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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein das elektrische System von elektrisch unterstützten und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise hybride Benzin-Elektro-, reine Elektro- und brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Sicherheits- und Systemdiagnoseüberwachung elektrisch unterstützter und elektrisch angetriebener Fahrzeuge.
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Gegenwärtig erhöhen Kraftfahrzeugfirmen die Produktion von hybriden Benzin-Elektrofahrzeugen und forschen an reinen Elektro- und brennstoffzellengetriebenen Fahrzeugen. Diese elektrisch unterstützten und elektrisch angetriebenen Fahrzeuge weisen das Potential für verringerte Emissionen, eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine verbesserte Leistungsfähigkeit auf. Diese Vorteile sind möglich, weil die elektrische Komponente der elektrischen oder hybriden Maschine einen nahezu lautlosen Betrieb, eine Präzisionssteuerung, ein zusätzliches Maschinendrehmoment und eine zusätzliche Leistung mit einem Stoßpotential und eine Energierückgewinnung aus einem regenerativen Bremsen ermöglicht. Hinsichtlich des regenerativen Bremsens können Batterien und Doppelschichtkondensatoren wieder aufgeladen werden und brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge weisen gewöhnlich Batterie- oder Doppelschichtkondensatorkomponenten auf.
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Wenn das Fahrzeug ausgeschaltet wird, trennen elektrisch unterstützte und elektrisch angetriebene Fahrzeuge im Allgemeinen den Batteriestapel von dem elektrischen Verdrahtungssystem des Fahrzeugs. Dies dient einer Reihe von Zwecken, beispielsweise einer Isolierung des Batteriestapels von den elektrischen Lasten des Fahrzeugs, um dadurch einen parasitären Leckstrom zu verringern, welcher die Batterie entlädt. Die Isolierung verlängert auch die Speicherung nutzbarer Energie und verbessert die Batterielebensdauer. Da es sich bei dem Batteriesystem um Hochspannung handelt, verhindert die Isolierung darüber hinaus elektrische Gefährdungen, indem die unzähligen Drähte und Kontakte ausgeschaltet werden, die gefährdet sein könnten.
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Das elektrische Hochspannungssystem dieser elektrisch unterstützten und elektrisch angetriebenen Fahrzeuge kann in zwei Hauptteile unterteilt werden: die Hochspannungsenergiequelle, welche die Batterien, die Doppelschichtkondensatoren, die Brennstoffzellen und den Batteriestapelcontroller umfasst; und die Hochspannungsenergielast, welche die Elektromotoren, die Verdrahtung, die Kabel, den elektrischen Bus, elektrische Kühlungen und Heizungen, Verbinder mit dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler und viele andere elektrische Einrichtungen umfasst. Zwischen der Hochspannungsenergiequelle und der Hochspannungsenergielast befindet sich ein Verbindungssystem, das deaktiviert werden kann, um die Hochspannungsenergiequelle von der Hochspannungsenergielast zu isolieren.
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Die
US 2006/0 220 601 A1 offenbart eine Spannungsumsetzungsschaltung für Elektrofahrzeuge, bei der mit dem Aktivieren eines DC/DC-Umsetzers so lange gewartet wird, bis eine Vorladungssteuerung abgeschlossen ist. Der Abschluss der Vorladungssteuerung wird erkannt, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen der Hochspannungsenergiequelle und der Hochspannungsenergielast kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wenn eine Spannungsanstiegsrate an der Hochspannungsenergielast kleiner als eine vorbestimmte Anstiegsrate ist oder wenn eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist.
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In der
US 4 360 850 A ist ein Überspannungsschutz für Druckerpressen offenbart, bei dem eine Lastimpedanz dauernd überwacht wird und eine Hochspannung abgeschaltet wird, wenn die Lastimpedanz unter einen gewählten Wert fällt und/oder wenn eine Änderungsrate der Spannung an der Last einen Schwellenwert überschreitet.
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Die Hochspannungsenergielast kann möglicherweise mit der Fahrzeugkarosserie oder einem anderen Draht kurzgeschlossen werden. Um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen, ist es wünschenswert, über ein Überwachungssystem der Hochspannungssystemverbindung zu verfügen, das zuverlässig dagegen schützt, dass der volle Strom versehentlich durch einen Kurschluss in dem elektrischen Hochspannungsbus geleitet wird. Andere wünschenswerte Eigenschaften und Merkmale von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offensichtlich.
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Erfindungsgemäße Systeme und Verfahren, wie sie hier beschrieben sind, können in einem Fahrzeug implementiert werden, um eine Unterbrechung in dem Hochspannungsenergielastsystem des Fahrzeugs zu detektieren. Die Technik führt zu Beginn einer Verbindung einer Hochspannungsenergiequelle eine Überprüfung durch, um sicherzustellen, dass eine Hochspannungsenergielast in dem elektrischen Hochspannungssystem vollständig verbunden ist, bevor sie einen vollen Strom an die Hochspannungsenergielast und einen normalen Fahrzeugbetrieb zulässt. Die Technik schaltet einen Widerstand dazwischen, um einen Stromfluss zwischen der Hochspannungsenergiequelle und der Hochspannungsenergielast zu begrenzen, und misst eine Spannung und eine Spannungsanstiegszeit an der Fahrzeuglast. Die Spannung und die Spannungsanstiegszeit an der Fahrzeuglast werden verwendet, um zu ermitteln, ob eine unterbrochene Fahrzeuglast vorhanden ist, und, wenn dem so ist, wird das Hochspannungsenergiespeichersystem deaktiviert, um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen.
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Die Erfindung liefert ein Verbindungsüberwachungsverfahren für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1, ein Verbindungsüberwachungsverfahren für ein Hochspannungsenergiespeichersystem gemäß Anspruch 8 und ein Hochspannungsverbindungs-Überwachungssystem für ein Fahrzeug gemäß Anspruch 14.
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Die voranstehenden und andere Aspekte der Erfindung können bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung praktiziert werden, indem eine Spannungsanstiegsrate an einem Knoten für eine Hochspannungsenergielast überwacht wird. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung aktiviert ein Controller eine Vorladungsschaltung, um eine Spannung von der Hochspannungsenergiequelle an die Hochspannungsenergielast anzulegen. Der Controller überwacht eine Spannungsanstiegsrate an einem Knoten an der Hochspannungsenergielast und trennt die Hochspannungsenergiequelle von der Hochspannungsenergielast, wenn die Spannungsanstiegsrate schneller als eine Schwellenwertrate ist. Andernfalls kann ein Normalbetrieb des Fahrzeugs fortgesetzt werden.
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Die voranstehenden und andere Aspekte der Erfindung können bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung praktiziert werden, indem ein Spannungsanstieg und eine Spannungsanstiegszeit von einem Knoten an einer Hochspannungsenergiequelle zu einem Knoten an einer Hochspannungsenergielast überwacht wird. Bei der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ermittelt ein Controller die Zeit, welche die Spannung benötigt, um bis zu einem vorbestimmten Prozentwert der Standardbetriebsspannung oder mehr anzusteigen. Wenn die Zeit länger oder gleich einer schnellsten zulässigen Anstiegszeit für eine an der Hochspannungsenergielast gemessene Spannung ist, dann ist der Spannungsanstieg normal. Wenn die Zeit kürzer als die schnellste zulässige Anstiegszeit ist, dann ist der Anstieg zu schnell, was einen Systemausfall impliziert.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
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1 ein Schaltplan eines Hochspannungsenergiespeichersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Überwachung einer Hochspannungsenergieverbindung für das Hochspannungsenergiespeichersystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist; und
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3 ein Flussdiagramm des Prozesses zur Überwachung der Hochspannungsenergieverbindung für das Hochspannungsenergiespeichersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
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Ausführungsformen der Erfindung können hier mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist zu verstehen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten realisiert sein können, welche ausgestaltet sind, um die angegebenen Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuerungseinrichtungen ausführen können. Zusätzlich werden Fachleute verstehen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl von Fahrzeuganwendungen ausgeführt werden können und dass das hier beschriebene System nur eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist.
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Der Kürze wegen kann es sein, dass herkömmliche Techniken und Komponenten, welche elektrische Fahrzeugteile und andere funktionale Aspekte des Systems (und die einzelnen Betriebskomponenten des Systems) betreffen, hier nicht genau beschrieben sind. Darüber hinaus sind die Verbindungslinien, die in den verschiedenen hier enthaltenen Figuren gezeigt sind, dazu gedacht, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darzustellen.
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Die nachfolgende Beschreibung kann sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale beziehen, die miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Hier bedeutet ”verbunden”, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verknüpft ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Auf ähnliche Weise bedeutet ”gekoppelt”, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verknüpft ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch. Daher können, obwohl der in 1 gezeigte Schaltplan eine beispielhafte Anordnung von Elementen darstellt, zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität des Systems nicht nachteilig betroffen ist).
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Ausführungsformen der Erfindung sind hier in dem Kontext einer praktischen Anwendung beschrieben, nämlich einer Verbindungsüberwachungstechnik für ein Hochspannungsenergiespeichersystem. In diesem Kontext kann die beispielhafte Technik angewendet werden, um Schaltungsfehler an dem Fahrzeug zu detektieren. Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch nicht auf derartige Fahrzeuganwendungen beschränkt, und die hier beschriebenen Techniken können auch bei anderen Überwachungssystemen für Hochspannungssystemverbindungen verwendet werden.
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1 ist ein Schaltplan eines Hochspannungsenergiespeichersystems 100, das geeignet ausgestaltet ist, um einen Prozess zur Überwachung einer Hochspannungssystemverbindung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung auszuführen. Die in 1 dargestellten verschiedenen Blöcke können durch eine beliebige Anzahl physikalischer Komponenten oder Module realisiert sein, die über das System 100 verteilt angeordnet sind. Ein Hochspannungsenergiespeichersystem 100 aus der Praxis kann eine andere Anzahl an elektrischen Komponenten, Schaltungen und Controllereinheiten umfassen, als die in 1 gezeigte. Herkömmliche Teilsysteme, Merkmale und Aspekte des Hochspannungsenergiespeichersystems 100 werden hier nicht genau beschrieben.
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Das Hochspannungsenergiespeichersystem 100 umfasst allgemein eine Hochspannungsenergiequelle 102, ein Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108, das einen Controller 110 umfasst, eine Hochspannungsschaltung 112 und eine Hochspannungsenergielast 134. In der Praxis können diese Elemente unter Verwendung von Hochspannungsdrähten 136, Kabeln oder dergleichen miteinander gekoppelt sein.
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Bei Fahrzeuganwendungen in der Praxis kann die Hochspannungsenergiequelle 102 ohne eine Einschränkung sein: ein Batteriestapel, ein Doppelschichtkondensator und/oder eine Brennstoffzelle. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Hochspannungsenergiequelle 102 ein Batteriestapel, der eine Spannung, einen Strom und andere Betriebsspezifikationen aufweist, welche für die beabsichtigte Fahrzeuganwendung geeignet sind. Die Hochspannungsenergiequelle 102 kann Verdrahtungen, Kabel, elektrische Busse, elektrische Kühler und Heizungen (da die Leistungsfähigkeit von der Temperatur abhängen kann), Verbinder zu dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler und viele andere elektrische Einrichtungen aufweisen. Wie nachfolgend beschrieben ist, ist die Hochspannungsenergiequelle 102 geeignet ausgestaltet, um eine Hochspannung und/oder eine Hochspannungsladung für die Hochspannungsenergielast 134 bereitzustellen.
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Die Ausgänge der Hochspannungsenergiequelle 102 werden von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 gesteuert, welches mit der Hochspannungsschaltung 112 gekoppelt ist. Die Hochspannungsschaltung 112 wird verwendet, um die Hochspannungsladung an die Hochspannungsenergielast 134 anzulegen. Kurz gesagt ist das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 ausgestaltet, um eine Unterbrechung in dem Hochspannungsenergiespeichersystem 100 auf der Grundlage einer Spannungsanstiegszeit bei der Hochspannungsenergielast 134 anzuzeigen, wobei die Spannungsanstiegszeit in Ansprechen auf ein Anlegen einer Hochspannung von der Hochspannungsenergiequelle 102 an die Hochspannungsenergielast 134 gemessen wird.
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Das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 führt die hier beschriebenen Spannungsüberwachungsfunktionen und Unterbrechungsprozesse aus. Das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 kann eine beliebige Anzahl von verschiedenen Verarbeitungsmodulen oder Komponenten umfassen, die ausgestaltet sind, um die hier genauer beschriebenen Aufgaben, Prozesse und Operationen durchzuführen. Obwohl in 1 nur ein Steuerungsmodul 108 gezeigt ist, kann eine Implementierung in der Praxis eine beliebige Anzahl von verschiedenen physikalischen und/oder logischen Steuerungsmodulen verwenden, welche über das System 100 verteilt sein können. In der Praxis können das Steuerungsmodul 108 und/oder der Controller 110 mit einem Allzweckprozessor, einem Speicher mit adressierbarem Inhalt, einem digitalen Signalprozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem vor Ort programmierbaren Gatearray (FPGA) oder einer beliebigen anderen geeigneten programmierbaren Logikeinrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten oder einer beliebigen Kombination daraus, die entworfen sind, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen, implementiert oder ausgeführt sein. Das Steuerungsmodul 108 und/oder der Controller 110 können als ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder eine Zustandsmaschine realisiert sein.
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Bei diesem Beispiel umfasst die Hochspannungsschaltung 112 einen primären Schützschalter 116, einen Vorladungsschützschalter 120, einen Vorladungswiderstand 124 und einen sekundären Schützschalter 130. Diese Komponenten können bei der beispielhaften Anordnung, die in 1 gezeigt ist, miteinander gekoppelt sein.
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Der primäre Schützschalter 116 ist mit einem ersten Pol 104 der Hochspannungsenergiequelle 102 gekoppelt. Im geschlossenen Zustand verbindet der primäre Schützschalter 116 den ersten Pol 104 mit der Hochspannungsenergielast 134. Auf diese Weise ist der primäre Schützschalter 116 ausgestaltet, um einen Fluss des vollen Stroms an die Hochspannungsenergielast 134 zu steuern. Der primäre Schützschalter 116 kann von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 geschlossen werden, um einen Betrieb der Hochspannungsenergiequelle 102 mit dem Fahrzeug zu ermöglichen.
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Der Vorladungswiderstand 124 weist ein erstes Ende 126, das mit der Hochspannungsenergielast 134 gekoppelt ist, und ein zweites Ende 128 auf, das mit dem ersten Pol 104 gekoppelt ist, wenn der Vorladungsschützschalter 120 geschlossen ist. Der Vorladungswiderstand 124 ist geeignet ausgestaltet, um ein relativ langsames Aufladen der Kapazität an der Hochspannungsenergielast 134 zu ermöglichen.
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Der Vorladungsschützschalter 120 ist zwischen den ersten Pol 104 der Hochspannungsenergiequelle 102 und das zweite Ende 128 des Vorladungswiderstands 124 gekoppelt. Wenn der Vorladungsschützschalter 120 geschlossen wird, fügt er den Vorladungswiderstand 124 in den Pfad zwischen dem ersten Pol 104 und der Hochspannungsenergielast 134 ein. Der Vorladungsschützschalter 120 ist daher ausgestaltet, um einen Stromfluss durch den Vorladungswiderstand 124 an die Hochspannungsenergielast 134 zu steuern. Der Vorladungsschützschalter 120 kann durch das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 vor einem Schließen des primären Schützschalters 116 geschlossen werden, um die nachfolgend in Verbindung mit 2 und 3 beschriebene Vorladungsoperation zu ermöglichen.
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Der sekundäre Schützschalter 130 ist mit einem zweiten Pol 106 der Hochspannungsenergiequelle 102 gekoppelt. Im geschlossenen Zustand koppelt der sekundäre Schützschalter 130 den zweiten Pol 106 mit der Hochspannungsenergielast 134. Auf diese Weise ist der sekundäre Schützschalter 130 geeignet ausgestaltet, um einen Stromfluss an die Hochspannungsenergielast 134 zu steuern. Der sekundäre Schützschalter 130 wird von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 in Verbindung mit dem primären Schützschalter 116 und/oder dem Vorladungsschützschalter 120 geschlossen, um die Hochspannungsschaltung zu komplettieren oder zu unterbrechen.
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Die Hochspannungsenergielast 134 kann Elektromotoren, Verdrahtung, Kabel, einen elektrischen Bus, elektrische Kühler und Heizungen, Verbinder zu dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler und viele andere elektrische Einrichtungen aufweisen. In der Praxis kann die Hochspannungsenergielast 134 eine wesentliche Kapazität aufweisen.
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Das Hochspannungsverbindungs-Überwachungssystem 100 kann jedes Mal ausgeführt werden, wenn die Hochspannungsenergiequelle 102 mit dem Fahrzeug verbunden wird, beispielsweise, wenn die Zündung eingeschaltet wird. Bei der ersten Verbindung der Hochspannungsenergiequelle 102 führt das System eine Überprüfung durch, um sicherzustellen, dass die Hochspannugsenergielast 134 in dem System 100 vollständig verbunden und ohne Kurzschlüsse ist, bevor ein voller Stromfluss an die Hochspannungsenergielast 134 und ein normaler Fahrzeugbetrieb zugelassen wird. Das hier beschriebene Verfahren schaltet den Vorladungswiderstand 124 dazwischen, um einen Stromfluss zwischen der Hochspannungsenergiequelle 102 und der Hochspannungsenergielast 134 zu begrenzen, und schaltet den zweiten Schützschalter 130 ein, und misst dann die an der Hochspannungsenergielast 134 anliegende Spannung. Die an der Hochspannungsenergielast 134 anliegende Spannung wird verwendet, um zu ermitteln, ob ein Kurzschluss oder eine unterbrochene Schaltung vorliegt, und wenn dem so ist, wird das Hochspannungsenergiespeichersystem unterbrochen, um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen.
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2 ist ein Flussdiagramm des Prozesses 200 zur Überwachung der Hochspannungsenergieverbindung, welcher durch das, wie voranstehend beschriebene, System 100 ausgeführt werden kann. Der Prozess 200 detektiert eine Unterbrechung in dem System 100, in dem er eine Spannungsanstiegsrate von einer Hochspannungsenergiequelle an eine Hochspannungsenergielast überwacht. Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung mit dem Prozess 200 ausgeführt werden, können durch Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination davon ausgeführt werden. Zu Darstellungszwecken kann sich die nachfolgende Beschreibung des Prozesses 200 auf Elemente beziehen, die voranstehend in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. Bei Ausführungsformen in der Praxis können Teile des Prozesses 200 von verschiedenen Elemente des Systems 100 ausgeführt werden, z. B. das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 und die Hochspannungsschaltung 112.
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Der Prozess 200 zur Überwachung der Hochspannungsenergieverbindung kann beginnen, indem eine beliebige Anfangsspannung an der Hochspannungsenergielast 134 überprüft wird (Abfrageaufgabe 202). Diese Überprüfung der Anfangsspannung wird ausgeführt, weil eine Kapazität der Hochspannungsenergielast 134 eine Energie aufweisen kann, die bei vorausgehenden Verbindungsversuchen angesammelt wurde. Wenn bei der Hochspannungsenergielast 134 bereits eine angesammelte Energie vorliegt, sind weniger Strom und Zeit notwendig, um die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 zu erhöhen. Wenn die Hochspannungsenergielast 134 von der Hochspannungsenergiequelle 102 getrennt wird, dann kann normalerweise noch eine kapazitive Energie in Komponenten der Hochspannungsenergielast 134 vorhanden sein, welche für eine gewisse Zeit geladen bleiben, bis sie vollständig entladen sind. Beim nächsten Einschalten der Fahrzeugzündung wird das System messen, wie viel Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 bereits vorhanden ist, und seine Berechnung auf der Grundlage der verfügbaren kapazitiven Energie ausführen. Als ein Ergebnis kann es weniger Zeit beanspruchen, die Kapazität zu laden, wenn noch etwas kapazitive Energie vorhanden ist. Für jeweils 100 V werden beispielsweise etwa 10 ms benötigt. Die kalibrierte Zeit wird nicht verändert, aber das Verfahren wird auf eine kürzere Zeit nachgestellt, wenn bereits etwas kapazitive Energie verfügbar ist. Wenn beispielsweise bereits 100 V an dem System vorliegen, wird ein Vorladen von zusätzlichen 200 V weniger Zeit beanspruchen als ein Vorladen von vollen 300 V von 0 V aus.
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Die der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung wird überprüft, um zu ermitteln, ob sie größer als eine Schwellenwertspannung ist (Abfrageaufgabe 202). Die Schwellenwertspannung wird auf einen Pegel derart gesetzt, dass ein beliebiger Spannungsbetrag über der Schwellenwertspannung einen Fehler bei der Spannungsanstiegsrate verursachen wird. Der Wert der Schwellenwertspannung kann für verschiedene Fahrzeuge unterschiedlich sein. Wenn der Controller 110 ermittelt, dass die der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung größer als die Schwellenwertspannung ist (Abfrageaufgabe 202), dann kann der Prozess 200 fortfahren, indem er eine neue Schwellenwertrate als eine Funktion einer anfänglichen kapazitiven Energie der Hochspannungsenergielast 134 berechnet (Aufgabe 206), und den Betrieb wieder aufnehmen, indem er die Schwellenwertrate durch die neue Schwellenwertrate ersetzt (Aufgabe 208). Diese Aufgabe wird ausgeführt, um die Schwellenwertrate entsprechend einer Spannungsanstiegsrate an der Hochspannungsenergielast 134 als eine Funktion der anfänglichen kapazitiven Energie der Hochspannungsenergielast 134 zu ermitteln. Die Spannungsanstiegszeit kann umgekehrt proportional zu dem anfänglichen Wert der kapazitiven Energie sein, die in der Hochspannungsenergielast 134 angesammelt wurde. Die Schwellenwertrate kann beispielsweise auf einer schnellstmöglichen zulässigen Spannungsanstiegszeit für die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 basieren (welche etwa 20, 30 oder 40 ms sein kann, wenn keine anfängliche angesammelte kapazitive Energie in der Hochspannungslast 134 vorhanden ist). Die schnellstmögliche zulässige Spannungsanstiegszeit kann für jeden Fahrzeugentwurf kalibriert werden und kann für jedes Fahrzeug festgelegt werden. Die schnellstmögliche zulässige Spannungsanstiegszeit kann jedoch durch die Existenz einer anfänglichen kapazitiven Energie beeinflusst werden. Wenn beispielsweise der elektrische Verbinder an die Hochspannungsenergielast 134 unterbrochen wird, ist die effektive Kapazität der Hochspannungsenergielast 134 bezüglich der Hochspannungsenergiequelle 102 gleich Null. Wenn daher der Vorladungsschützschalter 120 und der sekundäre Schützschalter 130 geschlossen werden, werden nahezu sofort beispielsweise etwa 300 V an der Hochspannungsenergielast 134 anliegen. Die Schwellenwertrate kann auch eine Funktion einer variablen Fahrzeugkonfiguration sein, wie in dem Kontext von 3 nachfolgend erklärt ist.
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Wenn die der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung nicht größer als die Schwellenwertspannung ist (Aufgabe 202), kann der Prozess 200 fortfahren, indem er den Hochspannungsvorladungsprozess startet, ohne die Schwellenwertrate durch die neue Schwellenwertrate zu ersetzen.
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Der Prozess 200 fährt dann mit dem Einleiten des Vorladungsprozesses fort, indem er den Vorladungsschützschalter 120 schließt, wodurch der Vorladungswiderstand 124 zwischen die Hochspannungsenergiequelle 102 und die Hochspannungsenergielast 134 geschaltet wird, und indem er den sekundären Schützschalter 130 schließt, um einen Schaltkreis zu komplettieren. Dieses Vorgehen bewirkt, dass eine Spannung von der Hochspannungsenergiequelle 102 an die Hochspannungsenergielast 134 angelegt wird (Aufgabe 212).
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Der Prozess 200 fährt dann fort, indem er die Spannungsanstiegsrate für die Hochspannungsenergielast 134 überwacht (Aufgabe 214). Der Controller 110 misst die Spannungen und Abtastzeiten an der Hochspannungsenergielast 134 bei Knoten 118 und 136 der Schaltung 112, um zu ermitteln, ob die Spannungsanstiegsrate schneller als die Schwellenwertrate ist (Abfrageaufgabe 216). Wenn die Spannungsanstiegsrate nicht schneller als die Schwellenwertrate ist, dann erhält die Hochspannungsenergiequelle 102 eine Verbindung mit der Hochspannungsenergielast 134 aufrecht (Aufgabe 218). Sobald die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 einen angegebenen Wert erreicht (beispielsweise etwa 95% der Hochspannungsenergiequelle 102), ist das Vorladen abgeschlossen, und zu diesem Zeitpunkt kann der primäre Schütz 116 geschlossen werden, um die ganze Spannung anzulegen. Wenn die Spannungsanstiegsrate jedoch schneller als die Schwellenwertrate ist (d. h. das Vorladen des Systems ist zu schnell), dann wird die Hochspannungsenergiequelle 102 von der Hochspannungsenergielast 134 getrennt (Aufgabe 220) und der Prozess stoppt. An diesem Punkt kann der Controller 110 befehlen, dass alle Schalter 116, 120, 130 geöffnet werden, um die Hochspannung von der Hochspannungsenergielast 134 zu entfernen. Zusätzlich kann der Prozess 200 das Verbindungssystem deaktivieren, wodurch das Hochspannungssystem deaktiviert wird, wenn die Spannungsanstiegsrate zu langsam ist (dieser Prozess ist in 2 nicht gezeigt, wird aber in 3 dargestellt).
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3 ist ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Prozesses 300 zur Detektion einer Hochspannungsenergieunterbrechung, der durch das, wie voranstehend beschriebene, System 100 ausgeführt werden kann. Der Prozess 300 detektiert eine Unterbrechung in dem System 100, indem er ein Spannungsverhältnis und eine Spannungsanstiegszeit von der Hochspannungsenergiequelle 102 an die Hochspannungsenergielast 134 überwacht. Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung mit dem Prozess 300 ausgeführt werden, können durch Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination davon ausgeführt werden. Zu Darstellungszwecken kann sich die nachfolgende Beschreibung des Prozesses 300 auf Elemente beziehen, die voranstehend in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. Bei Ausführungsformen in der Praxis können Teile des Prozesses 300 von verschiedenen Elementen des Verbindungsüberwachungssystems 100 ausgeführt werden, z. B. von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 und der Hochspannungsschaltung 112.
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Der Verbindungsüberwachungsprozess 300 kann beginnen, indem eieinen Anstiegszeitschwellenwert ermittelt. Der Anstiegszeitschwellenwert kann ohne eine Einschränkung durch ein festes Systemverfahren, durch ein dynamisches Systemverfahren oder durch ein variables Fahrzeugkonfigurationsverfahren ermittelt werden, wie nachfolgend erläutert ist.
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Bei dem festen Systemverfahren wird der Anstiegszeitschwellenwert kalibriert und in den Controller 110 eingebettet. Bei dem festen Systemverfahren überwacht der Controller die Spannungsanstiegszeit an der Hochspannungsenergielast 134 relativ zu einem festen Anstiegszeitschwellenwert bei jedem Mal, wenn das System 100 eingeschaltet wird (wie vorstehend beschrieben ist), und das System aktualisiert den Anstiegszeitschwellenwert nach dem Einschalten nicht.
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Bei dem dynamischen Systemverfahren kann der Controller 110 mit einer Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung beginnen, die in dem Controller 110 programmiert ist. Bei diesem Fall kann das System 100 die Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung auf der Grundlage der resultierenden Ladezeit jedes Mal aktualisieren, wenn das System 100 arbeitet. Ein Beispiel der Notwendigkeit für das dynamische Systemverfahren besteht darin, eine Verschlechterung von Komponenten im Lauf der Zeit zu kompensieren.
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Bei der variablen Fahrzeugkonfiguration kann der Controller 110 eine Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung auf der Grundlage einer aktuellen Fahrzeugkonfiguration berechnen. Es kann beispielsweise Hochspannungseinrichtungen geben, welche mit dem Hochspannungsenergiespeichersystem 100 zu gewissen Zeitperioden verbunden sind und zu anderen Zeiten getrennt sind. Ein zugeschalteter Hybrid ist ein Beispiel, bei dem sich die aktuelle Fahrzeugkonfiguration ändert, weil eine zusätzliche (Energiequelle/kapazitive Last) durch eine Schaltung zu der (Hochspannungsenergiequelle 102/Hochspannungsenergielast 134) hinzugefügt wird, wenn er zugeschaltet ist, wodurch sich die Vorladungszeit verändert.
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Nach einem Ermitteln eines Anstiegszeitschwellenwerts (Aufgabe 301) wird der Prozess 300 dann mit dem Einleiten eines Vorladungsprozesses fortfahren, indem er den Vorladungsschützschalter 120 und den sekundären Schützschalter 130 schließt. Dies bewirkt, dass eine Hochspannung von der Hochspannungsenergiequelle 102 an die Hochspannungsenergielast 134 angelegt wird (Aufgabe 302), wie in dem Kontext von 2 erklärt ist.
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Als Nächstes tastet der Prozess 300 (zu einem speziellen Abtastzeitpunkt) einen ersten Spannungswert von der Hochspannungsenergiequelle 102 an dem ersten Knoten 114 der Hochspannungsschaltung 112 relativ zu dem Knoten 136 ab (Aufgabe 306). Gleichzeitig tastet der Prozess (zu dem gleichen Abtastzeitpunkt) einen zweiten Spannungswert von der Hochspannungsenergielast 134 an einem zweiten Knoten 118 der Hochspannungsschaltung 112 relativ zu dem Knoten 136 ab (Aufgabe 308). Bei der beispielhaften Ausführungsform wird das Abtasten dieser Spannungen durch den Controller 110 verwaltet.
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Der Prozess 300 fährt dann fort, indem er ein Spannungsverhältnis aus den ersten und den zweiten Spannungswerten berechnet (Aufgabe 310) und überprüft, um zu ermitteln, ob das Spannungsverhältnis größer oder gleich einem vorbestimmten Spannungsverhältnis ist (Abfrageaufgabe 312). Das Spannungsverhältnis dieser beispielhaften Ausführungsform ist ohne eine Einschränkung der zweite an dem Knoten 118 der Schaltung 112 abgetastete Spannungswert geteilt durch den ersten an dem Knoten 114 der Schaltung 112 abgetasteten Spannungswert, welches einen prozentualen Anteil der Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 relativ zu der Hochspannungsenergiequelle 102 anzeigt. Es können auch andere Verhältnisse verwendet werden. Wenn es keinen Kurzschlussentladestrom von der Hochspannungsenergielast 134 gibt, sollte das Spannungsverhältnis nach einer kurzen Zeit einen Wert überschreiten, der für das spezielle Fahrzeug spezifisch ist. Das vorbestimmte Spannungsverhältnis kann ohne eine Einschränkung etwa 95% betragen und es stellt ein Spannungsverhältnis zwischen den Spannungen an dem Knoten 114 und dem Knoten 118 über den Vorladungswiderstand 124 der Schaltung 112 relativ zu dem Knoten 130 dar, wie voranstehend erläutert ist. Dieses Verhältnis wird verwendet, um zu ermitteln, wann das primäre Schütz geschlossen werden muss. Ein Schließen des primären Schützes bei einer größtenteils entladenen kapazitiven Hochspannungslast kann die Komponenten der kapazitiven Last beschädigen. Bei 95% ist der Stromstoß in die kapazitive Last durch ein Schließen des primären Schützes ausreichend verringert.
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Wenn das Spannungsverhältnis größer oder gleich dem vorbestimmten Spannungsverhältnis ist, dann fährt die Aufgabe 300 fort, indem sie eine Spannungsanstiegszeit beschafft (Aufgabe 318). Die Spannungsanstiegszeit wird von dem Controller 110 aus der Zeit gemessen, die von dem ersten Schließen des Vorladungsschalters 120 vergeht, bis die Spannung an dem Knoten 118 das vorbestimmte Spannungsverhältnis erreicht, welches bei diesem Beispiel nominell 0,95 ist. Die Spannungsanstiegszeit kann ohne eine Einschränkung etwa 20, 30 oder 40 ms betragen, wenn keine anfängliche angesammelte kapazitive Energie in der Hochspannungslast 134 vorhanden ist, wie voranstehend in dem Kontext von 2 erläutert ist. Der Vorladungsstrom durch den Vorladungswiderstand 124 wird die Kapazität der Hochspannungsenergielast 134 in einer Zeitdauer aufladen, welcher eine Vorladungszeit genannt wird. Ein Anstiegszeitschwellenwert wird auf einen Pegel gesetzt, der eine maximal zulässige Vorladungszeit überschreitet, selbst wenn eine Variation der Komponenten und der Leistungsfähigkeit umfasst ist. Wenn ein Schaltungsfehler vorliegt, wird der Leckstrom einen Strom aus der Hochspannungsenergielast 143 ziehen und den Nettostrom verringern, der die Kapazität der Hochspannungsenergielast 134 lädt. Der verringerte Strom wird die Spannungsanstiegszeit vergrößern. Eine Spannungsanstiegszeit, welche den Anstiegszeitschwellenwert überschreitet, zeigt einen Schaltungsfehler, einen Leckstrom oder einen Kurzschluss an.
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Der Prozess 300 kann dann fortfahren, indem er untersucht, ob die gemessene Spannungsanstiegszeit größer oder gleich dem Anstiegszeitschwellenwert ist (Abfrageaufgabe 320). Wenn der Prozess 300 ermittelt, dass die Spannungsanstiegszeit größer oder gleich dem Anstiegszeitschwellenwert ist, dann trennt der Prozess 300 die Hochspannungsenergiequelle 102 nicht von der Hochspannungsenergielast 134 und das Fahrzeug fährt mit seinem normalen Betrieb fort (Aufgabe 322). Wenn die Spannungsanstiegszeit jedoch kürzer als der Anstiegszeitschwellenwert ist, dann entfernt der Prozess 300 die Hochspannungsenergiequelle 102 von der Hochspannungsenergielast 134 (Aufgabe 326).
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Wenn der Prozess 300 infolge der Abfrageaufgabe 312 ermittelt, dass das Spannungsverhältnis niedriger als das vorbestimmte Spannungsverhältnis ist, dann fährt der Prozess 300 fort, indem er die Vorladungszeit beschafft (Aufgabe 314). Wenn die Vorladungszeit größer oder gleich einer maximal zulässigen Vorladungszeit ist (was anzeigt, dass das System 100 zu langsam vorlädt) (Abfrageaufgabe 316), dann geht der Prozess 300 weiter zu der Aufgabe 326, um die Hochspannungsenergiequelle 102 von der Hochspannungsenergielast 134 zu entfernen. Dies liegt daran, dass ein Überschreiten der Vorladungszeit auch einen Schaltungsfehler anzeigen kann, da der Anstiegszeitschwellenwert auf einen Pegel gesetzt ist, der eine maximal zulässige Vorladungszeit überschreitet, wie voranstehend erläutert ist. Die maximal zulässige Vorladungszeit beträgt nominell 450 Millisekunden. In Abhängigkeit von dem Fahrzeug können auch andere maximal zulässige Vorladungszeiten verwendet werden. Die maximalen Vorladungszeiten hängen von der Fahrzeugkonfiguration und der Anzahl der Hochspannungsenergielasten ab. Je größer die Anzahl an elektrischen Hochspannungskomponenten an dem Hochspannungsbus ist, desto größer ist die zu ladende Kapazität und desto länger ist die zulässige Vorladungszeit. Als eine Faustregel ist ein System entworfen, um nicht länger als 500 ms zum Laden zu benötigen. Wenn die Abfrageaufgabe 316 ermittelt, dass die gemessene Vorladungszeit kleiner als die maximal zulässige Vorladungszeit ist, dann fährt der Prozess 300 fort, die Spannungswerte an dem Vorladungswiderstand 124 abzutasten, indem er zu der Aufgabe 306 zurückleitet.
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Zusammengefasst ist ein System und ein Verfahren zur Verbindungsüberwachung für ein Hochspannungsenergiespeichersystem eines Fahrzeugs offenbart. Das Verfahren führt zu Beginn einer Verbindung des Hochspannungsenergiespeichersystems eine Überprüfung durch, um sicherzustellen, dass das Hochspannungsverdrahtungssystem des Fahrzeugs vollständig verbunden und ohne Kurzschlüsse ist, bevor es einen vollen Strom an das Fahrzeug und einen normalen Fahrzeugbetrieb zulässt. Das Verfahren schaltet einen Widerstand dazwischen, um einen Stromfluss zwischen dem Hochspannungsenergiespeichersystem und der Hochspannungsverdrahtung des Fahrzeugs zu begrenzen, und misst die Spannung und eine Spannungsanstiegszeit an dem Widerstand. Die Spannung und die Spannungsanstiegszeit an dem Widerstand werden verwendet, um zu ermitteln, ob ein Kurzschluss vorliegt, und wenn dem so ist, wird das Hochspannungsenergiespeichersystem getrennt, um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen.
