WO2024017776A1 - Fahrzeug mit einem elektrischen bordnetz - Google Patents

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WO2024017776A1
WO2024017776A1 PCT/EP2023/069594 EP2023069594W WO2024017776A1 WO 2024017776 A1 WO2024017776 A1 WO 2024017776A1 EP 2023069594 W EP2023069594 W EP 2023069594W WO 2024017776 A1 WO2024017776 A1 WO 2024017776A1
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potential line
voltage
reference potential
vehicle
separating element
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PCT/EP2023/069594
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Inventor
Norbert Chlouba
Urs Boehme
Stefan Seiffert
Original Assignee
Mercedes-Benz Group AG
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
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    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
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    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H3/16—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to fault current to earth, frame or mass

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with an electrical system according to the features of the preamble of claim 1.
  • a protective device for a direct current electrical network, an on-board electrical system for a vehicle, a vehicle and a direct current charging station are known.
  • the protective device comprises a first voltage measuring device between a plus potential line and a reference potential line and a second voltage measuring device between a minus potential line and the reference potential line, or a fault current measuring device in the reference potential line.
  • the protective device further comprises a protective circuit with two protective circuit parts, wherein the first protective circuit part comprises a series connection of a first discharge resistor and a first protective switch between the positive potential line and the reference potential line and the second protective circuit part comprises a series connection of a second discharge resistor and a second protective switch between the negative potential line and the reference potential line includes.
  • the first and second circuit breakers can be controlled to close when the voltage falls below and/or exceeds a predetermined voltage value determined by means of the first and/or second voltage measuring device, or the first and/or second circuit breakers can be activated to close when a residual current is measured by means of the residual current measuring device.
  • the DE 102021 003 830 describes a protective device for a direct current electrical network, an on-board electrical system for a vehicle, a vehicle and a direct current charging station.
  • the protective device comprises a first voltage measuring device between a plus potential line and a reference potential line for measuring a voltage between the plus potential line and the reference potential line and a second voltage measuring device between a negative potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the negative potential line and the reference potential line.
  • the protective device further comprises a protective circuit for reducing an electric shock caused by Y capacitors of the direct current electrical network, the protective circuit comprising a first protective switch between the positive potential line and the reference potential line and a second protective switch between the negative potential line and the reference potential line.
  • the first circuit breaker and/or the second circuit breaker can only be activated for closing when all predetermined triggering criteria are determined by means of the first voltage measuring device and/or by means of the second voltage measuring device.
  • the energy coupler for electrically coupling a first electrical on-board electrical system supplied with a first electrical direct voltage to a second electrical on-board electrical system supplied with a second electrical direct voltage has a first and a second clocked energy converter, each of which has an on-board electrical system connection and an intermediate circuit connection.
  • the vehicle electrical system connection of the first clocked energy converter is connected to the first vehicle electrical system and the vehicle electrical system connection of the second clocked energy converter is connected to the second vehicle electrical system.
  • the intermediate circuit connections of the first and second clocked energy converters are connected to a common DC intermediate circuit.
  • a first electrical potential of the DC intermediate circuit is electrically connected to one of the electrical potentials of the first vehicle electrical system by means of the first clocked energy converter.
  • a second electrical potential of the DC intermediate circuit is electrically connected to one of the electrical potentials of the second vehicle electrical system by means of the second clocked energy converter.
  • the invention is based on the object of specifying a vehicle with an electrical system that is improved compared to the prior art.
  • a vehicle has an electrical system.
  • the on-board electrical system includes a traction battery, ie an electrochemical energy storage device for supplying electrical energy to at least one electric drive machine for driving the vehicle, a charging connection for electrical coupling with a DC charging station external to the vehicle, in particular for charging the traction battery, a plus potential line electrically coupled or connectable to the traction battery, a negative potential line electrically coupled or connectable to the traction battery and a reference potential line, in particular ground potential line.
  • the electrical system comprises a voltage measuring device between the plus potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the plus potential line and the reference potential line and/or a voltage measuring device between the minus potential line and the reference potential line for measuring a voltage between the minus potential line and the reference potential line.
  • a galvanically coupled DC-DC converter is arranged in the plus potential line and/or a galvanically coupled DC-DC converter is arranged in the negative potential line.
  • a separating element is arranged in the plus potential line and/or a separating element is arranged in the minus potential line.
  • a processing unit is provided which is coupled to the voltage measuring device or devices and to the separating element or elements and is designed and set up to evaluate the measured voltage or voltages and to open the separating element or elements.
  • a triggering criterion or several triggering criteria are specified, which is/are based on the measured voltage or on the measured voltages.
  • the processing unit is designed and set up according to the invention, the separating element or the separating elements, in particular exclusively, when the predetermined trigger criterion is detected or, in particular exclusively, when one of the several predetermined trigger criteria is detected or, in particular exclusively, when all predetermined trigger criteria are detected to open.
  • the solution according to the invention makes it possible, in a state coupled to the DC charging station, in particular for charging the traction battery, to detect an insulation fault that occurs in the vehicle during its operation Detect the occurrence and react to it in a timely manner in order to avoid a short circuit in the traction battery.
  • a further insulation fault can occur as a direct result in the opposite electrical potential on the DC charging station side.
  • This creates a short circuit in the traction battery which in the so-called CHAdeMO charging standard leads to the destruction of a ground potential line in a charging cable with which the vehicle is electrically coupled to the DC charging station, because this ground potential line is only very thin.
  • the electrical on-board network is in particular a high-voltage on-board network.
  • a plus potential and a minus potential of the on-board electrical system are therefore high-voltage potentials, hereinafter also referred to as HV potential, i.e. H.
  • HV potential i.e. H.
  • the term high voltage is abbreviated as HV in the following.
  • the first step is always to overload the insulation in the DC charging station.
  • One cause of this overloading of the insulation can be that if an insulation fault gradually develops in the vehicle, i.e. H. With a slowly decreasing insulation resistance, the HV potential distribution slowly changes.
  • Another cause of this overloading of the insulation can be that in the event of an immediate low-resistance insulation fault in the vehicle, i.e. H. When the insulation resistance suddenly reduces to a very small value, the HV potential distribution changes very quickly.
  • Another cause of this overloading of the insulation can be an HV potential shift due to a recharging process by an insulation monitor.
  • the HV potential distribution changes with a time constant, which results from the total capacity of the HV system, the insulation resistances and a resistance and thus a displacement current of the insulation monitor.
  • the aim of the solution according to the invention is therefore, in particular, to detect an impending overload of the insulation in the DC charging station based on the voltage measurement of the HV potentials to the reference potential and to disconnect the HV systems vehicle and DC charging station before the overload occurs.
  • the separating element used for this or the respective separating element used for this can therefore be made correspondingly small, ie it is designed for a useful current, in particular for charging the traction battery through the DC charging station, and does not have to be designed for the short-circuit current. If the insulation is overloaded suddenly, the reaction by opening the separating element or the respective separating element must also take place very quickly.
  • an evaluation of the voltage of the HV potentials based on the reference potential can be used.
  • a component that is as fast as possible is used as a separating element.
  • the separating element or the respective separating element is designed, for example, as a semiconductor switch, in particular as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), or as a pyrotechnic separating element, ie as a fuse with an explosive element, also referred to as a pyro-fuse.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • pyrotechnic separating element ie as a fuse with an explosive element, also referred to as a pyro-fuse.
  • the resulting advantage is that even in the event of a sudden insulation fault, the traction battery circuit can be disconnected, even though the insulation of the DC charging station has not yet been overloaded and therefore before the short-circuit current builds up.
  • a critical insulation fault occurs when the voltage between an HV potential and the reference potential at the charging connection rises above a defined threshold value of, for example, 500V.
  • a defined threshold value for example, 500V.
  • EMC interference common mode
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the insulation fault can be reliably distinguished from EMC interference or the influence of the insulation monitor.
  • the voltage measuring devices between the respective DC-DC converter and the traction battery being connected to the respective potential line
  • the potential shifts of the two DC-DC converters can be recalculated in order to draw conclusions about the HV potential distribution at the charging connection.
  • the HV voltage distribution is measured at the charging connection.
  • the voltage measuring devices at the charging connection are connected to the respective potential line.
  • the voltages measured by the voltage measuring devices are evaluated in particular as follows:
  • the triggering criterion specified for the opening control of the separating element or separating elements is one of those mentioned below or that the specified triggering criteria include one or more of those mentioned below:
  • the processing unit is designed and set up to only activate the separating element or the separating elements for opening when
  • the processing unit is designed and set up to only activate the separating element or the separating elements for opening if the absence of a cyclic repetition of the other triggering criteria is also determined.
  • the solution according to the invention therefore makes it possible to design the separating elements for a significantly lower current by detecting a resulting insulation fault by measuring the HV potential distribution.
  • the respective isolating element is designed, for example, as a semiconductor switch, in particular as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), whereby the isolating element, as already mentioned, only has to be designed for the charging current and not for the short-circuit current.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • the solution according to the invention also makes it possible to use galvanically coupled DC-DC converters, the DC-DC converters in particular enabling charging of the traction battery at a DC charging station with a charging voltage that is lower than the battery voltage of the traction battery, for example charging an 800V traction battery at a DC charging station with a Charging voltage of 400V or 500V, whereby in the event of a fault, especially in the case of the insulation fault described above, damage and danger to people are avoided.
  • This means that no other, significantly more cost-intensive solutions are required that also enable this charging of the traction battery, for example the use of a switching battery as a traction battery, the use of a galvanically isolated DC-DC converter or the use of a quasi-isolated DC-DC converter.
  • the processing unit is designed and set up, for example, for analog and/or digital evaluation of the measured voltage or voltages.
  • analog and digital evaluation are implemented simultaneously, especially as redundancy.
  • the respective separating element can be arranged, for example, between the charging connection and the respective DC-DC converter or between the respective DC-DC converter and the traction battery.
  • An electrical connection of the voltage measuring device or the respective voltage measuring device with the potential line can, for example, at the charging connection, between the charging connection and the respective DC-DC converter, between the respective DC-DC converter and the Traction battery or be arranged between the charging connection and the traction battery.
  • the DC-DC converter is arranged in the positive potential line and the separating element in the negative potential line or that the DC-DC converter is arranged in the negative potential line and the separating element is arranged in the positive potential line.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of an electrical on-board electrical system of a vehicle that is electrically connected to a DC charging station
  • Fig. 2 shows schematically a further embodiment of an electrical on-board electrical system of a vehicle that is electrically connected to a DC charging station
  • Fig. 3 shows schematically an embodiment of an electrical on-board electrical system of a vehicle that is electrically connected to a DC charging station.
  • FIGS 1 to 3 show various embodiments of an electrical system 1 of a vehicle 2, which in the example shown is connected to a DC charging station 4 via a charging cable 3.
  • the electrical vehicle electrical system 1 is designed in particular as a high-voltage vehicle electrical system.
  • the term “high volt”, hereinafter also abbreviated to HV, is understood to mean in particular an electrical direct voltage that is in particular greater than approximately 60 V.
  • the term “high voltage” must be interpreted in accordance with the ECE R 100 standard.
  • the vehicle 2 is in particular an electric vehicle or hybrid vehicle, ie it has at least one electric drive machine to drive it.
  • the electrical system 1 has a traction battery 5.
  • the electrical system 1 further has a charging connection 6 for electrical coupling to the vehicle-external DC charging station 4. This is done via the charging cable 3, which is or is electrically coupled to the DC charging station 4 and the charging connection 6.
  • the electrical system 1 also has a positive potential line HV+L, a negative potential line HV-L and a reference potential line ML. Furthermore, in particular, an insulation resistance Riso+ between the plus potential line HV+L and the reference potential line ML, an insulation resistance Riso- between the minus potential line HV-L and the reference potential line ML, a Y capacitor C+ between the plus potential line HV+L and the reference potential line ML and a Y -Capacitor C- is provided between the negative potential line HV-L and the reference potential line ML.
  • a galvanically coupled DC-DC converter DC/DC+, DC/DC- is arranged in both the positive potential line HV+L and the negative potential line HV-L.
  • a galvanically coupled DC-DC converter DC/DC+ is arranged only in the positive potential line HV+L.
  • a galvanically coupled DC/DC converter is only arranged in the negative potential line HV-L.
  • the DC-DC converter DC/DC+, DC/DC- or the two DC-DC converters DC/DC+, DC/DC- enable/enable in particular the charging of the traction battery 5 with a charging voltage of the DC charging station 4 that is smaller than a battery voltage of the traction battery 5, for example Charging an 800V traction battery with a charging voltage of 400V or 500V.
  • an electrical energy supply to a unit connected to the charging connection 6, in particular by means of the charging cable 3 is also provided by the Traction battery 5 enables.
  • This is also referred to as buck operation and is used, for example, to feed electrical energy back into a public power grid or a building's power grid, in particular via the DC charging station 4, or the electrical energy supply of an electrical device.
  • CHAdeMO charging standard leads to the destruction of a ground potential line in the charging cable 6, because this ground potential line is only very thin.
  • Voltage measuring device SV2 between the negative potential line HV-L and the reference potential line ML is provided for measuring a voltage between the negative potential line HV-L and the reference potential line ML.
  • a separating element T+ is arranged in the plus potential line HV+L and a separating element T- is arranged in the minus potential line HV-L.
  • a DC/DC+ DC-DC converter is arranged only in the positive potential line HV+L, only in the
  • Negative potential line HV-L has a separating element T- arranged.
  • Negative potential line HV-L has a separating element T- arranged.
  • DC-DC converter DC/DC- is arranged, a separating element T+ is only arranged in the positive potential line HV+L.
  • a separating element T+ is only arranged in the positive potential line HV+L.
  • the one voltage measuring device SV1, SV2 is then arranged between one of the potential lines HV+L, HV-L and the reference potential ML.
  • the disadvantage here is that the evaluation and control of one separating element T+, T- or the two separating elements T+, T- described below is susceptible to failure.
  • a processing unit 7 is provided which is designed and set up and is coupled to one voltage measuring device SV1, SV2 or to the two voltage measuring devices SV1, SV2 and to one separating element T+, T- or to the two separating elements T+, T- for evaluating the measured voltage or voltages and for opening the control
  • Separating element T+, T- or the separating elements T+, T- Separating element T+, T- or the separating elements T+, T-.
  • a triggering criterion is specified or several triggering criteria are specified, which is/are based on the measured voltage or on the measured voltages.
  • the processing unit 7 is designed and set up to be one
  • the solution described is based on the principle that, before the traction battery 5 short circuit occurs, a voltage overload of the insulation in the DC charging station 4 always occurs in a first step.
  • the causes of this overload are described below. If an insulation fault gradually develops in vehicle 2, the HV potential distribution changes slowly. If there is an immediate low-resistance insulation fault in vehicle 2, the HV potential distribution changes very quickly. In the event of a potential shift due to a recharging process by an insulation monitor, the HV potential distribution changes with the time constant, which results from the total capacity of the HV system
  • Insulation resistances Riso+, Riso- and the resistance due to the displacement current of the insulation monitor are Insulation resistances Riso+, Riso- and the resistance due to the displacement current of the insulation monitor.
  • the aim of the solution described is therefore to detect an impending overload of the insulation in the by measuring the voltage of the HV potentials to the reference potential To recognize DC charging station 4 and to separate the HV systems of the vehicle 2 and the DC charging station 4, ie to open the one separating element T+, T- or the two separating elements T+, T- before the overload occurs.
  • the one separating element T+, T- or the two separating elements T+, T- can therefore each be designed as a semiconductor switch, for example as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), as shown here, or as a pyrotechnic separating element.
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistor
  • the reaction must also be very quick by opening the separating element T+, T- or the two separating elements T+, T-.
  • an evaluation of the voltage of the HV potentials based on the reference potential can be used.
  • the separating elements T+, T- must be components that are as fast as possible.
  • the configurations described above are suitable for this.
  • the advantage here is that even in the event of a sudden insulation fault, the circuit of the traction battery 5 can be disconnected, even though the insulation of the DC charging station 4 has not yet been overloaded by voltage and thus before the short-circuit current builds up.
  • a critical insulation fault occurs when the voltage between an HV potential and the reference potential at the charging connection 6 rises above a specified threshold value of, for example, 500V.
  • the magnitude increase in voltage from one HV potential to the reference potential is always associated with an magnitude reduction in the voltage of the second HV potential to the reference potential in the event of an insulation fault.
  • EMC interference common mode
  • the resistance of the insulation fault can be determined from the time constant of the recharging of the HV potentials. This means that an emerging insulation fault can be detected, even though the load limit of the insulation is in the
  • the insulation fault can be reliably distinguished from EMC interference or the influence of the insulation monitor.
  • the respective separating element T+, T- is arranged here between the DC/DC+, DC/DC- and the traction battery 5 or between the charging connection 6 and the traction battery 5.
  • the respective separating element T+, T- is arranged here between the DC/DC+, DC/DC- and the traction battery 5 or between the charging connection 6 and the traction battery 5.
  • Separating element T+, T- can also be arranged between the charging connection 6 and the respective DC-DC converter DC/DC+, DC/DC-. Furthermore, in the illustrated embodiments there is an electrical connection of the voltage measuring device SV1, SV2 or the respective
  • Voltage measuring device SV1, SV2 with the potential line HV+L, HV-L between the respective DC-DC converter DC/DC+, DC/DC- and the traction battery 5 or between the charging connection 6 and the traction battery 5. In other embodiments, it can also be on the charging port 6 or between the charging port 6 and the respective
  • DC-DC converters DC/DC+, DC/DC- may be arranged.
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Abstract

Die Erfindung betrifft Fahrzeug (2) mit einem elektrischen Bordnetz (1), das aufweist: - eine Traktionsbatterie (5), - einen Ladeanschluss (6) zum Koppeln mit einer Gleichstromladestation (4), - eine Pluspotentialleitung (HV+L), - eine Minuspotentialleitung (HV-L), - eine Bezugspotentialleitung (ML), - eine Spannungsmessvorrichtung (SV1, SV2) zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) und/oder zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass - in der Pluspotentialleitung (HV+L) und/oder in der Minuspotentialleitung (HV-L) ein Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) angeordnet ist, - in der Pluspotentialleitung (HV+L) und/oder in der Minuspotentialleitung (HV-L) ein Trennelement (T+, T-) angeordnet ist, - eine Verarbeitungseinheit (7) vorgesehen ist, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung(en) und zur öffnenden Ansteuerung des jeweiligen Trennelements (T+, T-), - ein oder mehrere Auslösekriterien vorgegeben sind, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen, - die Verarbeitungseinheit (7) ausgebildet und eingerichtet ist, das jeweilige Trennelement (T+, T-) bei einem ermittelten Eintritt des Auslösekriteriums oder eines der mehreren oder aller Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern.

Description

Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 10 2019 008 833 A1 beschrieben, eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, ein Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und eine Gleichstromladestation bekannt. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Pluspotentialleitung und einer Bezugspotentialleitung und eine zweite Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung, oder eine Fehlerstrommessvorrichtung in der Bezugspotentialleitung. Die Schutzvorrichtung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung mit zwei Schutzschaltungsteilen, wobei der erste Schutzschaltungsteil eine Reihenschaltung eines ersten Entladewiderstands und eines ersten Schutzschalters zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst und der zweite Schutzschaltungsteil eine Reihenschaltung eines zweiten Entladewiderstands und eines zweiten Schutzschalters zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst. Der erste und zweite Schutzschalter sind bei einem mittels der ersten und/oder zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Unterschreiten und/oder Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes zum Schließen ansteuerbar, oder der erste und/oder zweite Schutzschalter ist bei einem mittels der Fehlerstrommessvorrichtung gemessenen Fehlerstrom zum Schließen ansteuerbar.
In der DE 102021 003 830 werden eine Schutzvorrichtung für ein elektrisches Gleichstromnetz, ein Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug und eine Gleichstromladestation beschrieben. Die Schutzvorrichtung umfasst eine erste Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Pluspotentialleitung und einer Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und eine zweite Spannungsmessvorrichtung zwischen einer Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung. Die Schutzvorrichtung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung zur Reduzierung eines durch Y-Kondensatoren des elektrischen Gleichstromnetzes verursachten elektrischen Schlags, wobei die Schutzschaltung einen ersten Schutzschalter zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und einen zweiten Schutzschalter zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung umfasst. Es sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben. Der erste Schutzschalter und/oder der zweite Schutzschalter sind ausschließlich bei einem mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung und/oder mittels der zweiten Spannungsmessvorrichtung ermittelten Eintritt aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Schließen ansteuerbar.
Aus der DE 102017 009 352 A1 sind ein Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen und ein Verfahren zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen bekannt. Der Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten elektrischen Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz weist einen ersten und einen zweiten getakteten Energiewandler auf, die jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen. Der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers ist an das erste Bordnetz angeschlossen und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers ist an das zweite Bordnetz angeschlossen. Die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers sind an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes elektrisch verbunden. Ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Fahrzeug mit einem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Bordnetz anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Fahrzeug weist ein elektrisches Bordnetz auf. Das elektrische Bordnetz umfasst eine Traktionsbatterie, d. h. einen elektrochemischen Energiespeicher zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, einen Ladeanschluss zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie, eine mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelte oder koppelbare Pluspotentialleitung, eine mit der Traktionsbatterie elektrisch gekoppelte oder koppelbare Minuspotentialleitung und eine Bezugspotentialleitung, insbesondere Massepotentialleitung. Des Weiteren umfasst das elektrische Bordnetz eine Spannungsmessvorrichtung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung.
Erfindungsgemäß ist in der Pluspotentialleitung ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler angeordnet und/oder in der Minuspotentialleitung ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler angeordnet. Des Weiteren ist erfindungsgemäß in der Pluspotentialleitung ein Trennelement angeordnet und/oder in der Minuspotentialleitung ein Trennelement angeordnet. Zudem ist erfindungsgemäß eine mit der Spannungsmessvorrichtung oder mit den Spannungsmessvorrichtungen und mit dem Trennelement oder mit den Trennelementen gekoppelte Verarbeitungseinheit vorgesehen, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen und zur öffnenden Ansteuerung des Trennelements oder der Trennelemente. Erfindungsgemäß ist ein Auslösekriterium vorgegeben oder sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen. Die Verarbeitungseinheit ist erfindungsgemäß ausgebildet und eingerichtet, das Trennelement oder die Trennelemente, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt des vorgegebenen Auslösekriteriums oder, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt eines der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien oder, insbesondere ausschließlich, bei einem ermittelten Eintritt aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung wird es ermöglicht, in einem mit der Gleichstromladestation gekoppelten Zustand, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie, einen im Fahrzeug auftretenden Isolationsfehler bereits während seiner Entstehung zu erkennen und darauf rechtzeitig zu reagieren, um einen Kurzschluss der Traktionsbatterie zu vermeiden. In einem solchen Fall eines Isolationsfehlers im Fahrzeug kann als direkte Folge ein weiterer Isolationsfehler im entgegengesetzten elektrischen Potential auf Seiten der Gleichstromladestation eintreten. Dadurch wird ein Kurzschluss der Traktionsbatterie erzeugt, der im so genannten CHAdeMO-Ladestandard zu einer Zerstörung einer Massepotentialleitung in einem Ladekabel führt, mit welchem das Fahrzeug mit der Gleichstromladestation elektrisch gekoppelt ist, denn diese Massepotentialleitung ist nur sehr dünn ausgeführt.
Das elektrische Bordnetz ist insbesondere ein Hochvoltbordnetz. Ein Pluspotential und Minuspotential des Bordnetzes sind somit Hochvoltpotentiale, im Folgenden auch jeweils als HV-Potential bezeichnet, d. h. der Begriff Hochvolt wird im Folgenden mit HV abgekürzt.
Bevor der Kurzschluss der Traktionsbatterie entsteht, tritt stets in einem ersten Schritt eine Spannungsüberlastung der Isolation in der Gleichstromladestation ein. Eine Ursache dieser Überlastung der Isolation kann sein, dass sich bei einem allmählich entstehenden Isolationsfehler im Fahrzeug, d. h. bei einem sich langsam verringernden Isolationswiderstand, die HV-Potentialverteilung langsam verändert. Eine weitere Ursache dieser Überlastung der Isolation kann sein, dass sich bei einem sofortigen niederohmigen Isolationsfehler im Fahrzeug, d. h. bei einem sich schlagartig auf einen sehr kleinen Wert reduzierenden Isolationswiderstand, die HV-Potentialverteilung sehr schnell verändert. Eine weitere Ursache dieser Überlastung der Isolation kann eine HV-Potentialverschiebung aufgrund eines Umladevorgangs durch einen Isolationswächter sein. Dabei verändert sich die HV-Potentialverteilung mit einer Zeitkonstante, die sich aus einer Gesamtkapazität des HV-Systems, den Isolationswiderständen und einem Widerstand und somit einem Verschiebestrom des Isolationswächters ergibt.
Das Ziel der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit insbesondere, anhand der Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential eine drohende Überlastung der Isolation in der Gleichstromladestation zu erkennen und schon die HV-Systeme Fahrzeug und Gleichstromladestation zu trennen, bevor die Überlastung eintritt. Somit kann stromfrei getrennt werden. Das hierfür verwendete Trennelement oder das jeweilige hierfür verwendete Trennelement kann somit entsprechend klein ausgeführt werden, d. h. es ist auf einen Nutzstrom, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie durch die Gleichstromladestation, ausgelegt und muss nicht auf den Kurzschlussstrom ausgelegt sein. Tritt die Überlastung der Isolation schlagartig ein, so muss die Reaktion durch das Öffnen des Trennelements oder des jeweiligen Trennelements ebenfalls sehr schnell erfolgen. Auch hier kann eine Auswertung der Spannung der HV-Potentiale bezogen auf das Bezugspotential herangezogen werden. Als Trennelement wird insbesondere ein möglichst schnelles Bauteil verwendet. Das Trennelement oder das jeweilige Trennelement ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), oder als ein pyrotechnisches Trennelement, d. h. als eine Sicherung mit Sprengelement, auch als Pyro-Fuse bezeichnet, ausgebildet. Die Auswertung der Spannungsmessungen und der Rückschluss auf den Fehlerwiderstand, genauer gesagt auf die Zeitkonstante t = R * C der Kondensatorentladung, wobei R der Körperwiderstand des menschlichen Körpers ist, kann dabei gestaltet werden wie in DE 102021 003 830 beschrieben, insbesondere wie auf deren Seiten 2 bis 11 , insbesondere auf deren Seiten 5 bis 7, beschrieben, insbesondere wie in deren Figurenbeschreibung und den Figuren, insbesondere auf deren Seiten 27 bis 29, beschrieben, insbesondere wie in deren Ansprüchen, insbesondere in deren Ansprüchen 2 bis 4, beschrieben. Der daraus resultierende Vorteil ist, dass selbst bei einem schlagartigen Isolationsfehler der Stromkreis der Traktionsbatterie getrennt werden kann, obwohl noch gar keine Spannungsüberlastung der Isolation der Gleichstromladestation erfolgt und somit auch noch bevor der Kurzschlussstrom sich aufbaut.
Durch die Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann das Entstehen eines kritischen Isolationsfehlers erkannt und darauf reagiert werden. Ein kritischer Isolationsfehler entsteht, wenn am Ladeanschluss die Spannung zwischen einem HV-Potential und dem Bezugspotential über einen festgelegten Schwellwert von beispielsweise 500V ansteigt Die betragsmäßige Spannungserhöhung von einem HV-Potential zum Bezugspotential ist bei einem Isolationsfehler immer verbunden mit einer betragsmäßigen Reduzierung der Spannung des anderen HV-Potentials zum Bezugspotential. Mit einer logischen Und-Verknüpfung dieser beiden Ereignisse können EMV-Störungen (Common-Mode) zum Teil unterdrückt werden (EMV=Elektromagnetische Verträglichkeit). Durch die Zeitkonstante der Umladung der HV-Potentiale kann auf den Widerstand des Isolationsfehlers geschlossen werden. Somit kann schon ein entstehender Isolationsfehler erkannt werden, obwohl die Belastungsgrenze der Isolation in der Gleichstromladestation noch gar nicht erreicht wurde. Durch das Verfahren der Auswertung, wie in DE 102021 003 830, insbesondere in deren oben genannten Textstellen, beschrieben, kann dabei der Isolationsfehler sicher unterschieden werden von EMV-Störungen oder dem Einfluss des Isolationswächters. Bei einer Spannungsmessung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung mit zwei Gleichspannungswandlern und zwei Spannungsmessvorrichtungen, wobei die Spannungsmessvorrichtungen zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie mit der jeweiligen Potentialleitung verbunden sind, können die Potentialverschiebungen der beiden Gleichspannungswandler zurückgerechnet werden, um auf die HV-Potentialverteilung am Ladeanschluss zu schließen. Alternativ erfolgt die Messung der HV-Spannungsverteilung am Ladeanschluss. Hierfür sind die Spannungsmessvorrichtungen am Ladenanschluss mit der jeweiligen Potentialleitung verbunden.
Bei der hier beschriebenen Lösung kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass die mittels der Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungen insbesondere wie folgt ausgewertet werden:
- Ermittlung von Abweichungen aktuell anliegenden Spannungen dU von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung bezogen auf einen zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert, und/oder
- Ermittlung von Spannungsänderungen dU/dt, d. h. über die Zeit, der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- Beachtung des entgegengesetzten Vorzeichens, insbesondere bei den obigen beiden Ermittlungen, bezüglich der Auswertung der Spannungen von Pluspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung und von Minuspotentialleitung zu Bezugspotentialleitung, und/oder
- Beachten einer zyklischen Wiederholung einer auftretenden Störung.
Bei der hier beschriebenen Lösung kann somit beispielsweise vorgesehen sein, dass das für das öffnende Ansteuern des Trennelementes oder der Trennelemente vorgegebene Auslösekriterium eines der im Folgenden genannten ist oder die vorgegebenen Auslösekriterien eines oder mehrere der im Folgenden genannten umfassen:
- eine Spannungsabweichung einer aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und einer zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung von einem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert,
- Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung, - ein entgegengesetztes Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung, und/oder
- ein Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement oder die Trennelemente ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn
- die Spannungsabweichung der aktuell zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung von dem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- die Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- das entgegengesetzte Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung und der Bezugspotentialleitung anliegenden Spannung vorliegt.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Verarbeitungseinheit ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement oder die Trennelemente ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn zusätzlich das Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien ermittelt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es somit, durch die Erkennung eines entstehenden Isolationsfehlers über die Messung der HV-Potentialverteilung die Trennelemente auf einen wesentlich geringeren Strom auszulegen. Dadurch können teure Trennelemente, wie beispielsweise Breaktor, Sicherungen, Pyrofuse, große Schütze oder mehrere MOSFETs parallel als Halbleitersicherung, vermieden werden. Das jeweilige Trennelement ist beispielsweise als ein Halbleiterschalter ausgebildet, insbesondere als ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wobei das Trennelement, wie bereits erwähnt, nur auf den Ladestrom und nicht auf den Kurzschlussstrom ausgelegt werden muss. Der Vorteil der Verwendung eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) als Trennelement ist zudem eine dadurch ermöglichte Bidirektionalität, wodurch nicht nur das Laden der Traktionsbatterie über den Ladeanschluss ermöglicht wird, sondern auch umgekehrt eine elektrische Energieversorgung einer am Ladeanschluss angeschlossenen Einheit durch die Traktionsbatterie mit elektrischer Energie. Dies wird auch als Buck-Betrieb bezeichnet und dient beispielsweise einer Rückspeisung elektrischer Energie in ein öffentliches Stromnetz oder ein Stromnetz eines Gebäudes, insbesondere über die Gleichstromladestation, oder der elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Geräts.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können des Weiteren galvanisch gekoppelte Gleichspannungswandler verwendet werden, wobei die Gleichspannungswandler insbesondere ein Laden der Traktionsbatterie an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung ermöglichen, die geringer ist als die Batteriespannung der Traktionsbatterie, beispielsweise das Laden einer 800V-Traktionsbatterie an einer Gleichstromladestation mit einer Ladespannung von 400V oder 500V, wobei in einem Fehlerfall, insbesondere bei dem oben beschriebenen Isolationsfehler, Beschädigungen und Gefährdungen von Personen vermieden werden. Dadurch sind keine anderen, wesentlich kostenintensiveren, Lösungen erforderlich, welche ebenfalls dieses Laden der Traktionsbatterie ermöglichen, beispielsweise der Einsatz einer Umschaltbatterie als Traktionsbatterie, der Einsatz eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers oder der Einsatz eines quasi-isolierten Gleichspannungswandlers.
Die Verarbeitungseinheit ist beispielsweise zur analogen und/oder digitalen Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen ausgebildet und eingerichtet. Beispielsweise werden die analoge und digitale Auswertung gleichzeitig umgesetzt, insbesondere als Redundanz.
Das jeweilige Trennelement kann beispielsweise zwischen dem Ladeanschluss und dem jeweiligen Gleichspannungswandler oder zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie angeordnet sein.
Eine elektrische Verbindung der Spannungsmessvorrichtung oder der jeweiligen Spannungsmessvorrichtung mit der Potentialleitung kann beispielsweise am Ladeanschluss, zwischen dem Ladeanschluss und dem jeweiligen Gleichspannungswandler, zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler und der Traktionsbatterie oder zwischen dem Ladeanschluss und der Traktionsbatterie angeordnet sein.
Wenn nur ein Gleichspannungswandler und nur ein Trennelement vorgesehen sind, ist insbesondere vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler in der Pluspotentialleitung und das Trennelement in der Minuspotentialleitung angeordnet ist oder dass der Gleichspannungswandler in der Minuspotentialleitung und das Trennelement in der Pluspotentialleitung angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs,
Fig. 2 schematisch eine weitere Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs, und
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Gleichstromladestation elektrisch verbundenen elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines elektrischen Bordnetzes 1 eines Fahrzeugs 2, welches im jeweils dargestellten Beispiel über ein Ladekabel 3 mit einer Gleichstromladestation 4 verbunden ist. Das elektrische Bordnetz 1 ist insbesondere als ein Hochvoltbordnetz ausgebildet. Unter dem Begriff „Hoch volt“, im Folgenden auch mit HV abgekürzt, ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
Das Fahrzeug 2 ist insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, d. h. es weist zu seinem Antrieb mindestens eine elektrische Antriebsmaschine auf. Zur elektrischen Energieversorgung dieser mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine weist das elektrische Bordnetz 1 eine Traktionsbatterie 5 auf.
Das elektrische Bordnetz 1 weist des Weiteren einen Ladeanschluss 6 zum elektrischen Koppeln mit der fahrzeugexternen Gleichstromladestation 4 auf. Dies erfolgt über das Ladekabel 3, welches hierfür mit der Gleichstromladestation 4 und dem Ladeanschluss 6 elektrisch gekoppelt wird oder ist.
Das elektrische Bordnetz 1 weist zudem eine Pluspotentialleitung HV+L, eine Minuspotentialleitung HV-L und eine Bezugspotentialleitung ML auf. Des Weiteren sind insbesondere ein Isolationswiderstand Riso+ zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML, ein Isolationswiderstand Riso- zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML, ein Y-Kondensator C+ zwischen Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und ein Y-Kondensator C- zwischen Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML vorgesehen.
In der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist sowohl in der Pluspotentialleitung HV+L als auch in der Minuspotentialleitung HV-L jeweils ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+ angeordnet. In der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist nur in der Minuspotentialleitung HV-L ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC- angeordnet.
Der Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- oder die beiden Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- ermöglicht/ermöglichen insbesondere das Laden der Traktionsbatterie 5 mit einer Ladespannung der Gleichstromladestation 4, die kleiner ist als eine Batteriespannung der Traktionsbatterie 5, beispielsweise das Laden einer 800V-Traktionsbatterie mit einer Ladespannung von 400V oder 500V. Insbesondere durch die Ausgestaltung des oder des jeweiligen Gleichspannungswandlers DC/DC+, DC/DC- als gekoppelter Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- wird des Weiteren auch eine elektrische Energieversorgung einer, insbesondere mittels des Ladekabels 3, am Ladeanschluss 6 angeschlossenen Einheit durch die Traktionsbatterie 5 ermöglicht. Dies wird auch als Buck-Betrieb bezeichnet und dient beispielsweise einer Rückspeisung elektrischer Energie in ein öffentliches Stromnetz oder ein Stromnetz eines Gebäudes, insbesondere über die Gleichstromladestation 4, oder der elektrischen Energieversorgung eines elektrischen Geräts.
Problematisch bei der beschriebenen Kopplung des Bordnetzes 1 mit der Gleichstromladestation 4 über das Ladekabel 3 ist, dass bei Auftreten eines Isolationsfehlers im Fahrzeug 2, insbesondere zwischen einer der
Potentialleitungen HV+L, HV-L und einem Chassis des Fahrzeugs 2, als direkte Folge ein weiterer Isolationsfehler im entgegengesetzten elektrischen Potential auf Seiten der Gleichstromladestation 4 eintreten kann, insbesondere zu einem Metallgehäuse der Gleichstromladestation 4, da dann die hohe Batteriespannung von beispielsweise 800V an der für eine niedrigere Ladespannung ausgelegten Gleichstromladestation 4 anliegt, wodurch die Isolation in der Gleichstromladestation 4 überlastet wird. Dadurch wird ein Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 erzeugt, der im so genannten
CHAdeMO-Ladestandard zu einer Zerstörung einer Massepotentialleitung im Ladekabel 6 führt, denn diese Massepotentialleitung ist nur sehr dünn ausgeführt.
Daher wird im Folgenden anhand der Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 bis 3 eine Lösung beschrieben, die es ermöglicht, den im Fahrzeug 2 auftretenden Isolationsfehler bereits während seiner Entstehung zu erkennen und darauf rechtzeitig zu reagieren, um den Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 zu vermeiden. Hierfür sind eine Spannungsmessvorrichtung SV1 zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung HV+L und der Bezugspotentialleitung ML und eine
Spannungsmessvorrichtung SV2 zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung HV-L und der Bezugspotentialleitung ML vorgesehen.
Des Weiteren ist in der Ausführungsführungsform gemäß Figur 1 in der Pluspotentialleitung HV+L ein Trennelement T+ angeordnet und in der Minuspotentialleitung HV-L ein Trennelement T- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß Figur 2, in welcher nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein Gleichspannungswandler DC/DC+ angeordnet ist, ist nur in der
Minuspotentialleitung HV-L ein Trennelement T- angeordnet. In der Ausführungsform gemäß Figur 3, in welcher nur in der Minuspotentialleitung HV-L ein
Gleichspannungswandler DC/DC- angeordnet ist, ist nur in der Pluspotentialleitung HV+L ein Trennelement T+ angeordnet. Anstelle der beiden Spannungsmessungen mittels der beiden Spannungsmessvorrichtungen SV1 , SV2 kann beispielsweise auch nur eine Spannungsmessung eines der Potentiale zum Bezugspotential vorgesehen sein. Somit ist die eine Spannungsmessvorrichtung SV1, SV2 dann zwischen einer der Potentialleitungen HV+L, HV-L und dem Bezugspotential ML angeordnet. Nachteilig ist hierbei aber eine Störanfälligkeit einer im Folgenden beschriebenen Auswertung und Ansteuerung des einen Trennelements T+, T- oder der beiden Trennelemente T+, T-.
Für diese Auswertung und Ansteuerung ist eine mit der einen Spannungsmessvorrichtung SV1 , SV2 oder mit den beiden Spannungsmessvorrichtungen SV1 , SV2 und mit dem einen Trennelement T+, T- oder mit den beiden Trennelementen T+, T- gekoppelte Verarbeitungseinheit 7 vorgesehen, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen und zur öffnenden Ansteuerung des
Trennelements T+, T- oder der Trennelemente T+, T-. Es ist ein Auslösekriterium vorgegeben oder es sind mehrere Auslösekriterien vorgegeben, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen. Die Verarbeitungseinheit 7 ist ausgebildet und eingerichtet, das eine
Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- bei einem ermittelten Eintritt des vorgegebenen Auslösekriteriums oder eines der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien oder aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern, wodurch die Traktionsbatterie 5 von der Gleichstromladestation 4 getrennt wird.
Die beschriebene Lösung beruht auf dem Prinzip, dass, bevor der Kurzschluss der Traktionsbatterie 5 entsteht, stets in einem ersten Schritt eine Spannungsüberlastung der Isolation in der Gleichstromladestation 4 eintritt. Im Folgenden werden Ursachen für diese Überlastung beschrieben. Bei einem allmählich entstehenden Isolationsfehler im Fahrzeug 2 verändert sich die HV-Potentialverteilung langsam. Bei einem sofortigen niederohmigen Isolationsfehler im Fahrzeug 2 verändert sich die HV-Potentialverteilung sehr schnell. Bei einer Potentialverschiebung aufgrund eines Umladevorgangs durch einen Isolationswächter verändert sich die HV-Potentialverteilung mit der Zeitkonstante, die sich aus einer Gesamtkapazität des HV-Systems, den
Isolationswiderständen Riso+, Riso- und dem Widerstand aufgrund des Verschiebestroms des Isolationswächters ergibt.
Ziel der beschriebenen Lösung ist es somit, anhand der Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential eine drohende Überlastung der Isolation in der Gleichstromladestation 4 zu erkennen und schon die HV-Systeme des Fahrzeugs 2 und der Gleichstromladestation 4 zu trennen, d. h. das eine Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- zu öffnen, bevor die Überlastung eintritt. Somit kann stromfrei getrennt werden und das Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- kann/können klein ausgeführt werden, da lediglich eine Auslegung auf einen Nutzstrom erforderlich ist und keine Auslegung auf den Kurzschlussstrom erfolgen muss. Das eine Trennelement T+, T- oder die beiden Trennelemente T+, T- kann/können dadurch beispielsweise jeweils als Halbleiterschalter, beispielsweise als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wie hier dargestellt, oder als pyrotechnisches Trennelement ausgebildet sein.
Tritt die Überlastung schlagartig ein, so muss die Reaktion durch das Öffnen des Trennelements T+, T- oder der beiden Trennelemente T+, T- ebenfalls sehr schnell erfolgen. Auch hier kann eine Auswertung der Spannung der HV-Potentiale bezogen auf das Bezugspotential herangezogen werden. Die Trennelemente T+, T- müssen jedoch möglichst schnelle Bauteile sein. Hierfür bieten sich die oben beschriebenen Ausgestaltungen an. Die Auswertung der Spannungsmessungen und der Rückschluss auf den Fehlerwiderstand, genauer gesagt auf die Zeitkonstante t=R * C, kann dabei gestaltet werden wie in DE 10 2021 003 830 beschrieben. Der Vorteil dabei ist, dass selbst bei einem schlagartigen Isolationsfehler der Stromkreis der Traktionsbatterie 5 getrennt werden kann, obwohl noch gar keine Spannungsüberlastung der Isolation der Gleichstromladestation 4 erfolgt und somit auch noch bevor der Kurzschlussstrom sich aufbaut.
Durch die Spannungsmessung der HV-Potentiale zum Bezugspotential und deren Auswertung kann auf folgende Ereignisse und somit auf folgende Auslösekriterien reagiert werden:
- Ein kritischer Isolationsfehler entsteht, wenn am Ladeanschluss 6 die Spannung zwischen einem HV-Potential und dem Bezugspotential über einen festgelegten Schwellwert von beispielsweise 500V ansteigt.
- Die betragsmäßige Spannungserhöhung von einem HV-Potential zum Bezugspotential ist bei einem Isolationsfehler immer verbunden mit einer betragsmäßigen Reduzierung der Spannung des zweiten HV-Potentials zum Bezugspotential. Mit einer logischen Und-Verknüpfung dieser beiden Ereignisse können EMV-Störungen (Common-Mode) zum Teil unterdrückt werden. - Durch die Zeitkonstante der Umladung der HV-Potentiale kann auf den Widerstand des Isolationsfehlers geschlossen werden. Somit kann schon ein entstehender Isolationsfehler erkannt werden, obwohl die Belastungsgrenze der Isolation in der
Gleichstromladestation 4 noch gar nicht erreicht wurde. Durch das Verfahren der Auswertung, wie in DE 102021 003 830 beschrieben, kann dabei der Isolationsfehler sicher unterschieden werden von EMV-Störungen oder dem Einfluss des Isolationswächters.
- Bei einer in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Spannungsmessung können die Potentialverschiebungen der Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- zurückgerechnet werden, um auf die HV-Potentialverteilung am Ladeanschluss 6 zu schließen. Alternativ kann die Spannungsmessung und somit die Messung der HV-Spannungsverteilung am Ladeanschluss 6 erfolgen.
Zu den dargestellten Ausführungsformen sei noch angemerkt, dass das jeweilige Trennelement T+, T- hier zwischen dem Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- und der Traktionsbatterie 5 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Traktionsbatterie 5 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann das jeweilige
Trennelement T+, T- beispielsweise auch zwischen dem Ladeanschluss 6 und dem jeweiligen Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet sein. Des Weiteren ist in den dargestellten Ausführungsformen eine elektrische Verbindung der Spannungsmessvorrichtung SV1 , SV2 oder der jeweiligen
Spannungsmessvorrichtung SV1 , SV2 mit der Potentialleitung HV+L, HV-L zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- und der Traktionsbatterie 5 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und der Traktionsbatterie 5 angeordnet. In anderen Ausführungsformen kann sie auch am Ladeanschluss 6 oder zwischen dem Ladeanschluss 6 und dem jeweiligen
Gleichspannungswandler DC/DC+, DC/DC- angeordnet sein. Bezugszeichenliste
1 Bordnetz
2 Fahrzeug
3 Ladekabel
4 Gleichstromladestation
5 Traktionsbatterie
6 Ladeanschluss
7 Verarbeitungseinheit
C+, C- Y-Kondensator
DC/DC+, DC/DC- Gleichspannungswandler HV+L Pluspotentialleitung
HV-L Minuspotentialleitung
ML Bezugspotentialleitung
Riso+, Riso- Isolationswiderstand SV1 , SV2 Spannungsmessvorrichtung T+, T- Trennelement

Claims

Patentansprüche Fahrzeug (2) mit einem elektrischen Bordnetz (1), wobei das elektrische
Bordnetz (1) aufweist:
- eine Traktionsbatterie (5),
- einen Ladeanschluss (6) zum elektrischen Koppeln mit einer fahrzeugexternen Gleichstromladestation (4),
- eine Pluspotentialleitung (HV+L),
- eine Minuspotentialleitung (HV-L),
- eine Bezugspotentialleitung (ML), und
- eine Spannungsmessvorrichtung (SV1) zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) zur Messung einer Spannung zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) und/oder eine Spannungsmessvorrichtung (SV2) zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) zur Messung einer Spannung zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML), dadurch gekennzeichnet, dass
- in der Pluspotentialleitung (HV+L) ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler (DC/DC+) angeordnet ist und/oder in der Minuspotentialleitung (HV-L) ein galvanisch gekoppelter Gleichspannungswandler (DC/DC-) angeordnet ist,
- in der Pluspotentialleitung (HV+L) ein Trennelement (T+) angeordnet ist und/oder in der Minuspotentialleitung (HV-L) ein Trennelement (T-) angeordnet ist,
- eine mit der Spannungsmessvorrichtung (SV1 , SV2) oder mit den Spannungsmessvorrichtungen (SV1, SV2) und mit dem Trennelement (T+, T-) oder mit den Trennelementen (T+, T-) gekoppelte Verarbeitungseinheit (7) vorgesehen ist, die ausgebildet und eingerichtet ist zur Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen und zur öffnenden Ansteuerung des Trennelements (T+, T-) oder der Trennelemente (T+, T-), - ein Auslösekriterium vorgegeben ist oder mehrere Auslösekriterien vorgegeben sind, das/die auf der gemessenen Spannung oder auf den gemessenen Spannungen beruht/beruhen, und
- die Verarbeitungseinheit (7) ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement (T+, T-) oder die Trennelemente (T+, T-) bei einem ermittelten Eintritt des vorgegebenen Auslösekriteriums oder eines der mehreren vorgegebenen Auslösekriterien oder aller vorgegebenen Auslösekriterien zum Öffnen anzusteuern. Fahrzeug (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Auslösekriterium ist oder die Auslösekriterien umfassen:
- eine Spannungsabweichung einer aktuell zwischen der
Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und einer zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung von einem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert,
- Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung,
- ein entgegengesetztes Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung, und/oder
- ein Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien. Fahrzeug (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (7) ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement (T+, T-) oder die Trennelemente (T+, T-) ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn
- die Spannungsabweichung der aktuell zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung von dem zeitlich zuvor ermittelten Spannungswert einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und - die Spannungsänderungen der zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und
- das entgegengesetzte Vorzeichen der zwischen der Pluspotentialleitung (HV+L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung und der zwischen der Minuspotentialleitung (HV-L) und der Bezugspotentialleitung (ML) anliegenden Spannung vorliegt. Fahrzeug (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (7) ausgebildet und eingerichtet ist, das Trennelement (T+, T-) oder die Trennelemente (T+, T-) ausschließlich dann zum Öffnen anzusteuern, wenn zusätzlich das Nichtvorliegen einer zyklischen Wiederholung der anderen Auslösekriterien ermittelt ist. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (7) zur analogen und/oder digitalen Auswertung der gemessenen Spannung oder der gemessenen Spannungen ausgebildet und eingerichtet ist. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (T+, T-) oder das jeweilige Trennelement (T+, T-) als ein Halbleiterschalter oder als ein pyrotechnisches Trennelement (T+, T-) ausgebildet ist. Fahrzeug (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Trennelement (T+, T-) zwischen dem Ladeanschluss (6) und dem jeweiligen Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) oder zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) und der Traktionsbatterie (5) angeordnet ist. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung der Spannungsmessvorrichtung (SV1, SV2) oder der jeweiligen Spannungsmessvorrichtung (SV1, SV2) mit der Potentialleitung (HV+L, HV-L) am Ladeanschluss (6), zwischen dem Ladeanschluss (6) und dem jeweiligen Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-), zwischen dem jeweiligen Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) und der Traktionsbatterie (5) oder zwischen dem Ladeanschluss (6) und der Traktionsbatterie (5) angeordnet ist. Fahrzeug (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nur ein Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) und nur ein Trennelement (T+, T-) vorgesehen sind, der Gleichspannungswandler (DC/DC+, DC/DC-) in der Pluspotentialleitung (HV+L) und das Trennelement (T+, T-) in der Minuspotentialleitung (HV-L) angeordnet ist oder umgekehrt.
PCT/EP2023/069594 2022-07-18 2023-07-13 Fahrzeug mit einem elektrischen bordnetz WO2024017776A1 (de)

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