misst der Gleichspannungswandler den Strom und die HV-Batterie die Zellspannung und die Zwischenspannung. Analog zur Diagnose während der Vorladephase wird bei entsprechenden Abweichungen das Statussignal erzeugt und durch dieses beispielsweise eine Warnleuchte im Elektrofahrzeug aktiviert. Das Statussignal wird vorzugsweise an die Mastereinheit übermittelt, zur zentralisierten Diagnose und um gegebenenfalls die jeweils andere Komponente (HV-Batterie oder Gleichspannungswandler) geeignet anzusteuern.
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Nachdem das Trennelement dann geschlossen wurde und die HV-Batterie mit dem übrigen Bordnetz verbunden ist, wird die Verbindungsphase beendet. Das Elektrofahrzeug wird nun in einen Fahrbetrieb geschaltet, in welchem dann eine Fortbewegung möglich ist. Die Vorladephase und die Verbindungsphase sind demnach Teil eine vorbereitenden Anlassbetriebs des Elektrofahrzeugs, um dieses in einen betriebsfähigen Zustand zu versetzen. Entsprechend kurz sind die Vorladephase und die Verbindungsphase. Die Vorladephase und die Verbindungsphase dauern zusammen typischerweise weniger als 500 ms, wovon vorzugsweise je 200 ms für die Vorladephase einerseits und die Verbindungsphase andererseits vorgesehen sind und 100 ms für Latenzzeiten beim Datenaustausch.
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Das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug weist ein Bordnetz auf, welches ausgebildet ist zum Betrieb mittels eines Verfahrens wie vorstehend beschrieben. Vorzugsweise weist das Bordnetz hierfür eine Mastereinheit, eine HV-Batterie und einen Gleichspannungswandler auf, welche in Kombination zur Durchführung der diversen Verfahrensschritte ausgebildet sind. In der Mastereinheit, der HV-Batterie und dem Gleichspannungswandler sind die von diesen jeweils je nach Ausgestaltung durchgeführten Verfahrensschritte insbesondere programmtechnisch oder schaltungstechnisch realisiert oder eine Kombination hiervon.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Elektrofahrzeug,
- 2 ein Bordnetz des Elektrofahrzeugs aus 1,
- 3 ein Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes aus 2,
- 4 einen Ausschnitt des Bordnetzes aus 2,
- 5 einen zeitlichen Verlauf des Verfahrens aus 3.
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In 1 ist ein beispielhaftes Elektrofahrzeug 2 dargestellt, welches ein Bordnetz 4 aufweist, welches ausgebildet ist zum Betrieb mittels eines Verfahrens wie nachstehend noch genauer erläutert wird. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Bordnetz 4 eine Mastereinheit 6, eine HV-Batterie 8 und einen Gleichspannungswandler 10 auf, welche in Kombination zur Durchführung der diversen Verfahrensschritte ausgebildet sind und als Ausschnitt des Bordnetzes 4 in 4 zusammen mit deren funktioneller Verknüpfung nochmals gezeigt sind. Ein Ausführungsbeispiel des Bordnetzes 4 ist im Detail in 2 gezeigt. Das in 2 gezeigte Bordnetz 4 stellt eine sehr spezielle Ausführungsform dar und liegt nicht zwingend in dieser Form vor, vielmehr sind zahlreiche Aspekte der dargestellten Ausführungsform für die Erfindung gerade nicht wesentlich, wie aus den nachfolgenden Ausführungen noch deutlich wird. Die 3 und 5 zeigen einen beispielhaften Verfahrensablauf in unterschiedlichen Darstellungen. Dabei zeigt 3 ein Flussdiagramm des Verfahrens und 5 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Verfahrens.
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Das Verfahren dient allgemein zum Betrieb eines Bordnetzes 4 für ein Elektrofahrzeug 2. Das Bordnetz 4 weist ein HV-Netz 12 und ein Niedervoltnetz 14 auf. Der Gleichspannungswandler 10 verbindet das HV-Netz 12 mit dem Niedervoltnetz 14. Die HV-Batterie 8 ist ein Teil des HV-Netzes 12, weiter weist dieses ein Trennelement 16 und einen Zwischenkreis 18 auf. Die HV-Batterie 8 wiederum weist eine Anzahl von Zellen 20 auf, wobei unter „einer Anzahl von“ hier und auch allgemein „zumindest ein/eine“ verstanden wird. Das Trennelement 16 ist ausgebildet zum Trennen und Verbinden der Zellen 20 und des Zwischenkreises 18. Ähnlich wie der Gleichspannungswandler 10 das Niedervoltnetz 14 und das HV-Netz 12 miteinander verbindet und voneinander abgrenzt, so verbindet auch das Trennelement 16 die Zellen 20 mit dem Zwischenkreis 18 und grenzt diese voneinander ab, sodass die Zellen 20 elektrisch betrachtet auf einer Seite des Trennelements 16 angeordnet sind und der Zwischenkreis 18, d.h. das übrige HV-Netz 12 und auch das Niedervoltnetz 14, auf der anderen Seite des Trennelements 16. Die Zellen 20 sind demnach bezüglich des Trennelements 16 zellseitig angeordnet und der Zwischenkreis 18 ist demgegenüber wandlerseitig angeordnet.
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Der Zwischenkreis 18 wird in einer Vorladephase P1 mittels des Gleichspannungswandlers 10 aus dem Niedervoltnetz 14 vorgeladen, indem bezüglich des Trennelements 16 zellseitig eine Zellspannung U1 gemessen wird und wandlerseitig eine Zwischenspannung U2. Während der Vorladephase P1 ist das Trennelement 16 geöffnet, sodass die Zellen 20 vom Zwischenkreis 18 und auch vom Gleichspannungswandler 10 getrennt sind. Die Zellspannung U1 entspricht hier der HV-Spannung der HV-Batterie 8 und wird wie in 2 gezeigt zwischen den Zellen 20 und dem Trennelement 16 gemessen. Die Zwischenspannung U2 wird wie in 2 gezeigt zwischen dem Trennelement 16 und dem Gleichspannungswandler 10 gemessen und ist diejenige Spannung, welche im Zwischenkreis 18 tatsächlich vorliegt und während der Vorladephase P1 vom Gleichspannungswandler 10 tatsächlich hergestellt wird.
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Während der Vorladephase P1 wird der Gleichspannungswandler 10 mit der Zwischenspannung U2 als ein Istwert und der Zellspannung U1 als ein Sollwert gesteuert, zum Angleichen der Zwischenspannung U2 an die Zellspannung U1. Dabei wird der Gleichspannungswandler 10 vorliegend zumindest solange im Hochsetzbetrieb betrieben, wie der Istwert unterhalb des Sollwerts liegt. Bei Erreichen des Sollwerts, ggf. innerhalb eines Toleranzbereichs, wird die Vorladephase P1 beendet, da dann die Zwischenspannung U2 hinreichend an die Zellspannung U1 angeglichen ist, um das Trennelement 16 in einer nachfolgenden Verbindungsphase P2 sicher zu schließen. Das Verfahren ist somit speziell ein Steuerverfahren für den Gleichspannungswandler 10 zum Vorladen im Bordnetz 4 des Elektrofahrzeugs 2. Als Energiequelle beim Vorladen dient hier eine Niedervoltbatterie 22, welche ein Teil des Niedervoltnetzes 14 ist und welche eine Niederspannung bereitstellt, welche vom Gleichspannungswandler 10 hochgesetzt wird.
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Im HV-Netz 12 sind typischerweise wie in 2 erkennbar weitere HV-Komponenten vorhanden, beispielsweise eine E-Maschine 24 zum Antrieb des Elektrofahrzeugs 2, eine Leistungselektronik 26 zur Ansteuerung der E-Maschine 24, ein Ladegerät 28, eine oder mehrere Komfortkomponenten 30, z.B. ein HV-Heizer oder ein Kältemittelverdichter einer Klimaanlage. Der Zwischenkreis 18 des HV-Netzes 12 umfasst alle Komponenten und Leitungen des HV-Netzes 12 außer der HV-Batterie 8 und der darin integrierten Komponenten. Durch die diversen Komponenten und Leitungen sind im HV-Netz 12 und speziell im Zwischenkreis 18 explizit oder parasitär eine oder mehrere Kapazitäten gebildet, welche zusammengenommen eine Kapazität des HV-Netzes 12, speziell des Zwischenkreises 18 bilden. Diese Kapazität wird auch als Zwischenkapazität bezeichnet. Die Zwischenkapazität ist problematisch beim Verbinden der HV-Batterie 8 mit dem übrigen HV-Netz 12 und wird daher während der Vorladephase P1 vorgeladen.
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Die HV-Batterie 8 weist zusätzlich zu den Zellen 6 noch zwei Pole 32 auf, nämlich einen Minuspol und einen Pluspol, welche mit den Zellen 6 verbunden sind, zum Anschluss an das übrige HV-Netz 12. Zwischen den Polen 32 und den Zellen 6 ist das Trennelement 16 angeordnet, um die Pole 32 galvanisch von den Zellen 6 zu trennen. Vorliegend weist das Trennelement 16 zwei nicht explizit bezeichnete Schütze auf, einen für jeden der Pole 32, d.h. einen Minusschütz und einen Plusschütz. Zum Verbinden der HV-Batterie 8 mit dem übrigen HV-Netz 12 wird das Trennelement 16 geschlossen, zum Trennen der HV-Batterie 8 entsprechend geöffnet. Beim Verbinden stellt die Kapazität im Zwischenkreis 18 ein Problem dar und soll daher vorgeladen werden, bevor die tatsächliche, galvanische Verbindung der Zellen 6 mit dem übrigen HV-Netz 12 und somit auch mit der Kapazität erfolgt. Problematisch ist vor Allem, dass auf beiden Seiten des Trennelements 16 unterschiedliche Spannungen vorliegen, nämlich einmal zellseitig die Zellspannung U1 und andererseits wandlerseitig die Zwischenspannung U2.
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Vorliegend wird nun beim Vorladen des Zwischenkreises 18 der Gleichspannungswandler 10 an der Schnittstelle zwischen HV-Netz 12 und Niedervoltnetz 14 mit einbezogen. Der Gleichspannungswandler 10 wirkt hier als Hochsetzsteller in einem Hochsetzbetrieb und wandelt die Spannung der Niedervoltbatterie 14 in eine Hochspannung für das HV-Netz 12 um. Die Zwischenkapazität lässt sich auf diese Weise aus dem Niedervoltnetz 14 vorladen und ein Vorladekreis wird überflüssig. Daher ist das hier gezeigte Bordnetz 4 frei von einem Vorladekreis mit einem Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand.
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Der Gleichspannungswandler 10 ist vorliegend unabhängig vom Vorladen ohnehin schon im Bordnetz 4 vorgesehen und muss daher nicht extra zum Vorladen hinzugefügt werden. Der Gleichspannungswandler 10 erfüllt mit dem Vorladen somit eine weitere Funktion, zusätzlich zu einer ohnehin schon vorgesehenen Funktion, hier beispielsweise das Übertragen eines Prüfpulses vom Niedervoltnetz 14 in das HV-Netz 12.
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Ein wichtiger Unterschied des hier beschriebenen Verfahrens zum Vorladen mit einem Vorladekreis ist, dass das Vorladen mit dem Gleichspannungswandler 10 insgesamt nicht mehr alleinig von der HV-Batterie 8 durchgeführt werden kann, denn die Energie zum Vorladen wird jetzt nicht von der HV-Batterie 8 bereitgestellt, sondern vom Gleichspannungswandler 10, welcher die Energie wiederum aus dem Niedervoltnetz 14 bezieht. Auch besteht das Problem, dass der Gleichspannungswandler 10 keine Kenntnis von der Zellspannung U1 hat.
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Die Mastereinheit 6 ist nun mit der HV-Batterie 8 und dem Gleichspannungswandler 10 beispielsweise wie in 4 gezeigt verbunden und steuert diese einerseits und erhält von diesen andererseits jeweils ein Statussignal S1, z.B. ein Fehlersignal, zur Überwachung. Die Mastereinheit 6 ist mit der HV-Batterie 8 und dem Gleichspannungswandler 10 über je eine nicht explizit bezeichnete Signalleitung verbunden, zum Datenaustausch, welcher hier umfasst, dass der Gleichspannungswandler 10 und die HV-Batterie 8 jeweils ein Statussignal S1 an die Mastereinheit 6 übermitteln und dass die Mastereinheit 6 jeweils ein Steuersignal S2 an die HV-Batterie 8 und den Gleichspannungswandler 10 übermittelt. Das Steuersignal S2 für die HV-Batterie 8 ist hier eine Anweisung, das Trennelement 16 zu schließen oder zu öffnen. Das Steuersignal S2 an den Gleichspannungswandler 10 ist hier eine Anweisung, den Hochsetzbetrieb zu aktivieren oder zu deaktivieren oder eine Anweisung, die Vorladephase P1 zu starten oder zu beenden. Das Statussignal S1 von der HV-Batterie 8 zeigt hier an, ob das Trennelement 16 geöffnet oder geschlossen ist oder ob die Zwischenspannung U2 der Zellspannung U1 entspricht oder nicht. Das Statussignal S1 von dem Gleichspannungswandler 10 zeigt hier an, ob der Sollwert den Istwert erreicht hat oder nicht oder welcher Strom durch den Gleichspannungswandler 10 fließt oder welche Hochspannung an diesem anliegt. Anhand der vorgenannten Statussignale S1 bestimmt die Mastereinheit 6 vorliegend, ob die Vorladephase P1 korrekt durchgeführt wird oder wurde und bricht diese gegebenenfalls ab, falls ein Fehler vorliegt. In der gezeigten Ausgestaltung übermitteln die HV-Batterie 8 und der Gleichspannungswandler 10 im Falle eines Fehlers direkt ein Statussignal S1 an die Mastereinheit 6, sodass diese die entsprechend andere Komponente 8, 10 dann geeignet steuert. Falls ein Fehler von außen erkannt wird, wird über einen Schritt V1 von der Mastereinheit 6 die Hochspannung deaktiviert, indem das Trennelement 16 geöffnet oder offengehalten wird und ein Fehler ausgegeben wird. Falls ein Fehler des Gleichspannungswandlers 10 vorliegt, bricht dieser im Schritt V2 die Vorladephase P1 ab und erzeugt ein Statussignal S1, zur Anzeige eines Fehlers.
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Wie in 2 erkennbar ist, misst die HV-Batterie 8 die Zellspannung U1 und die Zwischenspannung U2 und übermittelt diese an den Gleichspannungswandler 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Zwischenspannung U2 redundant auch vom Gleichspannungswandler 10 gemessen, sodass eine Übertragung nur der Zellspannung U1 an sich ausreichend ist. Zudem sind die HV-Batterie 8 und der Gleichspannungswandler 10 wie in 4 erkennbar zur Datenübertragung über eine nicht explizit bezeichnete Signalleitung verbunden. Die Signalleitung umgeht dabei vorliegend die Mastereinheit 6, sodass die HV-Batterie 8 und der Gleichspannungswandler 10 direkt verbunden sind. In einer nicht gezeigten Variante erfolgt die Übermittlung über eine mittelbare Verbindung über die Mastereinheit 6. Wesentlich ist, dass der Gleichspannungswandler 10 von der HV-Batterie 8 die Information erhält, welche Zellspannung U1 in der HV-Batterie 8 vorliegt, da diese Größe für den Gleichspannungswandler 10 nicht unmittelbar zugänglich ist.
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Die HV-Batterie 8 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Batteriemanagementmodul 34 auf, mit welchem die Zellspannung U1 und die Zwischenspannung U2 gemessen werden und welches auch das Trennelement 16 enthält und steuert.
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Insgesamt übernimmt die Mastereinheit 6 vorliegend die Funktion der Steuerung der HV-Batterie 8 und des Gleichspannungswandlers 10. Die HV-Batterie 8 übernimmt die Funktion, das Trennelement 16 umzuschalten, d.h. zu öffnen oder zu schließen, und zusätzlich auch die Funktion, die Zellspannung U1 zu überwachen. Der Gleichspannungswandler 10 übernimmt die Funktionen, während der Vorladephase P1 den Zwischenkreis 18 vorzuladen, während der Verbindungsphase P2 die Zwischenspannung 18 zu halten und insgesamt die Zwischenspannung U2 zu überwachen. Die diversen Überwachungen dienen im gezeigten Ausführungsbeispiel auch zur Diagnose, sodass die Mastereinheit 6 bei Erkennen eines Fehlers geeignete Gegenmaßnahmen, z.B. eine Abschaltung, vornehmen kann und auch vornimmt.
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In 5 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf von Strom I und Spannung U am Gleichspannungswandler 10 gegen die Zeit t gezeigt. Der Gleichspannungswandler 10 wird hier während der Vorladephase P1 zuerst bis zum Erreichen einer ersten Spannung U3 unterhalb der Zellspannung U1, d.h. des Sollwerts, stromgeregelt betrieben und danach bis zum Erreichen der Zellspannung U1 spannungsgeregelt betrieben. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass beim Vorladen zur Vermeidung von Schäden der Strom I zum Vorladen des Zwischenkreises 18 beschränkt wird, analog zum Vorladewiderstand bei Verwendung eines Vorladekreises. Der Gleichspannungswandler 10 wird also während der Vorladephase P1 mit der Zwischenspannung U2 als ein Istwert und der Zellspannung U1 als ein Sollwert gesteuert, indem für einen Istwert unterhalb der ersten Spannung U3 der Strom I wie in 5 erkennbar auf einen vorgegebenen Strom Iv geregelt wird, bis der Istwert die erste Spannung U3 erreicht. Beim Erreichen der ersten Spannung U3 und somit kurz vor Erreichen des Sollwerts wird von einer Stromregelung auf eine Spannungsregelung umgeschaltet, sodass der Gleichspannungswandler 10 für den verbleibenden Anstieg bis zum Sollwert wie ebenfalls in 5 erkennbar spannungsgeregelt betrieben wird, nämlich auf den Sollwert geregelt. In 5 ist währenddessen ein Abfall des Stroms I zu erkennen. Die erste Spannung U3 beträgt beispielsweise zwischen 90 % und 98 % des Sollwerts. In einer nicht gezeigten Alternative erfolgt eine durchgängige Stromregelung ohne Umschalten auf eine Spannungsregelung, d.h. der Gleichspannungswandler 10 wird bis zum Erreichen des Sollwerts stromgeregelt betrieben.
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Vorliegend führt der Gleichspannungswandler 10 während der Vorladephase P1 eine Diagnose durch und erzeugt hierbei ein Statussignal S1, falls eine zeitlich Änderung der Zwischenspannung U2 außerhalb eines vorgegebenen Spannungsintervalls liegt oder falls ein Strom I im Zwischenkreis 18 einen vorgegebenen Höchststrom überschreitet oder beides. Beispielsweise deutet eine zu schnelle Änderung, d.h. eine Änderung der Spannung U oberhalb des vorgegebenen Spannungsintervalls, eine offene HV-Leitung an oder das Fehlen einer Kapazität im Zwischenkreis 18. Demgegenüber deutet eine zu langsame Änderung, d.h. eine Änderung der Spannung U unterhalb des vorgegebenen Spannungsintervalls, auf einen Kurzschluss hin, über welchen Strom abfließt. Ein zu hoher Strom I, d.h. ein Strom oberhalb des vorgegebenen Höchststroms, speziell bei bereits erreichtem Sollwert der Zwischenspannung U2, deutet auf einen aktiven Verbraucher hin, welcher zwar keinen Ausgleichsstrom verursacht, jedoch beim Schließen des Trennelements 16 potentiell einen unzulässigen Strom verursacht. Entsprechend misst der Gleichspannungswandler 10 die an diesem anliegende Spannung, d.h. die Zwischenspannung U2 und somit den Istwert, und den Strom I, welcher durch den Gleichspannungswandler 10 fließt. Bei entsprechenden Abweichungen wird ein Statussignal S1 erzeugt und durch dieses beispielsweise eine nicht explizit gezeigte Warnleuchte im Elektrofahrzeug 2 aktiviert. Das Statussignal S1 wird vorliegend an die Mastereinheit 6 übermittelt, zur zentralisierten Diagnose und um gegebenenfalls die jeweils andere Komponente (HV-Batterie 8 oder Gleichspannungswandler 10) geeignet anzusteuern.
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Vorzugsweise wird während einer Prüfphase P0 zumindest eine Startbedingung überwacht, hier von der Mastereinheit 6, und die Vorladephase P1 wird lediglich dann gestartet, wenn die Startbedingung erfüllt ist, wie durch auf die Prüfphase P0 rückführenden Pfeil angedeutet ist. Dadurch wird verhindert, dass der Zwischenkreis 18 geladen wird, wenn das Bordnetz 4 sich in einem hierfür ungünstigen Zustand befindet, z.B. wenn noch eine Komponente 24, 26, 28, 30 aktiviert ist. Die Startbedingung ist in diesem Fall, dass die Komponente 24, 26, 28, 30 deaktiviert ist. Die Prüfphase P0 geht der Vorladephase P1 voraus. Die Vorladephase P1 wird erst gestartet, wenn die Prüfphase P0 beendet ist.
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Sobald die Zwischenspannung U2 den Sollwert erreicht, gegebenenfalls innerhalb einer Toleranz, und damit hinreichend an die Zellspannung U1 angeglichen ist, wird die Vorladephase P1 beendet und die Verbindungsphase P2 gestartet, während welcher das Trennelement 16 geschlossen wird, um die Zellen 6 mit dem Zwischenkreis 18 galvanisch zu verbinden und also die HV-Batterie 8 zur Energieentnahme mit dem übrigen HV-Netz 12 zu verbinden. Vorliegend wird während der Verbindungsphase P2 zugleich der Gleichspannungswandler 10 weiter auf den Sollwert geregelt wird, wie auch aus 5 erkennbar ist. Während der Verbindungsphase P2 wird somit der Gleichspannungswandler 10 spannungsgeregelt betrieben, wodurch eventuelle Energieverluste durch passive Widerstände oder Ähnliches ausgeglichen werden ohne dass die Zwischenspannung U2 abfällt.
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Während der Verbindungsphase P2 wird außerdem eine Diagnose durchführt, indem der Gleichspannungswandler 10 ein Statussignal S1 erzeugt, falls ein Strom im Zwischenkreis 18 einen vorgegebenen Höchststrom überschreitet. Alternativ oder zusätzlich führt die HV-Batterie 8 eine Diagnose durch und erzeugt hierbei ein Statussignal S1, falls eine Differenz zwischen der Zellspannung U1 und der Zwischenspannung U2 eine vorgegebene Maximaldifferenz überschreitet. Beispielsweise wird durch den Gleichspannungswandler 10 ein Strom I erkannt, welcher größer ist als der oben bereits genannte Strom zum Ausgleich passiver Widerstände, sodass auf einen aktiven Verbraucher geschlossen wird. Bei Erkennung einer zu großen Differenz zwischen Zellspannung U1 und Zwischenspannung U2 nach der Vorladephase P1 wird sicherheitshalber das Trennelement 16 nicht geschlossen, um entsprechend negative Effekte zu vermeiden. Entsprechend misst der Gleichspannungswandler 10 den Strom I und die HV-Batterie 8 die Zellspannung U1 und die Zwischenspannung U2. Analog zur Diagnose während der Vorladephase P1 wird bei entsprechenden Abweichungen das Statussignal S1 erzeugt und durch dieses beispielsweise eine Warnleuchte im Elektrofahrzeug 2 aktiviert. Das Statussignal S1 wird analog an die Mastereinheit 6 übermittelt, zur zentralisierten Diagnose und um gegebenenfalls die jeweils andere Komponente (HV-Batterie 8 oder Gleichspannungswandler 10) geeignet anzusteuern.
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Nachdem das Trennelement 16 dann geschlossen wurde und die HV-Batterie 8 mit dem übrigen Bordnetz 4 verbunden ist, wird die Verbindungsphase P2 beendet. Das Elektrofahrzeug 2 wird nun in einen Fahrbetrieb geschaltet, in welchem dann eine Fortbewegung möglich ist. Die Vorladephase P1 und die Verbindungsphase P2 sind demnach Teil eine vorbereitenden Anlassbetriebs des Elektrofahrzeugs 2, um dieses in einen betriebsfähigen Zustand zu versetzen. Entsprechend kurz sind die Vorladephase P1 und die Verbindungsphase P2.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektrofahrzeug
- 4
- Bordnetz
- 6
- Mastereinheit
- 8
- HV-Batterie
- 10
- Gleichspannungswandler
- 12
- HV-Netz
- 14
- Niedervoltnetz
- 16
- Trennelement
- 18
- Zwischenkreis
- 20
- Zelle
- 22
- Niedervoltbatterie
- 24
- E-Maschine
- 26
- Leistungselektronik
- 28
- Ladegerät
- 30
- Komfortkomponenten
- 32
- Pol
- 34
- Batteriemanagementmodul
- I
- Strom
- Iv
- vorgegebener Strom
- P0
- Prüfphase
- P1
- Vorladephase
- P2
- Verbindungsphase
- S1
- Statussignal
- S2
- Steuersignal
- t
- Zeit
- U
- Spannung
- U1
- Zellspannung
- U2
- Zwischenspannung
- U3
- erste Spannung
- V1, V2
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015209081 A1 [0005]
- DE 102017223229 A1 [0006]
- DE 10235489 A1 [0006]
- DE 102007047619 A1 [0006]
