DE102006054294B4

DE102006054294B4 - System und Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Leistungsrelais in einem Hybridelektrofahrzeug

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Publication number: DE102006054294B4
Application number: DE102006054294A
Authority: DE
Inventors: Andrew M. Ann Arbor Zettel; Michael J. Macomb Miller; James C. Clinton Township Gibbs; Mary A. Clarkston Jeffers
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2026-11-18
Also published as: US7557583B2; CN1970331A; CN1970331B; DE102006054294A1; US20070115604A1

Abstract

System zum Überwachen eines elektrischen Relais, über das elektrische Energie von einer Quelle einer Lasteinrichtung zuführbar ist, mit:
einem elektrischen Relais;
einer Widerstandseinrichtung, die permanent in einer Parallelschaltung mit dem elektrischen Relais elektrisch verbunden ist;
einer steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung, wobei das Relais und die dazu parallele Widerstandseinrichtung zwischen die Quelle und diese Lasteinrichtung geschaltet sind;
mindestens einer Messeinrichtung zur Ermittlung der an der das Relais und die Widerstandseinrichtung umfassenden Parallelschaltung abfallenden elektrischen Spannung oder zur Messung des der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms; und
einem Controller,
der
a. elektrisch funktionsmäßig mit dem elektrischen Relais verbunden ist;
b. elektrisch signalmäßig mit jeder Messeinrichtung verbunden ist;
und ausgeführt ist,
c. einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung zu erkennen;
d. den Betriebsstatus der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu überwachen;
e. bei erkanntem niedrigem Lastzustand an der Lasteinrichtung die elektrische Lasteinrichtung anzusteuern, bei...

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein elektrische Energiesteuersysteme, und insbesondere ein System zum Überwachen eines elektrischen Relais, über das elektrische Energie von einer Quelle einer Lasteinrichtung zuführbar ist. Sie betrifft ferner ein entsprechendes Überwachungsverfahren. Ein solches Überwachungssystem bzw. -verfahren ist insbesondere für ein elektrisches Energiesteuersystem in einem Hybridelektrofahrzeug einsetzbar.
Ein modernes Hybridelektrofahrzeug ("HEV") verwendet Steuereinrichtungen und Verdrahtungsschaltungen, die verschiedene elektrische Einrichtungen zum Steuern und Leiten des Flusses an elektrischer Energie zwischen elektrischen Energiespeichereinrichtungen und elektrischen Energieerzeugern, einschließlich von Verbrennungsmotoren und regenerativen Bremssystemen, aufweisen. Eine frühzeitige, genaue Detektion und Diagnose einer Fehlfunktion in einer Komponente des elektrischen Systems ist wichtig, um eine optimale Leistungsfähigkeit des HEV zu gewährleisten. Eine interessante elektrische Schaltung umfasst eine Energieübertragungsschaltung, die einen Vorlaufstrom zwischen einer elektrischen Energiespeichereinrichtung und einer elektrischen Last, z. B. einem elektrischen Gleichstromumrichter, fließen lässt. Andere interessante Schaltungen weisen parasitäre Lasten auf, wie zum Beispiel elektrische Lenkhilfen oder elektrische Bremskraftverstärker. Eine typische Schaltung enthält ein Leistungsrelais, das einen Fluss von elektrischer Energie von der Energiespeichereinrichtung zu der elektrischen Last ermöglicht. Ein De fekt eines Leistungsrelais kann die Fähigkeit des Fahrzeugs, im Hybridmodus zu arbeiten, verringern und so die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen. Eine Detektion eines offen blockierten Leistungsrelais ist durch bekannte Mittel leicht erreichbar, aber eine Detektion eines geschlossen blockierten Leistungsrelais ist während des fortlaufenden Betriebs eines Hybridelektrofahrzeugs anspruchsvoller zu diagnostizieren.
Eine typische Defektart eines in geschlossener Stellung blockierten elektrischen Leistungsrelais umfasst einen Vorgang, bei dem die Relaiskontakte zusammengeschweißt werden. Verfahren zum Detektieren eines "geschlossen blockiert"-Defekts schließen typischerweise intrusive Verfahren ein, die einen fortlaufenden Betrieb behindern.
In der DE 101 60 106 B4 ist eine Einrichtung zur Erfassung der Verschweißung eines Relais beschrieben, das zwischen einem Inverter und einer Sekundärbatterie eines Energieversorgungssystems angeordnet ist, in dem einer Last über das Relais und den Inverter Energie von der Sekundärbatterie zuführbar ist. Zur Stabilisierung der der Last zugeführten elektrischen Energie ist parallel zu dem Inverter ein Kondensator geschaltet. Um ein zu schnelles Wideraufladen des Kondensators beim Start des Systems zu verhindern, ist ein mit einem Widerstand in Reihe geschaltetes weiters Relais vorgesehen, das beim Start des Systems als erstes eingeschaltet wird, um den Kondensator über den Widerstand zu laden. Während das erste Relais zwischen einer ersten Klemme der Sekundärbatterie und dem Inverter vorgesehen ist, ist ein drittes Relais zwischen der zweiten Klemme der Sekundärbatterie und dem Inverter Inverter vorgesehen. Zur Erkennung einer eventuellen Verschweißung des ersten und dritten Relais sind Einrichtungen zur Messung der an diesen beiden Relais abfallenden Spannungen vorgesehen. Zur Durchführung einer jeweiligen Rou tine zur Erfassung einer eventuellen Verschweißung der beiden Relais ist eine elektronische Steuerungseinrichtung vorgesehen. Eine solche Versschweißungserfassungsroutine wird jeweils nach dem Start des Systems bzw. Fahrzeugs, mit dem stets auch die beiden überwachten Relais eingeschaltet werden, durchgeführt, sobald die Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist, das Bremspedal betätigt wird und festgestellt wird, dass der Sekundärbatterie weder Strom entnommen noch zugeführt wird. Dabei werden über die jeweilige Verschweißungserfassungsroutine die beiden überwachten Relais ausgeschaltet. Zudem wird der Inverter so angesteuert, dass in dem Kondensator eventuell noch gespeicherte elektrische Ladungen abgeführt werden. Danach werden die an den beiden überwachten Relais abfallenden Spannungen gemessen und mit einem Schwellenwert verglichen, der unter Berücksichtigung des Eigenwiderstandes eines eventuell verschweißten Relais nur geringfügig höher als Null ist. Ein Verschweißen kann auch anhand eines dem Motor zugeführten elektrischen Stroms bestimmt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes System und Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen insbesondere eine regelmäßige, beständige Überwachung eines Leistungsrelais ermöglicht wird, um einen "geschlossen blockiert"-Zustand zu detektieren, ohne den fortlaufenden Fahrzeugbetrieb zu behindern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, durch ein System zum Überwachen eines elektrischen Relais, über das elektrische Energie von einer Quelle einer Lasteinrichtung zuführbar ist, mit:
einem elektrischen Relais;
einer Widerstandseinrichtung, die permanent in einer Parallelschaltung mit dem elektrischen Relais elektrisch verbunden ist;
einer steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung, wobei das Relais und die dazu parallele Widerstandseinrichtung zwischen die Quelle und diese Lasteinrichtung geschaltet sind;
mindestens einer Messeinrichtung zur Ermittlung der an der das Relais und die Widerstandseinrichtung umfassenden Parallelschaltung abfallenden elektrischen Spannung oder zur Messung des der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms; und
einem Controller, der

a. elektrisch funktionsmäßig mit dem elektrischen Relais verbunden ist;
b. elektrisch signalmäßig mit jeder Messeinrichtung verbunden ist; und ausgeführt ist,
c. einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung zu erkennen;
d. den Betriebsstatus der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu überwachen;
e. bei erkanntem niedrigem Lastzustand an der Lasteinrichtung die elektrische Lasteinrichtung anzusteuern, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, und das Relais in die offene Stellung anzusteuern;
f. eine Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu überwachen, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist, und
g. auf der Basis der mittels der zumindest einen Messeinrichtung ermittelten Spannung bzw. auf der Basis des mittels dieser gemessenen Stromes zu bestimmen, ob das in die offene Stellung angesteuerte Relais offen oder geschlossen ist.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es wird also ein Leistungsrelais, über das elektrische Energie von einer Quelle einer Last zuführbar ist, während jedes Fahrzeugabschaltereignisses überwacht. Der Controller befiehlt der steuerbaren Lasteinrichtung, bei einem bekannten Stromaufnahmepegel zu arbeiten, befiehlt dem Relais, sich zu öffnen, und überwacht eine Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung, wenn dem elektrischen Relais befohlen wird, sich zu öffnen. Der Controller bestimmt, dass das elektrische Relais richtig funktioniert, wenn die Änderung der elektrischen Leistung zu der Last größer ist als ein vorbestimmter Betrag, wenn das elektrische Relais in die offen befohlene Stellung gesteuert wird.
Der Controller ist vorzugsweise ausgeführt, zu ermitteln, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn die überwachte Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung geringer ist als der vorbestimmte Betrag, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert wird.
Zweckmäßigerweise ist der Controller ausgeführt, einen Abschaltbefehl durch einen Bediener zu erkennen.
Der Controller ist insbesondere für eine solche Ansteuerung der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung ausgeführt, dass diese bei einem im Wesentlichen festen Strompegel arbeitet, der geringer ist als etwa ein Ampere.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung signalmäßig mit einer Messeinrichtung zur Messung einer ersten Spannung an einem elektrischen Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen der Quelle, dem Relais und der Widerstandseinrichtung erzeugt ist; und signalmäßig mit einer Messeinrichtung zur Messung einer zweiten Spannung an einem elektrischen Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen der elektrischen Last, dem Relais und der Widerstandseinrichtung erzeugt ist. Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem elektrischem Relais ausgeführt ist, eine Änderung der elektrischen Spannung zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung zu überwachen, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung signalmäßig mit einer Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes verbunden ist, welcher der elektrischen Last zugeführt wird.
Von Vorteil ist insbesondere, wenn der Controller zur Messung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem Relais ausgeführt ist, die Änderung des elektrischen Stroms zu der Lasteinrichtung zu überwachen, während das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Die elektrische Lasteinrichtung kann eine parasitäre Lasteinrichtung für ein Hybridelektrofahrzeug umfassen.
Zweckmäßigerweise umfasst das elektrische Relais eine pulsbreitenmodulationsgesteuerte Hochspannungs-Relaiseinrichtung, die ausgeführt ist, elektrischen Strom zu leiten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 15 aus. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen ist:
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein algorithmisches Flussdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 ein algorithmisches Flussdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, bei denen die Darstellungen nur zur Veranschaulichung der Erfindung und nicht zur Einschränkung derselben dienen, zeigen 1 und 2 schematische Darstellungen elektrischer Schaltungen, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstellt worden sind. Die hier beschriebenen Schaltungen sind für die Anwendung in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV) gedacht, aber es ist einzusehen, dass die Erfindung in anderen Anwendungen ausgeführt werden kann, bei denen ein Überwachen eines Leistungsrelais sowie eine Diagnose und eine Detektion einer beliebigen Fehlfunktion wünschenswert ist. Die Grundschaltung umfasst eine elektrische Energiespeichereinrichtung 20, z. B. eine Batterie oder eine andere Energiespeichereinrichtung, die mit einer elektrischen Leistungsrelaiseinrichtung 10 elektrisch verbunden ist, die mit einer Lasteinrichtung 30 elektrisch verbunden ist. Die elektrische Leistungsrelaiseinrichtung 10 weist einen elektrisch dazu parallelen Vorladewiderstand 12 auf. Elektrische Drahtleitungen, die in der Lage sind, elektrischen Strom zu leiten, bilden die elektrischen Verbindungen zwischen der Energiespeichereinrichtung 20 und dem Relais 10 sowie zwischen dem Relais 10 und der Lasteinrichtung 30. Ein erster Knoten 14 ist an einem elektrischen Knotenpunkt ausgebildet, welcher die Energiespeichereinrichtung 20, das Relais 10 und den Vorladewiderstand 12 umfasst. Ein zweiter Knoten 16 ist an einem elektrischen Knotenpunkt gebildet, welcher das Relais 10 und den Vorladewiderstand 12 und die elektrische Lasteinrichtung 30 umfasst. Ein Ladekondensator 18 ist mit der Lasteinrichtung 30 parallel elektrisch verdrahtet und in der Lage, der Lasteinrichtung 30 unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Strom zuzuführen, typischerweise um Wellenströme zu glätten, die durch das Schalten von Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBT) erzeugt werden.
Die IGBTs (nicht gezeigt) umfassen Schalter, welche die Gleichstromenergie von der Energiespeichereinrichtung 20 in Wechselstromenergie für die Verwendung durch eine Lasteinrichtung umwandeln, indem sie mit hohen Frequenzen schalten. Es gibt typischerweise einen IGBT für jede Phase eines dreiphasigen elektrischen Gerätes. Wegen der hohen Frequenzen sind allgemein Kondensatoren erforderlich, um die Welligkeit, die durch das Schalten verursacht wird, wenn die Lasteinrichtung 30 arbeitet, herauszufiltern. Es gibt eine Steuereinrichtung 5, die elektrisch funktionsmäßig mit der Relaiseinrichtung 10 verbunden ist und in der Lage ist, Eingaben von mindestens einer Messeinrichtung zu überwachen. Unter Bezugnahme insbesondere auf 1 ist die Steuereinrichtung 5 signalmäßig mit dem ersten Knoten 14 und dem zweiten Knoten 16 verbunden und in der Lage, elektrische Spannungspegel an jedem Knoten 14, 16 zu messen. Unter Bezugnahme insbesondere auf 2 ist die Steuereinrichtung 5 signalmäßig mit einem elektrischen Stromsensor 22 verbunden, der in der Lage ist, elektrischen Strom, der zu der Lasteinrichtung 30 fließt, zu überwachen, und der vorzugsweise nach dem zweiten Knoten 16 in der Schaltung angeordnet ist.
Der Controller 5 ist vorzugsweise ein elektronisches Steuermodul, das eine zentrale Recheneinheit umfasst, die über Datenbusse signalmäßig elektrisch mit flüchtigen und nichtflüchtigen Speichereinrichtungen verbunden ist. Die Speichereinrichtungen weisen vorzugsweise RAM-Einrichtungen, ROM-Einrichtungen und Datenpuffer auf. Der Controller 5 weist einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) zum Beschaffen von Signaldaten und mehrere Ausgabetreiber zum Steuern einer entsprechenden Zahl von Ausgabeeinrichtungen auf, von denen jede in der Lage ist, einen Aspekt des HEV-Betriebs zu steuern. Der Controller 5 ist über Kabelstränge an Messeinrichtungen und Ausgabeeinrichtungen angeschlossen, um den HEV-Betrieb zu überwachen und zu steuern. Eine Ausgabeeinrichtung umfasst die elektrische Leistungsrelaiseinrichtung 10, die ein pulsbreitenmoduliertes Signal für die Steuerung und den fortlaufenden Betrieb verwendet. Unter Bezugnahme insbesondere auf 1 weisen die Messeinrichtungen Signalleitungen auf, die elektrisch an einen ersten und zweiten Knoten 14, 16 angeschlossen sind und die dem A/D-Wandler eine elektrische Spannungseingabe liefern. Unter Bezugnahme insbesondere auf 2 umfassen die Messeinrichtungen, dass der Stromsensor elektrisch nach dem zweiten Knoten 16 in der Schaltung angeordnet ist und dem A/D-Wandler ein Signal liefert, das mit dem elektrischen Strom korrelierbar ist. Es gibt in dem ROM-Bereich enthaltene Steueralgorithmen, die typischerweise während vorgegebener Schleifenzyklen ausgeführt werden, so dass jeder Steueralgorithmus mindestens einmal in jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Schleifenzyklen werden während des fortlaufenden Betriebs typischerweise alle 3, 6, 15, 20 und 100 Millisekunden ausgeführt. Andere Algorithmen können in Ansprechen auf eine beliebige Form von Interruptsignal ausgeführt werden, das an den Controller 5 gesendet wird. Eine Verwendung der Steuereinrichtung 5 mit verschiedenen Steueralgorithmen und Kalibrierungen, um einen Betrieb von Aspekten eines HEV zu steuern, ist dem Fachmann bekannt.
Die Energiespeichereinrichtung 20 dieser Ausführungsform umfasst eine herkömmliche Mehrzellenbatterie-Speichereinrichtung, die für die Verwendung in einem HEV gedacht ist und die in der Lage ist, genügend Stromstärke zu liefern, um die Lasteinrichtung 30 zu betreiben. Alternativ kann die Energiespeichereinrichtung andere Speichereinrichtungen umfassen, einschließlich beispielsweise eines Ultrakondensators.
Die elektrische Leistungsrelaiseinrichtung 10 dieser Ausführungsformen umfasst vorzugsweise ein bekanntes Hochstrom-Gleichstromlast-Schaltrelais mit einem rotierenden Kontaktgeber und einem stationären Kontaktgeber, die in einer evakuierten oder gasgefüllten Kammer versiegelt sind. Sie wird durch einen federbelasteten Anker und eine Spule betätigt, die ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal von dem Controller 5 empfängt.
Der Vorladewiderstand 12 umfasst vorzugsweise eine bekannte "1,5 Kiloohm, 5%"-Widerstandseinrichtung, die in der Lage ist, mit zwei Watt Leistung umzugehen. Der Ladekondensator 18 umfasst typischerweise eine "9000 Mikrofarad"-Einrichtung und ist dazu bestimmt, Wellenströme, die durch ein Schalten von IGBTs erzeugt werden, wenn die Lasteinrichtung 30 arbeitet, zu glätten.
Die elektrische Lasteinrichtung 30 dieser Ausführungsformen umfasst eine beliebige einer Anzahl von steuerbaren parasitären Lasteinrichtungen, die in einem HEV gefunden werden, einschließlich zum Beispiel eines elektrischen Gleichstromumrichters (DC/DC-Wandlers), einer elektrischen Lenkhilfe und einer elektrischen Bremseinrichtung. Jede Lasteinrichtung wird durch die Steuereinrichtung 5 gesteuert, die in der Lage ist, der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu befehlen, bei einem im Wesentlichen festen Strompegel zu arbeiten. Dies umfasst ein Arbeiten bei dem festen Strompegel für eine bestimmte Zeit nach der Fahrzeugabschaltung. Typischerweise liegt der feste Strompegel im Bereich von etwa einem Ampere oder weniger.
Das Gesamtsystem zum Überwachen des elektrischen Relais umfasst das elektrische Relais 10, die Widerstandseinrichtung 12, die in einer Parallelschaltung mit dem elektrischen Relais elektrisch verbunden ist, die steuerbare elektrische Lasteinrichtung 30, die Messeinrichtung und den Controller 5. Der Controller 5 ist elektrisch funktionsmäßig mit dem elektrischen Relais 10 verbunden und elektrisch signalmäßig mit jeder Messeinrichtung verbunden. Im Betrieb erkennt der Controller 5 einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung 30, befiehlt der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung 30, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, befiehlt zum Beispiel dem elektrischen Relais 10, eine offen befohlene Stellung einzunehmen, und überwacht eine Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung 30 unter Verwendung des Sensors bzw. der Sensoren unter den vorgenannten Bedingungen.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 verläuft während des normalen Fahrzeugbetriebs der hauptsächliche Stromweg zu der Last 30 über das Relais 10. Die bzw. das elektrische Last/Gerät 30 bezieht Strom von der Energiespeichereinrichtung 20 oder führt Strom von dieser ab. Bei einem Entfernen aller anderen Lasten befiehlt der Controller 5 einen kleinen Strom durch die bzw. das elektrische Last/Gerät 30, der als ein Vorlaufstrom bezeichnet wird. Wenn das Relais 10 geschlossen ist, führt die Energiespeichereinrichtung 20 den Vorlaufstrom zu, wohingegen sich der Strom durch den parallelen Weg des Vorladewiderstands 12 auf Grund des relativ hohen Widerstandswerts (1,5 kΩ) des Vorladewiderstands 12 Null Ampere nähert.
Wenn der Controller 5 einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung 30 erkennt, z. B. als Folge eines Fahrzeugabschaltbefehls von einem Bediener, wird der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung 30 befohlen, bei einem bekannten Stromentnahmepegel, z. B. einem Ampere, zu arbeiten, und dem elektrischen Relais 10 wird befohlen, sich zu öffnen. Wenn das Relais 10 richtig funktioniert, öffnet sich das Relais bei derartigen Zuständen, wodurch der elektrische Kontakt durch das Relais 10 unterbrochen wird, und jeder Strom, der von der Energiespeichereinrichtung 20 zu der Lasteinrichtung 30 führt, fließt durch den Ladewiderstand 12. Wenn der Ladekondensator 18 in dem System verwendet wird, wird die elektrische Schaltung bei einem Öffnen des Relais 10 elektrisch als eine Spannungsquelle mit einer herkömmlichen RC-Schaltung beschrieben, die den Widerstand 12 und den zu der Last 30 führenden Kondensator 18 umfasst. Wenn das Relais 10 geöffnet wird, führt der Kondensator anfänglich den größeren Teil des Vorlaufstroms der Lasteinrichtung 30 zu, wobei eine kleine Komponente durch den Widerstand 12 führt. Dieser Strom ist unten durch die Gleichung 1 repräsentiert, unter der Annahme, dass die Vorlaufstromlast einen konstanten Strom (I = V/R) beibehält: Vc = Voe–t/RC [1]wobei Vc gleich der Spannung über dem Kondensator und Vo gleich der Spannung zu der Zeit ist, wenn dem Relais 10 befohlen wird, sich zu öffnen. Da sich der Kondensator 18 mit der Zeit entlädt, wird der Vorlaufstrom, bei dieser Ausführungsform typischerweise im Bereich von einem Ampere, dominanter. Wenn der Vorlaufstrom nicht abgeschaltet wird, d. h. wenn die Lasteinrichtung 30 in Betrieb gehalten wird, entlädt sich der Kondensator, und die Energiespeichereinrichtung 20 wird die einzige Energiequelle, um den Vorlaufstrom der Lasteinrichtung 30 zuzuführen und den Kondensator 18 zu laden. Da der Vorladewiderstand 12 typischerweise groß ist (bei dieser Ausführungsform z. B. 1,5 kΩ), ist der Strom klein, so dass sogar der relativ kleine Vorlaufstrom nicht aufrecht erhalten werden kann, nachdem der Kondensator vollständig entladen ist, und die Spannung abfällt. Wenn der Kondensator vollständig auf ein Volt entladen ist, wie zum Beispiel beim Anschließen einer neuen Lasteinrichtung 30, und die Spannung der Energiespeichereinrichtung V_batt = 42 Volt beträgt, beträgt der anfängliche Ladestrom zum Beispiel nur (42 – 1)/1500 = 0,027 A. Im Fall einer Fehlfunktion, bei der das Relais 10 in geschlossener Stellung blockiert ist und einem Strom ermöglicht, durch das offen befohlene Relais hindurch zu fließen, gibt es jedoch einen niederohmigen Stromflussweg von der Batterie 20 zu der Last 30. Dies verlängert die Entladezeit für den Kondensator 18 und erhöht entsprechend die Abklingzeit für die Systemspannung zu der Last nach der Fahrzeugabschaltung. Diese Änderung des Widerstandswerts ist unten in Gleichung 2 gezeigt, wobei R_stuck den gesamten Schaltungswiderstandswert umfasst, R_precharge den Widerstandswert des Widerstands 12 umfasst und R_{stuckcontactor} den Widerstandswert durch das Relais 10 umfasst.
Bei einem alternativen System (nicht gezeigt) ist die Grundschaltung ohne einen Kondensator beschrieben, wobei gemeinsame Bezugszeichen für die in 1 angegebenen Komponenten verwendet werden. Die Grundschaltung umfasst die elektrische Energiequelle, zum Beispiel die Batterie 20, die mit der elektrischen Leistungsrelaiseinrichtung 10 elektrisch verbunden ist, die mit der Lasteinrichtung 30 elektrisch verbunden ist. Die elektrische Leistungsrelaiseinrichtung 20 weist einen elektrisch dazu parallelen Vorladewiderstand 12 auf. Elektrische Drahtleitungen, die geeignet sind, elektrischen Strom zu leiten, bilden die elektrischen Verbindungen zwischen der Batterie 20 und dem Relais 10 sowie zwischen dem Relais 10 und der Lasteinrichtung 30. Der erste Knoten 14 ist an einem elektrischen Knotenpunkt gebildet, welcher die Batterie 20, das Relais 10 und den Vor ladewiderstand 12 umfasst. Der zweite Knoten 16 ist an dem elektrischen Knotenpunkt gebildet, welcher das Relais 10 und den Vorladewiderstand 12 und die elektrische Lasteinrichtung 30 umfasst. Bei dieser Ausführungsform gibt es keinen Ladekondensator, der parallel zu der Lasteinrichtung 30 verdrahtet ist. Der Controller 5 ist elektrisch funktionsmäßig mit der Relaiseinrichtung 10 verbunden und in der Lage, Eingaben von mindestens einer Messeinrichtung zu überwachen.
Wenn der Controller 5 einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung 30 erkennt, z. B. als Folge eines Fahrzeugabschaltbefehls von dem Bediener, wird der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung 30 befohlen, bei einem bekannten Stromentnahmepegel, z. B. einem Ampere, zu arbeiten, und dem elektrischen Relais 10 wird befohlen, sich zu öffnen. Wenn das Relais 10 richtig funktioniert, öffnet sich das Relais bei derartigen Zuständen, wodurch der elektrische Kontakt durch das Relais 10 unterbrochen wird, und jeder Strom, der von der Batterie 20 zu der Lasteinrichtung 30 führt, fließt durch den Ladewiderstand 12. Wenn in dem System kein Ladekondensator verwendet wird, ist bei einem Öffnen des Relais 10 die elektrische Schaltung elektrisch als eine Spannungsquelle mit einer herkömmlichen Widerstandsschaltung beschrieben, die den Widerstand 12 umfasst und zu der Last 30 führt. Wenn das Relais 10 geöffnet wird, wird durch den Widerstand 12 Strom verbraucht. Dieser Strom ist durch I = V/R repräsentiert, unter der Annahme dass die Vorlaufstromlast einen konstanten Strom (R = V/I) beibehält. Wenn der Vorlaufstrom nicht abgeschaltet wird, d. h. wenn die Lasteinrichtung 30 in Betrieb gehalten wird, ist die Batterie 20 die einzige Energiequelle, um den Vorlaufstrom der Lasteinrichtung 30 zuzuführen. Da der Vorladewiderstand 12 typischerweise groß ist (bei dieser Ausführungsform z. B. 1,5 kΩ), ist der Strom klein, so dass sogar der relativ kleine Vorlaufstrom von einem Ampere nicht aufrecht erhalten werden kann und die Spannung abfällt. Wenn der Kondensator vollständig auf ein Volt entladen ist, wie zum Beispiel beim Anschließen einer neuen Lasteinrichtung 30, und die Batteriespannung V_batt = 42 Volt beträgt, beträgt der anfängliche Ladestrom zum Beispiel nur = (42 – 1)/1500 = 0,027 Ampere. Im Fall einer Fehlfunktion, bei der das Relais 10 in geschlossener Stellung blockiert ist und einem Strom ermöglicht, durch das offen befohlene Relais hindurchzufließen, gibt es jedoch einen niederohmigen Stromflussweg von der Batterie 20 zu der Last 30. Diese Änderung des Widerstandswerts ist unten in Gleichung 3 gezeigt, wobei R_stuck den gesamten Schaltungswiderstandswert umfasst, Rprecharge den Widerstandswert des Widerstands 12 umfasst und R_{stuckcontactor} den Widerstandswert durch das Relais 10 umfasst.
In diesem Fall ist ein blockierter Kontaktgeber durch Überwachen des Spannungsabfalls über dem Widerstand oder durch Überwachen des Stroms detektierbar. Wenn der Kontaktgeber richtig arbeitet, liegt der elektrische Strom, der zu der Last fließt, im Bereich von 0,027 Ampere, während, wenn der Kontaktgeber geschlossen blockiert hat, der zu der Last fließende Strom wesentlich größer als 0,027 Ampere und deshalb detektierbar ist.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 sind beispielhafte in dem Controller 5 ausführbare Algorithmen zum Prüfen des Betriebs des Relais 10 beschrieben. Der Algorithmus, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, entspricht dem in 1 beschriebenen und ausführlich erläuterten System, d. h. einem System, das eine Spannungsüberwachung verwendet, um ein blockiertes oder fehlerhaft funktionierendes Relais zu detektieren. Der unter Bezugnahme auf 4 beschriebene Algorithmus entspricht dem in
2 beschriebenen und ausführlich erläuterten System, d. h. einem System, das eine Stromüberwachung verwendet, um eine Fehlfunktion zu detektieren. Nach einem Start des Motors und des Fahrzeugs, S1, überwacht der Controller 5 einen Motorbetrieb und eine Schlüsselstellung, um zu detektieren, dass der Zündschlüssel auf "aus" steht und der Motor nicht läuft (S2), was typischerweise umfasst, dass elektronische Flags gesetzt und an den Controller 5 übermittelt werden. Wenn einmal detektiert wurde, dass der Zündschlüssel auf "aus" steht und der Motor nicht läuft, wird der Lasteinrichtung 30 befohlen, bei dem Vorlaufstrom zu arbeiten (S3), und dem Relais 10 wird befohlen, sich zu öffnen (S4). Alternativ kann der Controller wählen, den Status der Lasteinrichtung 30 vor dem Befehlen des Relais 10, sich zu öffnen, zu beobachten, um einem System oder einer Situation Rechnung zu tragen, bei dem bzw. bei der eine präzise Steuerung der Lasteinrichtung nicht leicht erreichbar ist, wodurch so die Fähigkeit zunichte gemacht wird, der Einrichtung 30 zu befehlen, bei dem Vorlaufstrom zu arbeiten. Eine verstrichene Zeit wird überwacht (S5), vorzugsweise im Bereich von weniger als einer Sekunde. Unter Bezugnahme auf 3 repräsentiert V_Node1 eine an einem ersten Knoten 14 gemessene Spannung und V_Node2 repräsentiert eine an einem zweiten Knoten 16 gemessene Spannung. Der Controller 5 misst V_Node1 und V_Node2 unter Verwendung von elektrischen Verbindungen zu dem ersten und zweiten Knoten 14, 16 zu dem A/D-Wandler. Eine Differenz, V_Node1 – V_Node2, wird berechnet und mit einer Schwellenspannung, V_threshold, verglichen (S6). V_threshold ist durch einen Fachmann auf der Grundlage von Systemdesigneigenschaften und der überwachten verstrichenen Zeit von Schritt S5 leicht kalibrierbar. Wenn V_Node1 – V_Node2 größer als eine Schwellenspannung V_threshold ist, bestimmt das System, dass das Relais 10 offen ist (S8), und deshalb den Status des Relais so, dass es richtig funktioniert, und fährt fort (S9). Wenn V_Node1 – V_Node2 geringer als die Schwellenspannung V_threshold ist, bestimmt das System, dass das Relais 10 geschlossen blo ckiert ist, und deshalb den Status des Relais so, dass ein Fehler aufgetreten ist (S7), und fährt fort (S9). Vorzugsweise bricht der Controller 5 den Befehl an die Last 30, bei dem Vorlaufstrom zu arbeiten, und den Befehl an das Relais 10, sich zu öffnen, ab. Der Controller 5 übermittelt den Status des Relais 10 an einen zweiten Controller oder eine andere Einrichtung, die in der Lage ist, den Status von verschiedenen Systemen in dem Fahrzeug zu verfolgen und gemäß anderen Anforderungen, die ein Überwachen des Status von Fahrzeugsystemen und eine Bedienerbenachrichtigung betreffen, zu agieren.
Unter Bezugnahme auf 4 repräsentiert I_Node2 den Strom, der nach dem zweiten Knoten 16 gemessen wird, und umfasst I_Node2 den der Lasteinrichtung 30 zugeführten Strom. Der Controller 5 misst I_Node2 unter Verwendung des Stromsensors 22, der mit dem A/D-Wandler verbunden ist. Der Strom I_Node2, der nach der verstrichenen Zeit seit dem Befehlen der Last 30, bei dem Vorlaufstrom zu arbeiten (S3), und dem Befehlen des Relais 10, sich zu öffnen (S4), gemessen wird, wird mit einem Schwellenstrom I_threshold verglichen (S6'). I_threshold ist durch einen Fachmann auf der Grundlage von Systemdesigneigenschaften und der überwachten verstrichenen Zeit von Schritt S5 leicht kalibrierbar. Wenn I_Node2 kleiner ist als ein Schwellenstrom I_threshold, bestimmt das System, dass das Relais 10 offen ist (S8), und deshalb den Status des Relais so, dass es richtig funktioniert, und fährt fort (S9). Wenn I_Node2 größer ist als der Schwellenstrom I_tnreshold, bestimmt das System, dass das Relais 10 geschlossen blockiert ist, und deshalb den Status des Relais so, dass ein Fehler aufgetreten ist (S7), und fährt fort (S9). Der Controller 5 bricht den Befehl an die Last 30, bei dem Vorlaufstrom zu arbeiten, und den Befehl an das Relais 10, sich zu öffnen, vorzugsweise ab. Vorzugsweise übermittelt der Controller 5 den Status des Relais 10 an einen zweiten Controller oder an eine andere Einrichtung, die in der Lage ist, den Status von verschiedenen Systemen in dem Fahrzeug zu verfolgen und gemäß anderen Anforderungen, die das Überwachen des Status von Fahrzeugsystemen und eine Bedienerbenachrichtigung betreffen, zu agieren.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System, um ein Hochspannungs-Leistungsrelais, das in der Lage ist, elektrische Energie von einer Quelle zu einer Last zu leiten, während jedes Fahrzeugabschaltereignisses zu überwachen. Das System umfasst das elektrische Relais mit einer Widerstandseinrichtung, die in einer Parallelschaltung elektrisch verbunden ist, eine steuerbare elektrische Lasteinrichtung und eine Messeinrichtung. Ein Controller ist mit dem elektrischen Relais und jeder Messeinrichtung verbunden und in der Lage, einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Last zu erkennen. Der Controller befiehlt der Last, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, befiehlt dem Relais, sich zu öffnen, und überwacht eine Änderung der Leistung zu der Lasteinrichtung, wenn dem Relais befohlen wird, sich zu öffnen. Das elektrische Relais funktioniert richtig, wenn die Änderung der elektrischen Leistung an der Last ein bekanntes Profil über die Zeit aufweist, wenn das elektrische Relais in die offen befohlene Stellung gesteuert wird.

Claims

System zum Überwachen eines elektrischen Relais, über das elektrische Energie von einer Quelle einer Lasteinrichtung zuführbar ist, mit: einem elektrischen Relais; einer Widerstandseinrichtung, die permanent in einer Parallelschaltung mit dem elektrischen Relais elektrisch verbunden ist; einer steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung, wobei das Relais und die dazu parallele Widerstandseinrichtung zwischen die Quelle und diese Lasteinrichtung geschaltet sind; mindestens einer Messeinrichtung zur Ermittlung der an der das Relais und die Widerstandseinrichtung umfassenden Parallelschaltung abfallenden elektrischen Spannung oder zur Messung des der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms; und einem Controller, der a. elektrisch funktionsmäßig mit dem elektrischen Relais verbunden ist; b. elektrisch signalmäßig mit jeder Messeinrichtung verbunden ist; und ausgeführt ist, c. einen niedrigen elektrischen Lastzustand an der Lasteinrichtung zu erkennen; d. den Betriebsstatus der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu überwachen; e. bei erkanntem niedrigem Lastzustand an der Lasteinrichtung die elektrische Lasteinrichtung anzusteuern, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, und das Relais in die offene Stellung anzusteuern; f. eine Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung zu überwachen, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist, und g. auf der Basis der mittels der zumindest einen Messeinrichtung ermittelten Spannung bzw. auf der Basis des mittels dieser gemessenen Stromes zu bestimmen, ob das in die offene Stellung angesteuerte Relais offen oder geschlossen ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller ausgeführt ist, zu bestimmen, dass das elektrische Relais richtig funktioniert, wenn die überwachte Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem elektrischem Relais größer als ein vorbestimmter Betrag ist.
System nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass der Controller ausgeführt ist, zu bestimmen, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn die überwachte Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem elektrischem Relais nicht größer als der vorbestimmte Betrag ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zur Erkennung des niedrigen elektrischen Lastzustands an der Lasteinrichtung ausgeführt ist, einen Abschaltbefehl durch einen Bediener zu erkennen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller ausgeführt ist, zu bestimmen, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn die überwachte Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem elektrischem Relais nicht größer als der vorbestimmte Betrag ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung signalmäßig mit einer Messeinrichtung zur Messung einer ersten Spannung an einem elektrischen Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen der Quelle, dem Relais und der Widerstandseinrichtung erzeugt ist; und signalmäßig mit einer Messeinrichtung zur Messung einer zweiten Spannung an einem elektrischen Knotenpunkt verbunden ist, der zwischen der elektrischen Last, dem Relais und der Widerstandseinrichtung erzeugt ist.
System nach Anspruch 6, dadurchgekennzeichnet, dass der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem elektrischem Relais ausgeführt ist, eine Änderung der elektrischen Spannung zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung zu überwachen, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zur Überwachung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung signalmäßig mit einer Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stromes verbunden ist, welcher der elektrischen Last zugeführt wird.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller zur Messung einer Änderung der elektrischen Leistung zu der Lasteinrichtung bei in die offene Stellung angesteuertem Relais ausgeführt ist, die Änderung des elektrischen Stroms zu der Lasteinrichtung zu überwachen, während das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare elektrische Lasteinrichtung eine parasitäre Lasteinrichtung für ein Hybridelektrofahrzeug umfasst.
System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine kapazitive Speichereinrichtung, die in einer Parallelschaltung mit der Lasteinrichtung elektrisch verbunden ist.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Relais eine pulsbreitenmodulationsgesteuerte Hochspannungs-Relaiseinrichtung umfasst, die ausgeführt ist, elektrischen Strom zu leiten.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle eine Energiespeichereinrichtung umfasst.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung, die in einer Parallelschaltung mit dem elektrischen Relais elektrisch verbunden ist, einen elektrischen Widerstand umfasst, der einen elektrischen Widerstandswert im Bereich von 1500 Ohm aufweist.
Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Relais in einer Schaltung, die elektrische Energie von einer Speichereinrichtung zu einer steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung leitet, bei dem a. zu dem elektrischen Relais permanent eine Widerstandseinrichtung parallel geschaltet wird; b. ein niedriger elektrischer Lastzustand an der Lasteinrichtung erkannt wird; c. bei erkanntem niedrigem Lastzustand an der Lasteinrichtung die steuerbare elektrische Lasteinrichtung angesteuert wird, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, und das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert wird; d. elektrische Leistung an einem Knotenpunkt, der die Relaiseinrichtung, die steuerbare elektrische Lasteinrichtung und die Widerstandseinrichtung umfasst, gemessen wird; und e. auf der Basis der an dem Knotenpunkt gemessenen elektrischen Leistung bestimmt wird, ob das in die offene Stellung angesteuerte Relais offen oder geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Erkennen eines niedrigen elektrischen Lastzustands an der Lasteinrichtung das Erkennen eines Abschaltbefehls durch einen Bediener umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung, bei einem bekannten Stromentnahmepegel zu arbeiten, das Ansteuern der steuerbaren elektrischen Lasteinrichtung, bei einem im Wesentlichen festen Strompegel zu arbeiten, der geringer als etwa ein Ampere ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der elektrischen Leistung an einem Knotenpunkt, der die Relaiseinrichtung, die steuerbare elektrische Lasteinrichtung und die Widerstandseinrichtung umfasst, ferner das Messen eines Spannungsabfalls über dem elektrischen Relais umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das elektrische Relais richtig funktioniert, wenn der gemessene Spannungsabfall über dem elektrischen Relais größer als ein vorbestimmter Betrag ist, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn der gemessene Spannungsabfall über dem elektrischen Relais geringer als der vorbestimmte Betrag ist, wenn das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen der elektrischen Leistung an einem Knotenpunkt, der die Relaiseinrichtung, die steuerbare elektrische Lasteinrichtung und die Widerstandseinrichtung umfasst, das Messen eines der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das elektrische Relais richtig funktioniert, wenn eine Änderung des der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms größer als ein vorbestimmter Betrag ist, während das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn die Änderung des der Lasteinrichtung zugeführten elektri schen Stroms geringer als der vorbestimmte Betrag ist, während das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das elektrische Relais fehlerhaft funktioniert, wenn die Änderung des der Lasteinrichtung zugeführten elektrischen Stroms geringer als der vorbestimmte Betrag nach einer verstrichenen Zeit ist, während das elektrische Relais in die offene Stellung angesteuert ist.