DE102011004516A1

DE102011004516A1 - Schaltung und Verfahren zur Diagnose von Schaltkontakten in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug

Info

Publication number: DE102011004516A1
Application number: DE201110004516
Authority: DE
Inventors: Dirk Hasenkopf
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Es wird eine elektrische Schaltung zur Diagnose von Schaltkontakten beschrieben, bei der einer oder mehrere elektrische Schalter (10, 11, 12) jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig mit unterschiedlichen Anschlüssen einer Batteriesteuerungseinheit (31) verbunden sind und bei der einer oder mehrere der Anschlüsse der Batteriesteuerungseinheit (31) jeweils mit einem Messabgriff zur Erzeugung einer Messspannung (U_M1, U_M2, U_M3) bezüglich eines Referenzpotentials gekoppelt sind. Die Schaltung hat ferner erste Mittel zum Einstellen der Messspannung (U_M3) auf einen vorbestimmten Spannungswert und/oder zweite Mittel zum Erzeugen und Messen eines Spannungsabfalls über ein mit einem der Schalter (10, 11, 12) in Reihe geschalteten elektrischen Widerstandselement
Ferner wird ein dazugehöriges Diagnoseverfahren beschrieben.

Description

Die vorlegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Diagnose von Schaltkontakten in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schaltkontakt-Diagnoseschaltung, die Messabgriffe einer Batteriesteuerungseinheit (Engl.: „battery control unit) bzw. eines Batteriewächters verwendet. Die Erfindung betrifft auch ein dazugehöriges Verfahren zur Diagnose von Schaltkontakten in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug.
Stand der Technik
Batteriesysteme in Elektro- und Hybridfahrzeugen arbeiten heute wegen der zu speichernden Energiemengen nahezu ausschließlich mit Systemspannungen von über 60 Volt. Typisch sind Werte im Bereich von ca. 200 V bis ca. 450 V. Bei solchen Spannungen müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag getroffen werden. Außerdem müssen Maßnahmen zur sicheren Unterbrechung des Stromflusses getroffen werden, um eine Schnell- oder Notabschaltung vornehmen zu können und so das System vor dem Betrieb in unerlaubten Zuständen zu schützen.
Aus diesen Gründen werden in die Hauptstromkreise solcher Systeme Schütze (Engl.: „contactor”) oder sogenannte Leistungs-Relais (Engl.: „power relays”), oder auch EV power relays (EV wie „electric vehicle”) eingebaut, welche die Stromkreise mit gefährlichen Spannungen allpolig auftrennen können.
An diese Schütze werden im Betrieb erhebliche Anforderungen gestellt Aus betrieblichen und sicherheitstechnischen Gründen müssen sie in der Lage sein, das System bei fließendem Betriebsstrom in der Größenordnung von 100 A oder mehr, oder im Fehlerfall sogar bei Stromen im Bereich des Kurzschlussstromes – Größenordnung 1000 A – abzuschalten, und anschließend die anstehenden Spannungen sicher zu isolieren.
Bei Abschaltvorgängen unter diesen Bedingungen treten Lichtbögen zwischen den Schaltkontakten auf. Die Schütze müssen in der Lage sein, diese Lichtbögen moglichst schnell zu löschen und dürfen dabei nur einen kleinen Verschleiß zeigen. Da es sich im Batteriekreis hier um Gleichstrome handelt, wird die Lichtbogenbrenndauer allein durch die Löschfahigkeit des Schützes samt seiner Beschaltung limitiert. Denn es existiert im Stromverlauf kein natürlicher Nulldurchgang, wie bei Wechselstrom, in welchem der Lichtbogen von selbst erlöschen würde.
Unter diesen Beanspruchungen kann es im Fehlerfall dazu kommen, dass die Schaltkontakte eines Schützes durch den Lichtbogen verschweißen und nicht mehr trennen.
Eine mögliche Folge dieses Fehlers ist, dass der fließende Strom eventuell nicht mehr abgeschaltet werden kann. Dabei fällt ein verschweißter Kontakt häufig zunächst gar nicht auf, da fast immer allpolig, beispielsweise sowohl die positiveals auch die negative Zuleitung, abgeschaltet wird. Ferner hat bei einem bereits abgeschalteten System ein verschweißter Kontakt die Folge, dass der zugehörige Schaltungsteil nicht mehr potentialfrei geschaltet werden kann. Beispielsweise kann dann bei einem Batteriesystem einer der Batteriepole nicht mehr vom Rest der Zwischenkreisverschaltung getrennt werden. Ein solcher Zustand wird durch das allpolige Abschalten bei Vorliegen eines Fehlers aber nicht verhindert, wodurch die Gefahr der Berührung spannungsführender Teile erhoht wird. Besonders im Servicefall ist dies besonders gefährlich. Weiterhin führt ein verschweißter Kontakt dazu, dass bei Wiedereinschaltung des Systems bereits Strom fließen kann, bevor alle Schütze ein Einschaltkommando erhalten haben.
Aus diesen Gründen beinhalten Sicherheitskonzepte nach dem Stand der Technik heute üblicherweise die Forderung, den Zustand dieser Schütze zu diagnostizieren und das System nur dann freizugeben, wenn sich alle Schütze als fehlerfrei erwiesen haben.
In 1 wird eine typische Schaltung eines Batteriepacks mit allpolig angeordneten Schützen gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Schaltung weist ein Schütz 10 in einem positiven Leitungszweig 14, ein Schütz 12 in einem negativen Leitungszweig 15, und ein Vorladeschütz 13 auf. Die Leitungszweige 14, 15 verbinden die Klemmen eines Batteriepacks 16 mit den Anschlüssen eines Zwischenkreiskondensators 18. Das Vorladeschütz 13 ist in einem zum positiven Leitungszweig 14 parallelen Vorladezweig 19 mit einem Vorladewiderstand 17 geschaltet zur langsamen Aufladung des Zwischenkreiskondensators 18 beim Inbetriebsetzen.
Gemäß Sicherheitskonzept müssen alle drei Schütze 10, 11, 12 auf Kontaktverschweißung hin überwacht werden.
Ähnliche Sicherheitsanforderungen wie für die oben beschriebenen Fahrzeug-Batteriesysteme können auch im Bereich der Anlagensteuerung auftreten, wo Transformatoren, Elektromotoren und -generatoren oder andere Maschinen mittels Schütze, Motoranlasser oder anderer Niederspannungsschaltgeräte betrieben werden
In diesem Zusammenhang wurden von der Norm IEC/EN 60947 (Teil 4-1, Anhang F) für Schütze spezielle Hilfskontakte definiert, nämlich sogenannte Spiegelkontakte. Damit werden als Öffner ausgeführte Hilfskontakte beschrieben, bei denen durch konstruktive Maßnahmen sichergestellt ist, dass die Hilfskontakte nicht gleichzeitig mit dem Schließer-Hauptkontakt geschlossen sein können.
In 2 wird schematisch eine Schaltung 20 mit Hauptkontakten 21, 23 und Spiegelkontakten 22, 24 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Hauptkontakte 21, 23 sind Hauptschließer oder Hauptöffner. Die Spiegelkontakte 22, 24 sind als Hilfsöffner ausgebildete Hilfskontakte. Die Schalter 21, 22, 23, 24 werden durch eine Schalteransteuerungseinheit 26 angesteuert. Durch konstruktive Maßnahmen 25 ist sichergestellt, dass die Spiegelkontakte 22, 24 alle offen sind, wenn irgendeiner der Hauptkontakte 21, 23 geschlossen ist. Weiterhin dürfen alle Spiegelkontakte 22, 24 geschlossen sein, wenn alle Hauptschließer offen sind.
Allerdings ist die Verwendung eines Schutzüberwachungsrelais vergleichsweise teuer, weil als Signalgeber wiederum ein elektromechanisches Relais verwendet wird Andererseits ist diese Realisierung darauf angewiesen, als Hauptschütze solche mit den oben beschriebenen Spiegelkontakten zu verwenden. Dadurch wird die Bauteileauswahl eingeschränkt und die Kosten werden erhöht.
Ein anderer Weg wird in DE 102006054877 A1 beschrieben. Hier wird ein Wechselstromsignal erzeugt, welches über die Kontaktstrecke geleitet wird. Eine Auswerteeinheit analysiert die Qualität der Übertragung des Wechselsignals über die Kontaktstrecke und kann dadurch gegebenenfalls Rückschlüsse auf den Zustand der Schaltstrecke ziehen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Schaltung zur Diagnose von Schaltkontakten bereitgestellt, bei der einer oder mehrere elektrische Schalter jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig mit unterschiedlichen Anschlüssen einer Batteriesteuerungseinheit (BCU) verbunden sind. Dabei sind einer oder mehrere der Anschlüsse der Batteriesteuerungseinheit jeweils mit einem Messabgriff zur Erzeugung einer Messspannung bezüglich eines Referenzpotentials gekoppelt. Ferner hat die erfindungsgemäße elektrische Schaltung erste Mittel zum Einstellen der Messspannung auf einen vorbestimmten Spannungswert. Alternativ oder zusätzlich sind in der Schaltung zweite Mittel zum Erzeugen und Messen eines Spannungsabfalls über ein mit einem der Schalter in Reihe geschalteten elektrischen Widerstandselement vorhanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose von Schaltkontakten umfasst grundsätzlich folgende Schritte: Geben von Öffnungs- und Schließungskommandos zum Öffnen bzw. Schließen der Schaltkontakte; Anschließen des die Schaltkontakte aufweisenden Kreises an eine Batteriesteuerungseinheit und Verwenden von Messabgriffen der Batteriesteuerungseinheit zur Diagnose der Schaltkontakte; sowie Beaufschlagen des Kreises mit einem Gleichstromsignal zur Messung des Spannungsabfalls über parallel geschaltete Zweige des Kreises, die jeweils einen der Schalter aufweisen, und/oder Einstellen einer Messspannung an einem der Messabgriffe auf einen vorbestimmten Wert, der von dem Schaltzustand des entsprechenden Schalters abhangig ist.
Vorteile der Erfindung
Somit werden mit der vorliegenden Erfindung eine Schaltung sowie ein Verfahren bereitgestellt, mit dem der Schaltzustand der in einem System enthaltenen Schütze überwacht werden kann. Dabei werden, als ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung und des Verfahrens, der Aufwand an elektrischen bzw. elektromechanischen Komponenten und somit der benötigte Bauraum und die Kosten erheblich reduziert im Vergleich zu den bisherigen, im Stand der Technik vorkommenden Lösungen. Insbesondere entfällt vorteilhaft die Notwendigkeit der Verwendung von elektromechanischen Relais, und es kann auf die eventuell sehr aufwändige Erzeugung eines Wechselstrom-Testsignals, auf seine Ein- und Auskopplung in die Schaltstrecke und auf die Erfassung des Ausgangssignals verzichtet werden.
Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Anwendung in batteriebetriebenen Straßenfahrzeugen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Jedenfalls wird in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug immer eine BCU in einem Fahrzeugbatteriesystem enthalten sein, um Mess- und Überwachungsaufgaben durchzuführen und um aus den Messwerten Kenngrößen zu berechnen, die den Ladezustand (SOC) (Engl.: „state of charge” oder den Alterungszustand (SOH) (Engl.: „state of health”) der Batterie angeben. Eine BCU wird zur Erfüllung der Aufgaben der Antriebsbatterie ohnehin benötigt, das heißt, es entsteht hier vorteilhaft zunächst kein Mehraufwand für die Schützdiagnose. Bei der Batterie handelt es sich vorzugsweise um eine Li-Ionen-Batterie.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung weisen die ersten Mittel einen Hilfsstromkreis mit einer Hilfsspannungsquelle und Beschaltungswiderständen auf. Dabei ist mindestens einer der Beschaltungswiderstände durch einen der Messabgriffe gebildet und der Hilfsstromkreis mit einem ersten der elektrischen Schalter gekoppelt derart, dass der vorbestimmte Spannungswert eine definierte Abhängigkeit von dem Schaltzustand des ersten elektrischen Schalters aufweist.
Bei dieser Ausführungsform können vorteilhafterweise die Werte der Beschaltungswiderstände auf einfache Weise derart dimensioniert werden, dass sich einerseits eine ausreichend große Diagnosespannung einstellt, wobei gleichzeitig jedoch der Belastungsstrom durch die Hilfsspannungsquelle möglichst klein eingestellt werden kann. Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass durch Verwendung des ohnehin in der BCU vorhandenen Messabgriffs als ein Beschaltungswiderstand des Hilfsstromkreises Kosten eingespart werden können.
Auch ist es gemäß einer anderen Ausführungsform möglich, dass die zweiten Mittel eine schaltbare Hilfsstromquelle aufweisen, die mit einem zweiten der elektrischen Schalter sowie dem elektrischen Widerstandselement in Reihe geschaltet sind, sowie Mittel zur Spannungsmessung über das elektrische Widerstandselement.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass besonders zuverlässig unterschieden werden kann, welcher Schalter von parallel geschalteten Schaltern klebt, beispielsweise indem der Einbauort der Hilfsstromquelle geeignet gewählt wird. Ferner kann in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft eine Hilfsstromquelle geeigneter Charakteristik und geeigneter, vorzugsweise geringer, Spannungsreserve gewählt werden, um den Zustand der parallelen Schütze zu bewerten.
In einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die Mittel zur Spannungsmessung derart eingerichtet, dass die über das elektrische Widerstandselement abfallende Spannung in eine Spannung bezüglich des Referenzpotentials umgewandelt wird. Insbesondere können die Mittel zur Spannungsmessung eine Schaltung mit zueinander stromspiegelähnlich verschalteten Transistoren aufweisen.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Schaltzustandsdiagnose bei Schaltkontakten auch auf einem hohen elektrischen Potential vorgenommen werden kann. Beispielsweise kann die Diagnose an einem Schalter, der an eine hohe elektrische Batteriespannung angeschlossen ist, vorgenommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Schaltung besonders vorteilhaft sowohl die ersten Mittel als auch die zweiten Mittel auf.
Nach einer anderen Ausführungsform kann die erfindungsgemäße elektrische Schaltung in einem Batteriehochvoltkreis implementiert sein. Dabei weisen die Schalter ein oder mehrere Batteriehauptschütze und ein Ladeschütz auf, und das elektrische Widerstandelement ist aus einem Ladewiderstand des Batteriehochvoltkreises gebildet. Ferner können die Batterieklemmen und Zwischenkreisklemmen des Batteriehochvoltkreises an den Hochvoltteil (HV-Teil) der Batteriesteuerungseinheit angeschlossen sein.
Bei dieser Ausführungsform wird vorteilhaft die Tatsache ausgenutzt, dass – unabhängig von der Schützdiagnose – an nahezu alle Batteriesteuerungseinheiten die Anforderung gestellt wird, sowohl die Batteriegesamtspannung als auch die Zwischenkreisspannung zu erfassen. Daher entsteht auch hierbei kein durch die Schützdiagnose bedingter Mehraufwand.
Ferner ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Referenzpotential die Bezugsmasse des Hochvoltteils der Batteriesteuerungseinheit, welche galvanisch mit dem negativen oder positiven Batteriepack-Anschluss des HV-Teils verbunden ist.
Dadurch wird vorteilhaft eine besonders einfache und sichere Realisierung der Erfindung bereitgestellt, wobei unter anderem ausgenutzt wird, dass der HV-Teil der BCU – schon aus Schutzgründen – galvanisch isoliert vom Niederspannungsteil aufgebaut ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine typische Schaltung eines Batteriepacks mit allpolig angeordneten Schützen gemäß dem Stand der Technik,
2 schematisch eine Schaltung mit Hauptkontakten und Spiegelkontakten gemäß dem Stand der Technik,
3 ein Batteriehochvoltkreis und eine Batteriesteuerungseinheit (BCU) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
4 Details der Schaltungsanordnung der in 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung,
5 eine Schaltung und Schaltungsergänzung zur Diagnose eines Schützes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Testschaltung zur Diagnose von parallel geschalteten Schützen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
7 eine Testschaltung zur Diagnose von parallel geschalteten Schützen gemäß einer Ausgestaltung der in 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, und
8 eine Messschaltung zur Realisierung der in 7 gezeigten Testschaltung.
Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Wie in 3 gezeigt, ist ein Batteriehochvoltkreis 30 mit einer BCU 31 verbunden. Die BCU 31 hat einen niederspannungsseitigen Teil (LV-Teil) 34, einen hochspannungsseitigen Teil (HV-Teil) 32, eine galvanisch getrennte digitale Schnittstelle 36 zwischen LV-Teil 34 und HV-Teil 32, welche beispielsweise in Form eines digitalen Busses wie SPI, I2C, CAN oder ähnlichem ausgeführt wird, einen Stecker 35 (LV-Stecker) zur Verbindung mit Signalen der Niederspannungsseite, und einen Stecker 33 (HV-Stecker) zur Verbindung mit Signalen der Hochspannungsseite. Durch die galvanisch getrennte digitale Schnittstelle 36 sind der HV-Teil 32 und der LV-Teil 34 galvanisch voneinander isoliert.
Die zu überwachende Hochvoltkreis-Schaltung 30 wird über den HV-Stecker 33 und den HV-Teil 32 angeschlossen. Dabei können aus Messungen mit der in 3 gezeigten Anordnung in einem ersten Diagnoseschritt der Erfindung bereits einige Informationen über den Zustand der Schütze ermittelt werden, wie weiter unten näher erläutert wird.
Durch eine Ergänzung der Schaltung kann dann in einem zweiten Diagnoseschritt der Erfindung auch die noch fehlende Information über die Schütze ermittelt werden.
In 4 wird eine detaillierte Ansicht eines Teils der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt.
Bereits zum Zwecke der Spannungserfassung von Batteriespannung U_Bat und Zwischenkreisspannung U_ZK werden gemäß 4 innerhalb eines HV-Teils 32 Messabgriffe an den Stellen positiver Batteriepack-Anschluss 40, negativer Batteriepack-Anschluss 41, positiver Zwischenkreis-Anschluss 42, und negativer Zwischenkreis-Anschluss 43 vorgesehen. Mit dem Bezugszeichen 44 wird angedeutet, welche Komponenten sich innerhalb des HV-Teils befinden. Die Messabgriffe bestehen aus hochohmigen Spannungsteilern 47, 48, 49, welche Messspannungen U_M1, U_M2, U_M3 bilden.
Als Bezugspunkt bzw. Referenzpotential dieser Spannungsmessungen wird der Punkt negativer Batteriepack-Anschluss” 41 gewählt. Technisch geschieht dies in einfacher Weise dadurch, dass die Bezugsmasse des HV-Teils 32 galvanisch mit dem Anschluss 41 verbunden wird. Das ist möglich, da der HV-Teil 32 – schon aus Schutzgründen – galvanisch isoliert vom LV-Teil 34 aufgebaut ist.
Stationär stellt sich am Messabgriff 44 die Spannung U_M1 = k·U_BAT ein, mit dem Messübertragungsfaktor k.

Dadurch kann ein erfindungsgemäßer Diagnoseschritt 1 abgeleitet werden. Siehe hierzu Tabelle 1 Tabelle 1: Diagnoseschritt 1

Nr.	Kommando Schütz 10	Kommando Schütz 12	Messung	Diagnoseergebnis
1	offnen	öffnen	U_M2 = 0 V	gut
2	öffnen	öffnen	U_M2 = U_BAT	Schütz 10 oder 12 klebt
3	öffnen	schließen	U_M2 = 0 V	Schütz 12 blockiert
4	öffnen	schließen	U_M2 = U_BAT	gut
5	schließen	öffnen	U_M2 = 0 V	Schütz 10 blockiert
6	schließen	öffnen	U_M2 = U_BAT	gut
7	schließen	schließen	U_M2 = 0 V	Schütz 10 und 12 blockieren
8	schließen	schließen	U_M2 = U_BAT	gut

Erläuterung:
Voraussetzung zur Anwendung von Tabelle 1 ist, dass das Schütz 11 am negativen Batteriepol während des Diagnoseschritts 1 GEÖFFNET ist. Dies kann mit Hilfe der weiter unten im Text erläuterten Zusatzschaltung festgestellt werden.
Weiterhin sollte der Zwischenkreis entladen sein – dies ist üblicherweise bei Systemstart der Fall.
Zu den einzelnen Positionen 1 bis 8:
Position 1: Weder 10 noch 12 schließen => keine Verbindung von Batterie-Plus mit und Abgriff für U_M2 => U_M2 = 0 V: Gut
Position 2: Falls doch Spannung anliegt => Schützkleber bei 10 oder 11
Position 3: Wenn 12 – wie laut Kommando gewünscht – schließt, wird Abgriff U_M2 niederohmig über den Ladewiderstand (10 bis 40 Ohm) mit der Batterie verbunden, und U_M2 sollte bei nahezu 100% U_BAT liegen. Hierbei wird die zusätzliche Spannungsteilerwirkung des Ladewiderstandes (10 bis 40 Ohm) zum hochomigen Messwiderstand (> 500 000 Ohm) vernachlässigt.
Wenn in diesem Falle aber die Spannung bei 0 V bleibt, dann heißt das, dass Schütz 12 nicht schließt, obwohl gewünscht. Anders gesagt, Schutz 12 blockiert (bleibt offen, obwohl er schließen soll).
Position 4: Gleiches Kommando wie bei Position 3. Wenn nun U_M2 = U_BAT, dann bedeutet dies, Schütz 12 hat geschlossen, wie gewünscht. Deswegen der Ergebniseintrag „gut”.
Position 5: Nun ähnlicher Fall wie unter Position 3, mit dem Unterschied, dass nun Schütz 10 den Schließbefehl bekommt Falls die Spannung U_M2 nun bei 0 V bleibt, scheint Schütz 10 nicht geschlossen zu haben => „Fehler, Schütz 10 blockiert”.
Position 6: Wenn bei Kommando „Schütz 10 schließen” die Spannung U_M2 auf U_BAT. steigt, dann hat Schütz 10 – wie gewünscht – geschlossen => „Gut”.
Position 7: Nun Schließkommando an beide Schütze 10 und 11. Gleiche Argumentation wie in den Positionen 3 bis 6, allerdings nun mit beiden Schützen gleichzeitig: U_M'' = 0 V ? => „Schütze 10 und 11 blockieren”
Position 8: Wie Position 7, aber U_M2 = U_BAT: „Gut”.
Der Diagnoseschritt 1 enthält Messungen, die bereits erste Aussagen über den Zustand der zueinander parallel geschalteten Schütze 10 und 12 liefert. Jedoch kann im Falle des Klebens eines dieser Schütze 10, 12 aus den Messungen des ersten Diagnoseschritts zunächst keine Aussage darüber gewonnen, welcher der beiden Schütze 10, 12 klebt.
Auch lässt sich mit der Schaltung nach 4 nichts über das Schütz 11 im negativen Zweig aussagen. Denn wenn das negative Schütz 11 geschlossen ist, so nimmt U_M3 sofort den Wert Null an, weil es direkt mit dem Referenzpotential HV_GND verbunden ist. Wenn das negative Schütz 11 aber geöffnet ist, so nimmt U_M3 stationär ebenfalls den Wert Null an, weil es nun hochohmig mit dem Referenzpotential verbunden ist. Eventuell vorhandene Ladungen in den Kapazitäten werden sich über die Zeit über diese – wenn auch hochohmige – Verbindung abbauen
Deshalb wird die bisherige Messschaltung durch Hinzufügen einer Hilfsspannungsquelle U₁ mit Beschaltungswiderstanden 49, 51 ergänzt, wie in 5 gezeigt wird. Gemäß der Ausführungsform nach 5 verschiebt sich die Messspannung U_M3 im geöffneten Zustand auf einen Spannungswert U_x, der mittels der Hilfsspannung U₁ und Beschaltungswiderstanden 49, 51 eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise dimensioniert man dabei die Parameter U₁, R₄₉, und R₅₁ so, dass sich einerseits eine ausreichend große Diagnosespannung einstellt, andererseits aber der Belastungsstrom durch die Quelle U₁ möglichst klein bleibt.
Ist das Schütz 11 dagegen geschlossen, so bleibt die Zusatzbeschaltung wirkungslos und die Messspannung beträgt 0 V.
Damit lautet der Diagnoseschritt 2 – siehe Tabelle 2: Tabelle 2: Diagnoseschritt 2

Kommando Schütz 11 Messung U_M3 Diagnoseergebnis

öffnen U gut

öffnen 0 V Schütz 11 klebt

schließen 0 V gut

schließen U_x Schütz 11 klebt
Diagnose des Ladeschützes
Wie oben bereits erwähnt, ist die Diagnose desjenigen Hauptschützes, welches parallel zum Ladeschütz liegt, im Falle des Klebens erschwert bzw. nicht eindeutig. Beispielsweise in Tabelle 1, Zeile 2, ist es das positive Schütz 10, es könnte aber ebenso das negative Schütz 11 sein. Um zu unterscheiden, ob das Ladeschütz oder das parallel liegende Hauptschütz klebt, sind daher weitere Maßnahmen erforderlich.
Hierzu wird in dieser Erfindung vorgeschlagen, wie in den 6 und 7 gezeigt, einen schaltbaren Messstrom I_Test geeigneter Polarität in die Schaltung einzuspeisen. Anschließend wird der dadurch hervorgerufene Spannungsabfall U_Test zwischen den Knoten der potentiell klebenden Schütze bzw. auch über dem Ladewiderstand 17 ermittelt.
Der Aufwand zur Realisierung der Spannungsmessung am Widerstand 17 hängt vom Einbauort ab. Ist er, wie in 6 gezeigt wird, parallel zum negativen Hauptschütz 11 angeordnet, kann die Messspannung sofort und meist ohne Vorverarbeitung mit Bezug zur HV-Masse (HV_GND = Bezugsmasse der HV-seitigen Elektronik) abgegriffen, gemessen und verarbeitet werden.
Ist der Ladewiderstand 17 aber, wie in 7 gezeigt wird, parallel zum positiven Hauptschütz 10 angeordnet, dann muss die über den Ladewiderstand 17 abfallende Differenzspannung zuerst in eine Spannung mit Bezug zur HV-Masse umgewandelt werde. Eine Schaltung 71, die diese Umwandlung vornimmt, muss mit hohen Gleichtaktspannungen in Größe der gesamten Batteriespannung U_Bat umgehen können. Eine Moglichkeit, die hier vorgeschlagen wird, ist in 8 skizziert:
In 8 wird eine Messschaltung 80 zur praktischen Realisierung der in 7 gezeigten Testschaltung 71 gezeigt. Gemäß 8 werden jeweils 2 PNP- und 2 NPN-Transistoren stromspiegelähnlich verschaltet beschaltet, und noch um die Widerstände 81, 83, und 84 ergänzt. Als Stromerfassung dient der Shunt 89. Bei Anwendung zur Messung in der Schutzschaltung tritt der Ladewiderstand 17 an die Stelle des Shunts 89.
Die Analyse der Schaltung ergibt, dass sich bei der Wahl der Widerstandswerte R₈₃ = R₈₄ an Widerstand 84 eine Ausgangsspannung von U_out = I_Test (R₈₉ × R₈₄)/R₈₁ einstellt.
Wichtig ist, Transistoren mit ausreichender Spannungsfestigkeit zu verwenden, da gelten muss: |U_CE,PNP,max| + |U_CE,NPN,max| > U_BAT.
Zur Erhöhung der Genauigkeit sollten die vier Transistoren im besten Fall auf einem gemeinsamen Chip sitzen, so dass man sie am besten in Form einer integrierten Schaltung erwirbt. Leider ist es aber auch heute noch schwer, integrierte Transistorschaltungen mit den hier geforderten Spannungsfestigkeiten (U_Bat in der Größenordnung von 400 V) zu bekommen – im Gegensatz zu diskreten Halbleiterbauteilen, welche auch für diese Sperrspannungen in großer Zahl verfügbar sind. Da die vorgeschlagene Schaltung aber mit nur vier Transistoren nicht allzu komplex ist, ist eine Realisierung mit diskreten, ausreichend spannungsfesten Bauteilen in der erforderlichen Genauigkeit und mit wirtschaftlich noch angemessenem Aufwand gut möglich.

Anhand des Betrages von U_Test, kann geschlossen werden, welches Schütz klebt – siehe Tabelle 3:

Kommando	Messung	Diagnoseergebnis
Haupt- und Ladeschütze 10, 12 öffnen	U_Test = 0 V	Hauptschütz parallel zu dem Schütz 12 klebt in jedem Fall, eventuell klebt auch Schütz 12 selbst
Haupt- und Ladeschütze 10, 12 öffnen	U_Test = R₁₇ × I_Test	nur Schütz 12 klebt
Haupt- und Ladeschütze 10, 12 öffnen	Teststrom fließt nicht, da maximale Spannungsreserve der Stromquelle überschritten ist	OK, Haupt- und Ladeschütz offen

Klebt das Ladeschütz 12, so fließt der Teststrom I_Test über den Ladewiderstand 17, wo er einen entsprechend messbaren Spannungsabfall erzeugt. Klebt das parallele Hauptschütz 10, dann wird der Teststrom über dessen Hauptkontakt fließen, wo er nahezu keinen messbaren Spannungsabfall erzeugt.
Ist alles in Ordnung, das heißt, kein Schutz klebt, dann kann der Teststrom nicht fließen, weil die Teststromquelle dazu eine zu niedrige Spannungsreserve besitzt (z. B. 12 V).
Hier nicht dargestellt sind Konfigurationen, wenn der Ladewiderstand 17 und das Ladeschütz 12 im Ladezweig 19 in umgekehrter Reihenfolge verschaltet werden, weil dies am Aufbau der Schaltungen nichts Prinzipielles andert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere anwendbar in Batteriesystemen mit vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054877 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEC/EN 60947 (Teil 4-1, Anhang F) [0012]

Claims

Elektrische Schaltung zur Diagnose von Schaltkontakten, insbesondere in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug, bei der einer oder mehrere elektrische Schalter (10, 11, 12) jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig mit unterschiedlichen Anschlüssen einer Batteriesteuerungseinheit (31) verbunden sind und bei der einer oder mehrere der Anschlüsse der Batteriesteuerungseinheit (31) jeweils mit einem Messabgriff zur Erzeugung einer Messspannung (U_M1, U_M1, U_M3) bezüglich eines Referenzpotentials gekoppelt sind, gekennzeichnet durch erste Mittel zum Einstellen der Messspannung (U_M3) auf einen vorbestimmten Spannungswert und/oder zweite Mittel zum Erzeugen und Messen eines Spannungsabfalls (U_Test) über ein mit einem der Schalter (10 11, 12) in Reihe geschalteten elektrischen Widerstandselement (17).
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Mittel einen Hilfsstromkreis mit einer Hilfsspannungsquelle (U₁) und Beschaltungswiderständen (49, 51) aufweisen, wobei mindestens einer der Beschaltungswiderstände (49) durch einen der Messabgriffe gebildet wird und der Hilfsstromkreis mit einem ersten der elektrischen Schalter (11) gekoppelt ist derart, dass der vorbestimmte Spannungswert eine definierte Abhängigkeit von dem Schaltzustand des ersten elektrischen Schalters (11) aufweist.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweiten Mittel eine schaltbare (61) Hilfsstromquelle (I_Test), die mit einem zweiten der elektrischen Schalter (12) sowie dem elektrischen Widerstandselement (17) in Reihe geschaltet ist, sowie Mittel zur Spannungsmessung (71, 80) über das elektrische Widerstandselement (17) aufweisen.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 3, wobei die Mittel zur Spannungsmessung (71, 80) derart eingerichtet sind, dass die über das elektrische Widerstandselement (17) abfallende Spannung in eine Spannung bezüglich des Referenzpotentials umgewandelt wird
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 4, wobei die Mittel zur Spannungsmessung eine Schaltung (80) mit zueinander stromspiegelähnlich verschalteten Transistoren aufweisen.
Elektrische Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, implementiert mit einem Batteriehochvoltkreis (30), wobei die Schalter (10, 11, 12) ein oder mehrere Batteriehauptschütze (10, 11) und ein Ladeschütz (12) aufweisen, wobei das elektrische Widerstandelement aus einem Ladewiderstand (17) des Batteriehochvoltkreises (30) gebildet ist und wobei die Batterieklemmen und Zwischenkreisklemmen des Batteriehochvoltkreises (30) an den Hochvolt-Teil (32) der Batteriesteuerungseinheit (31) angeschlossen sein können.
Elektrische Schaltung gemäß Anspruch 6, wobei das Referenzpotential die Bezugsmasse (HV_GND) des Hochvolt-Teils der Batteriesteuerungseinheit (31) ist, und die Bezugsmasse (HV_GND) galvanisch mit dem negativen oder positiven Batterieanschluss des Hochvolt-Teils verbunden ist.
Verfahren zur Diagnose von Schaltkontakten (10, 11, 12), insbesondere in einem batteriebetriebenen Straßenfahrzeug, mit den Schritten: • Geben von Öffnungs- und Schließungskommandos zum Öffnen bzw. Schließen der Schaltkontakte, gekennzeichnet durch die Schritte: • Anschließen des die Schaltkontakte (10, 11, 12) aufweisenden Kreises an eine Batteriesteuerungseinheit (31) und Verwenden von Messabgriffen der Batteriesteuerungseinheit (31) zur Diagnose der Schaltkontakte (10, 11 12), sowie • Beaufschlagen des Kreises mit einem Gleichstromsignal (I_Test) zur Messung des Spannungsabfalls über parallel geschaltete Zweige (14, 19) des Kreises, die jeweils einen der Schalter (11, 12) aufweisen, und/oder Einstellen einer Messspannung (U_M3) an einem der Messabgriffe auf einen vorbestimmten Wert, der von dem Schaltzustand des entsprechenden Schalters (11) abhängig ist.
Batteriesystem mit vorzugsweise Lithium-Ionen-Batterien, welches mit einer elektrischen Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden ist.