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Stand der Technik
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Fahrzeuge,
die eine Elektromaschiene zum Antrieb enthalten, benötigen auch
einen energiespeicher, der üblicherweise
eine Ausgangsspannung von ≥ 60
V DC bzw. 25 V AC aufweist. Bei solch hohen Spannungsquellen werden
besondere Anforderungen an den Schutz von Personen gefordert, so
dass entsprechende Schutzmaßnahen
vorgesehen werden. In Fahrzeugen, die solche hohen Spannungsquellen
aufweisen ist aufgrund von einschlägigen Sicherheitsnormen eine
Potentialtrennung zwischen einem vorhandenen 14 V Bordnetz und dem
Traktionsnetz zum Betrieb der Elektromaschiene(n) und ggf. anderer
Verbraucher mit Spannungen von ≥ 60
V DC bzw. 25 V AC vorgesehen. Aus diesem Grund können FI-Schalter dort nicht
eingesetzt werden.
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Üblicherweise
wird daher der Überstromschutz
mit Hilfe von Schmelzsicherungen realisiert. Auf diese Weise werden
die Leitungen innerhalb des Traktionsnetzes gegen Überhitzung
und somit gegen Brand geschützt.
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Tritt
innerhalb des Energiespeichers ein Kurzschluss oder eine mehrfache
Verbindung mit leitenden Gehäuseteilen
auf, beispielsweise ein doppelter Isolationsfehler mit unterschiedlichem
Potential, so kann man diesen mit oben beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahren nicht erkennen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es einen oder mehrere Nachteile des
Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden. Insbesondere ist es
Aufgabe der Erfindung solche Fehler innerhalb des Energiespeichers
zu erken nen und geeignete Schutzmassnahmen für das angeschlossene Netz einzuleiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers
von einem angeschlossenen Netz, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist
zur Messung eines Spannungsverlaufs mindestens einer Messeinheit
des Energiespeichers unter Last, zum Abgleich der Messwerte mit
einem Referenzwert und, bei Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert
ausserhalb eines Toleranzbereichs, zur Auslösung einer Trennung des Energiespeichers vom
Netz.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich dadurch aus, dass durch Messung eines Spannungsverlaufs von
einzelnen Zellen des Energiespeichers, von Zellengruppen oder des
gesamten Energiespeichers Messgrößen erhalten
werden, die durch einen Abgleich mit einem Referenzwert eine Entscheidung darüber zulassen,
ob der Energiespeicher noch unbedenklich weiter betrieben werden
kann oder ob ein Zustand vorliegt, der eine Isolation des Energiespeichers
vom angeschlossenen Netz notwendig macht. Dabei erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung
sowohl die Aufnahme von Spannungsverläufen eines oder mehrerer Messeinheiten
des Energiespeichers, einen Vergleich der ermittelten Messwerte
mit einem Referenzwert und, bei Feststellung einer signifikanten
Abweichung eines oder mehrerer Messwerte vom Referenzwert, die ggf.
direkte Auslösung
einer Trennung des Energiespeichers vom restlichen Netz. So kann
ein Netz vor den Auswirkungen beispielsweise eines Kurzschlusses
oder eines doppelten Isolationsfehlers im angeschlosenen Energiespeicher effektiv
geschützt
werden.
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Unter
einem Energiespeicher kann für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeder Energiespeicher verstanden
werden, der eine Energie mittels elektrochemischer Prozesse speichert.
Insbesondere sind darunter Energiespeicher zu verstehen, die eine
oder mehrere in Reihe und gegebenenfalls auch parallel geschaltete
Akkumulator- und/oder Batteriezellen enthalten. Bevorzugte Energiespeicher
können
Brennstoffzellen, insbesondere vom Typ alkalische Brennstoffzelle
(AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC),
Phosphorsäurebrennstoffzelle
(PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder Festoxidbrennstoffzelle
(SOFC) aufweisen. Weitere bevorzugte elektrochemische Energiespeicher
können
Akkumulatorzellen, insbesondere vom Typ Pb – Bleiakku, NiCd – Nickel-Cadmium-Akku,
NiH2 – Nickel-Wasserstoff-Akkumulator,
NiMH – Nickel-Metallhydrid-Akkumulator,
Li-Ion – Lithium-Ionen-Akku, LiPo – Lithium-Polymer-Akku,
LiFe – Lithium-Metall-Akku,
Li-Mn – Lithium-Mangan-Akku,
LiFePO4 – Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator,
LiTi – Lithium-Titanat-Akku,
RAM – Rechargeable
Alkaline Manganese, Ni-Fe – Nickel-Eisen-Akku,
Na/NiCl – Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie
SCiB – Super
Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator
und/oder Zink-Brom-Akku aufweisen. Der Energiespeicher kann eine
oder mehrere Zellen aufweisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere
für alle
Energiespeicher anwendbar, die ein Strom- und/oder Spannungskennlinienfeld
aufweisen.
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Die
Vorrichtung dient zur Auslösung
einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen
Netz. Dabei ist der Energiespeicher derart mit einem Netz verbunden,
dass ein geschlossener Stromkreis entsteht, in dem der Energiespeicher einen
Verbraucher mit Strom versorgt.
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Die
Vorrichtung weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass ein
Spannungsverlauf mindestens einer Messeinheit des Energiespeichers
unter Last messbar ist. Dabei kann eine Messeinheit jeweils eine
Zelle des Energiespeichers, eine Gruppe von Zellen (bevorzugt in
Reihe geschaltet) des Energiespeichers oder den gesamten Energiespeicher
umfassen. Die Spannung einer Messeinheit wird dabei über Kontakte
jeweils am Plus- sowie am Minuspol der Messeinheit abgenommen, während die
Messeinheit unter Last steht. Die meisten modular aufgebauten Energiespeicher
weisen Spannungssensoren auf, über
die der Energiespeicher überwacht
und ggf. auch gesteuert werden kann. Diese Spannungssensoren können verwendet
werden, um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Spannungsverläufe
von Messeinheiten des Energiespeichers aufzunehmen. Die Messung
kann bevorzugt während
des laufenden Betriebs des Energiespeichers durchgeführt werden. Es
kann abber auch eine Last im Wesentlichen zu Messzwecken angelegt
werden. Die Messung der Spannung einer Messeinheit kann kontinuierlich
oder wiederholend in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Es sind auch
Mischformen möglich.
Es können
eine, mehrere oder alle Messeinheiten eines Energiespeichers vermessen
werden. Werden mehr als eine Messeinheit eines Energiespeichers
vermessen, so kann die Messung der jeweiligen Spannung für die ausgewählten Messeinheiten
parallel und/oder sequentiell erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass die Messwerte
mit einem Referenzwert abgleichbar sind. Der Refernezwert ist dabei
so gewählt,
dass ein Über- oder
Unterschreiten des Referenzwertes über einen Toleranzbereich hinaus
auf einen Fehlerfall im Energiespeicher geschlossen werden kann,
beispielsweise einen Kurzschluss oder einen doppelten Isolationsfehler.
Der Referenzwert kann vom verwendeten Energiespeicher abhängen und
muss ggf. für
jeden Energiespeichertyp neu bestimmt und vor, ggf. erstmaliger,
Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung
festgelegt werden. Der Referenzwert kann dabei ein fester oder schwankender
Wert sein, der aus eine mathematischen Modell oder einem Kennlinienfeld
des Energiespeichers abgeleitet werden kann. Der Refernezwert kann
aber auch kontinuierlich neu ermittelt und festgelegt werden. Der
Referenzwert kann beispielsweise aus einem Schwellenwert gebildet
werden, der eine gerade noch zu tolerierende Differenz bei einem
Vergleich der Spannungsverläufe
verschiedener Messeinheiten eines einzigen Energiespeichers untereinander
wiedergibt. Die gemessenen Spannungswerte werden mit einem bestimmten
Referenzwert verglichen und es wird festgestellt, ob einer der Messwerte
von dem Referenzwert ausserhalb eines Toleranzbereichs abweicht.
Weicht die gemessene Spannung einer ersten Messeinheit um einen
Wert von der gemessenen Spannung einer zweiten Messeinheit des Energiespeichers
ab, der oberhalb eines Referenzwertes (z. B. eines Schwellenwertes)
liegt, so löst
die Vorrichtung ein Signal aus, welches eine Trennung des Energiespeichers
vom Netz veranlasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine oder
mehrere Speicher-, Kontroll- und/oder Steuereinheiten aufweisen, die
derart ausgestaltet und abgestimmt sind, dass der gewünschte Abgleich
der Messwerte mit einem Referenzwert bewerkstelligt und die entsprechenden Massnahmen,
z. B. Auslösung
einer Trennung des Energiespeichers vom Netz, einleitbar sind.
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Die
Vorrichtung weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass,
bei Abweichung eines Messwertes von einem Referenzwert ausserhalb
eines Toleranzbereichs, eine Trennung des Energiespeichers vom angeschlossenen
Netz auslösbar
ist. Liegt eine Abweichung eines Messwertes von einem Referenzwert
in dem Maße
vor, dass eine Trennung ausgelöst werden
soll, so kann die in Betrieb befindliche erfindungsgemäße Vorrichtung
den Trennvorgang ein leiten. Dabei kann die Vorrichtung so ausgestaltet
sein, dass die Trennung direkt oder indirekt, ggf. automatisch, über elektrische,
elektronische und/oder mechanische Mittel ausgelöst und/oder bewirkt wird. Dazu
können
beispielsweise elektrische, elektronische und/oder mechanische Schalter
vorgesehen sein, die zwischen den Polen des Energiespeichers und
den weiteren Netzbestandteilen angebracht sind und die eine Unterbrechung
der leitenden Verbindungen zwischen Energiespeicher und restlichem
Netz erlauben. Solche Schalter können
beispielsweise Relais oder Schütze
sein. Solche Schalter können
z. B. Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des Netzes
und/oder des Energiespeichers sein. Erfindungswesentlich ist, dass
die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Vorrichtung die
Trennvorrichtungen auslösen
kann, beispielsweise über
ein elektrisches oder ein mechanisches Signal.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei
sind unter dem Begriff „Fahrzeug” alle angetriebenen
Fahrzeuge zu verstehen, die eine Batterie aufweisen, unabhängig davon
welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst
der Begriff „Fahrzeug” Fahrzeuge
mit einem Elektroantrieb, z. B. HEV (elektrische Hybridfahrzeuge),
PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge,
sowie alle Fahrzeuge, die eine Batterie für die elektrische Energieversorgung von
Fahrzeug und/oder Fahrzeugkomponenten einsetzen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Auslösung einer
Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenem Netz,
umfassend die Schritte:
- a) kontinuierliche
oder wiederholte Messung eines Spannungsverlaufs an mindestens einer Messeinheit
des Energiespeichers unter Last;
- b) Vergleich der Messwerte mit einem Referenzwert und
- c) bei Abweichung eines Messwerts von dem Refernezwert ausserhalb
eines Toleranzbereichs, Auslösen
einer Trennung des Energiespeichers vom Netz.
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Dabei
gelten die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemachten Ausführungen
in gleichem Maße
auch für
das erfindungsgemäße Verfahren.
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Insbesondere
können
Spannungsverläufe für mehr als
eine Messeinheit parallel und/oder sequentiell gemessen werden.
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Die
Erfindung bezieht sichh auch auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Überstromschutz
eines Netzes umfassend einen Energiespeicher bei Vorliegen eines
doppelten Isolationsfehlers und/oder eines Kurzschlusses innerhalb
des Energiespeichers.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Auslösung einer
Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz.
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- 1
- Energiespeicher
- 1a
bis 1n
- in
Reihe geschaltete Zellen des Energiespeichers
- 2a,
2b
- Gruppen
von Zellen
- 3a
bis 3o
- Anschlüße
- 4
- Steuergerät
- 5
- Auswertalgorithmus
- 6a,
6b
- Schütze
- 7a,
7b
- Verbindung,
die ein Öffnen
der Schütze
erlaubt
- 8a,
8b, 8c
- Messeinheiten
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung:
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In 1 ist
eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Auslösung
einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz
dargestellt.
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Der
Energiespeicher 1 weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten
Zellen 1a bis in auf, die jeweils eine Teilspannung der
Gesamtausgangsspannung des Energiespeichers liefern. Die einzelenen Zellen 1a bis 1n sind
mindestens teilweise über
die zugehörigen
Anschlüsse 3a bis 3o separat
ansprechbar. Mehrere Zellen können
auch in Gruppen 2a, 2b zusammengefasst und gemeinsam
als Gruppe über entsprechend
ausgewählte
Anschlüsse 3a bis 3n ansprechbar
sein. Eine Messeinheit kann eine Zelle des Energiespeichers (z.
B. 8a), eine Gruppe von Zellen (z. B. 8b, 8c)
oder den gesamten Energiespeicher umfassen. Über eine entsprechende Auswahl
der Anschlüsse 3a bis 3o werden
Spannungsdaten der ausgewählten
Messeinheiten 8a bis 8c unter Last abgegriffen
und einem Steuergerät 4 zugeführt. Die
Anschlüsse 3a bis 3n sind
dazu mit einem Steuergerät 4 verbunden.
Das Steuergerät 4 dient
zur Aufnahme der gemessenen Spannungsmessdaten der Messeinheiten 8a bis 8c,
zur Auswertung und zum Abgleich der Messdaten mit einem Referenzwert
und zur Steuerung der Auslösung
eines Signals, welches die Trennung des Energiespeichers vom Netz
enleitet. Dazu umfasst das Steuergerät 4 einen Auswertealgorithmus 5,
der die gemessenen Spannungswerte der Messeinheiten 8a bis 8c mit
einem bestimmten Referenzert vergleicht und bestimmt, ob eine Abweichung
vorliegt, die ausserhalb eines Toleranzbereichs um diesen Referenzwert
liegt. Ist dies der Fall, so löst
das Steuergerät 4 ein
Signal aus, welches die Trennung des Energiespeichers vom Netz einleitet. Das
Signal wird vom Steuergerät 4 über Verbindungen 7a, 7b an
die Schalter 6a, 6b weitergeleitet. Die Schalter
können
beispielsweise Schütze
sein. Das Signal bewirkt, dass die Schalter 6a, 6b von
einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet
werden und damit den Energiespeicher vom angeschlossenen Netz trennen.