DE102011108408A1

DE102011108408A1 - Verfahren und Testsystem zum Test einer Schützanordnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011108408A1
Application number: DE102011108408A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-07-23
Filing date: 2011-07-23
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013013763A1

Abstract

Mit Hilfe einer Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4), welcher ein Schütz (1; 2; 3) umfasst, ist eine Hochvoltspannung eines Hochvoltnetzes (25, 26) eines Fahrzeugs (10) schaltbar. Ein Verfahren zum Test der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) umfasst folgende Schritte: Anlegen einer Testspannung (Up; Un) an die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4), wobei ein Maximum der Testspannung (Up; Un) kleiner als die Hochvoltspannung ist. Erstellen eines Ergebnisses des Tests abhängig von einer Höhe eines Stroms (Ip, In), welcher durch die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) fließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Testsystem, um Schütze, insbesondere bezüglich eines Verschweißens der Schütze, zu testen.
Die DE 10 2005 031 145 A1 beschreibt eine Vorrichtung, bei welcher durch einen Spannungsvergleich einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung eines Schützes überprüft wird, ob das Schütz zugeschmolzen ist.
Die US 2006/0071618 A1 erfasst ein Festschmelzen von Schützen über Spannungsverläufe. Dabei wird auch ein Verschweiß-Test eines Schutzes offenbart, bei welchem eine Wechselspannung angelegt wird.
Die US 2007/0139005 A1 offenbart ein Verfahren, bei welchem ein Festschmelzen eines Relais mittels Messen von Spannungen erfasst wird.
Auch die JP 2000134707A erfasst über einen Spannungsverlauf ein Festschweißen eines Relais.
Bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen wird eine Hochvoltbatterie mit mindestens einem Schütz geschaltet. Wenn ein solches Schütz verschweißt ist und demnach nicht mehr in den geöffneten Betriebszustand geschaltet werden kann, kann dies zu einem Kurzschluss führen, was im schlimmsten Fall einen Fahrzeugbrand, nach sich ziehen kann.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, das Verschweißen eines Schützes in einem System derart zu erkennen, dass eine negative Beeinflussung von in dem System vorhandenen Impedanzen (beispielsweise Symmetrier-Widerstände, Y-Kapazitäten und Isolationswiderstände) im Wesentlichen unterbleibt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Test einer Schützanordnung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, durch ein Testsystem zum Test einer Schützanordnung für ein Fahrzeug nach Anspruch 5 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Test einer Schützanordnung für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Schützanordnung (mindestens) ein Schutz. Mittels der Schützanordnung ist eine Hochvoltspannung (100 V bis 800 V) eines Hochvoltnetzes des Fahrzeugs schaltbar. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

• Anlegen einer Testspannung an die Schützanordnung, wobei eine Höhe der Testspannung einem Bruchteil (z. B. weniger als 20%) einer Höhe der Hochvoltspannung entspricht.
• Erstellen eines Ergebnisses des Tests abhängig von einer Höhe eines Stroms, welcher aufgrund der angelegten Testspannung durch die Schützanordnung fließt.

Der durch die Schützanordnung fließende Strom kann dabei direkt oder indirekt (beispielsweise durch Erfassen einer Spannung) erfasst werden.
Indem zur Durchführung des Tests eine Testspannung angelegt wird, deren Höhe nur einem Bruchteil der Höhe der Hochvoltspannung entspricht, können vorteilhafterweise zur Erstellung des Ergebnisses im Vergleich zu den sonst in dem System, in welchem die Schützanordnung eingesetzt wird, eingesetzten Impedanzen Impedanzen mit einer geringeren Größe eingesetzt werden, so dass die sonst in dem System vorhandenen Impedanzen das Ergebnis des Tests nicht (negativ) beeinflussen Darüber hinaus sei erwähnt, dass das zu testende Schutz beim Test vorteilhafterweise nicht geschlossen werden muss.
Bei der Testspannung handelt es sich insbesondere um eine Gleichspannung.
Es ist allerdings auch denkbar, dass anstelle einer Gleichspannung eine Wechselspannung eingesetzt werden kann. Diese Wechselspannung kann einen sinusförmigen, pulsförmigen, sägezahnförmigen, dreieckförmigen oder rechteckförmigen zeitlichen Verlauf haben.
Das Ergebnis des Tests beantwortet insbesondere die Frage, ob das Schütz verschweißt ist oder nicht. Diese Situation (dass das Schütz verschweißt ist) wird beispielsweise dadurch erkannt, dass in einem Betriebszustand der Schützanordnung, in welchem das Schütz offen geschaltet ist (d. h. die von dem Schütz geschaltete elektrische Verbindung sollte offen sein), die Höhe des Stroms, welcher durch die Schützanordnung fließt, über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Wenn als Testspannung eine Wechselspannung eingesetzt wird, wodurch der zu erfassende Strom ein Wechselstrom ist, kann die Höhe des Stroms dem Effektivwert des Stroms oder dem Maximalwert des Stroms entsprechen. Beim Einsatz einer Gleichspannung reicht es aus, den aktuellen Stromwert (direkt oder indirekt) zu messen.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Schützanordnung eine Parallelschaltung, in welcher das Schütz und eine Reihenschaltung parallel angeordnet sind. Dabei wird die Reihenschaltung aus einem weiteren Schütz und einem dazu in Reihe geschalteten Schützwiderstand gebildet. In einem Betriebszustand der Schützanordnung, in welchem sowohl das Schütz als auch das weitere Schlitz offen geschaltet sind, umfasst das Ergebnis des Tests folgende Situationen:

• Nur das Schütz ist verschweißt.
• Nur das weitere Schutz ist verschweißt
• Das Schütz und das weitere Schütz sind verschweißt.
• Weder das Schütz noch das weitere Schutz sind verschweißt (Gutfall).

Diese vier Situationen oder diese vier unterschiedlichen Ergebnisse des Tests lassen sich abhängig von der Höhe des Stroms erfassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Testsystem zum Test einer Schützanordnung, welche (mindestens) ein Schütz umfasst, für ein Fahrzeug bereitgestellt. Mittels dieser Schützanordnung ist eine Hochvoltspannung eines Hochvoltnetzes des Fahrzeugs schaltbar. Das Testsystem umfasst eine Spannungsquelle und eine Auswerteschaltung. Mittels der Spannungsquelle legt das Testsystem eine Testspannung zum Testen der Schützanordnung an die Schützanordnung an. Die Höhe dieser Spannung entspricht einem Bruchteil (z. B. 5 bis 20%) der Höhe der Hochvoltspannung. Die Auswerteschaltung erfasst direkt oder indirekt eine Höhe eines Stroms, welcher durch die Schützanordnung fließt, und erstellt abhängig von der erfassten Höhe des Stroms ein Ergebnis des Tests.
Die Auswerteschaltung umfasst insbesondere eine Impedanz, welche in Reihe mit der Schützanordnung angeordnet ist, und eine Vorrichtung, um einen Spannungsabfall über dieser Impedanz zu erfassen. Abhängig von diesem Spannungsabfall bestimmt die Auswerteschaltung die Höhe des Stroms. Die Testspannung wird dabei über einer Reihenschaltung angelegt, welche sich aus der Schützanordnung und der Impedanz zusammensetzt.
Die Größe der Impedanz ist dabei ein Bruchteil (z. B. 1/1000 bis 1/10 oder noch weniger) der Größe von Symmetrier-Impedanzen, Isolationswiderständen oder Y-Kapazitäten des Hochvoltnetzes. Dadurch wird der Strom durch die Schützanordnung, welcher sich aufteilt in einen Stromanteil durch die Impedanz und einen Stromanteil durch die Symmetrie-Impedanzen, Isolationswiderstände und/oder Y-Kapazitäten, von dem Stromanteil durch die Impedanz dominiert.
Da der Strom durch die Schützanordnung quasi dem Strom durch die Impedanz entspricht, kann das Ergebnis des Tests vorteilhafterweise nicht durch Schwankungen der Größen der Symmetrie-Impedanzen, Isolationswiderstände oder Y-Kapazitäten des Hochvoltnetzes negativ beeinflusst werden.
Als die Spannungsquelle wird vorteilhafterweise eine oder mehrere wenige Energiespeicherzellen eines Hochvoltenergiespeichers eingesetzt, welcher zur Energieversorgung des Hochvoltnetzes verwendet wird.
Indem als die Spannungsquelle eine oder mehrere wenige Energiespeicherzellen des Hochvoltenergiespeichers eingesetzt werden, wird vorteilhafterweise zur Durchführung des Tests keine zusätzliche Spannungsquelle benötigt.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, einen Hochvoltenergiespeicher zur Versorgung des Elektromotors und ein erfindungsgemäßes Testsystem, wie es vorab beschrieben ist, umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen oder für Batteriesysteme, Ladeeinrichtungen und Brennstoffzellensysteme eines Kraftfahrzeugs geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung beispielsweise auch bei Schiffen, Flugzeugen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen eingesetzt werden kann, sofern diese mit einem Elektromotor angetrieben werden. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung prinzipiell auch zum Test eines Schutzes eingesetzt werden, welcher zum Schalten einer Hochvoltspannung außerhalb eines Fortbewegungsmittels eingesetzt wird.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist eine erfindungsgemäß aufgebaute Schaltung zum Test einer Schützanordnung dargestellt.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Testsystem umfasst, schematisch dargestellt.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltung zur Schützdiagnose mit allen im Fahrzeug relevanten Elementen dargestellt. Ein Hochvoltnetz, welches in Form eines positiven Hochvoltanschlusses 25 und eines negativen Hochvoltanschlusses 26 dargestellt ist, wird von einer Hochvoltbatterie 7 versorgt. Die Hochvoltbatterie 7 ist aus mehreren Batteriezellen Zelle_1 bis Zelle_16 aufgebaut, welche in Reihe angeordnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis deutlich mehr als die dargestellten 16 Batteriezellen in Reihe zusammengeschaltet sein können.
Mit Hilfe von zwei Schützen 1, 3 wird die Hochvoltbatterie 7 mit dem Hochvoltnetz 25, 26 gekoppelt, um das Hochvoltnetz mit Spannung zu versorgen. Parallel zu dem Schütz 1 liegt eine Reihenschaltung aus einem Vorladeschütz 2 und einem Vorladewiderstand 4. Durch Schalten des Vorladeschützes 2 wird eine Zwischenkreiskapazität 27, welche die beiden Hochvoltanschlüsse 25, 26 verbindet, aufgeladen. Die Schütze 1–3 werden durch eine entsprechende Ansteuerung 11–13 gesteuert.
Darüber hinaus sind in 1 eine Niedervoltmasse 24 (auch als Fahrzeugmasse bekannt), eine Hochvoltmasse 23, Isolationswiderstände 28 innerhalb der Hochvoltbatterie 7, Isolationswiderstände 27 außerhalb der Hochvoltbatterie 7 und Y-Kondensatoren 31 dargestellt.
Zum Testen des Schützes 1 und/oder des Vorladeschützes 2 existieren ein Schalter 5 und ein Widerstand 17. Wenn der Schalter 5 mittels einer Ansteuerung 15 geschlossen wird, liegt eine Spannung Up über einer Reihenschaltung an, in welcher eine Parallelschaltung 1, 2, 4 und der Widerstand 17 in Reihe angeordnet sind. Bei der Parallelschaltung sind wiederum das Schütz 1 und eine weitere Reihenschaltung 2, 4 parallel angeordnet, wobei in der weiteren Reihenschaltung das Vorladeschütz 2 und der Vorladewiderstand 4 in Reihe angeordnet sind. Der Strom Ip, welcher durch die Parallelschaltung 1, 2, 4 fließt, wird mit einem Spannungsmesser 21 erfasst, der die über dem Widerstand 17 abfallende Spannung misst.
Wird bei geöffneten Schützen 1, 2 (d. h. in einem Betriebszustand, in welchem weder die von dem Schütz 1 noch die von dem Vorladeschütz 2 geschaltete Verbindung geschlossen sein sollte) der Schalter 5 geschlossen, so sollte im Gutfall (keiner der beiden Schütze 1, 2 ist verschweißt) der Strom Ip Null sein, wenn der durch die Isolationswiderstände 28, 29 und Kondensatoren 27, 31 fließende Strom vernachlässigt wird. Wenn allerdings einer der beiden Schütze 1, 2 verschweißt (oder aus irgendwelchen anderen Gründen geschlossen) ist, so ist der Strom Ip größer als Null und mit Hilfe des Spannungsmessers 21 wird ein entsprechender Spannungsabfall über dem Widerstand 17 gemessen. Durch die Höhe des Stromes Ip und damit durch die Höhe der gemessenen Spannung über dem Widerstand 17 kann aufgrund des Vorladewiderstands 4 bestimmt werden, welches der beiden Schütze 1, 2 verschweißt ist. (Wenn nur das Schutz 1 verschweißt ist, ist der Strom Ip größer, als wenn nur das Vorladeschütz 2 verschweißt ist.)
In ähnlicher Weise existieren zum Testen des Schützes 3 ein Schalter 6 und ein Widerstand 18. Wenn der Schalter 6 mit Hilfe der entsprechenden Ansteuerung 16 geschlossen wird, liegt eine Spannung Un über einer Reihenschaltung, in welcher der Widerstand 18 und das Schutz 3 in Reihe angeordnet sind. Wird in einem Betriebszustand, in welchem das Schütz 3 offen sein sollte, der Schalter 6 geschlossen, dann sollte der Spannungsmesser 22, welcher die Spannung über dem Widerstand 18 misst, im Gutfall (das Schutz 3 ist nicht verschweißt) keinen Spannungsabfall messen. Wird dagegen in diesem Betriebszustand ein Spannungsabfall über dem Widerstand 18 gemessen, dann ist das Ergebnis des erfindungsgemäßen Tests, dass das Schütz 3 verschweißt (oder aus irgendwelchen anderen Gründen geschlossen) ist.
Die zum Test eingesetzten Testspannungen Up, Un werden von wenigen (1 bis 4) in Reihe geschalteten Batteriezellen der Hochvoltbatterie 7 geliefert (was 1,5 bis 6 V Gleichspannung entspricht), so dass die Testspannung Up, Un deutlich kleiner als die von Hochvoltbatterie 7 an den Hochvoltanschlüssen 25, 26 bereitgestellte Hochvoltspannung ist.
Im Normalfall (es liegt kein Isolationsfehler vor) weisen die Isolationswiderstände 28 innerhalb der Hochvoltbatterie 7 einen Widerstandswert von mehreren G Ω und die Isolationswiderstände 29 außerhalb der Hochvoltbatterie 7 einen Widerstandswert von mehreren M Ω auf. Dagegen besitzt der Vorladewiderstand 4 beispielsweise einen Widerstandswert von 10 Ω und die Widerstände 17, 18, mit welchen der Strom Ip, In erfasst wird, können beispielsweise einen Widerstandswert von weniger als 100 Ω aufweisen. Damit ist der Spannungsabfall an den Widerständen 17, 18 praktisch unabhängig von den aktuellen Werten der Isolationswiderstände 28, 29, der Zwischenkreiskapazität 27 und der y-Kondensatoren 31.
In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches einen Elektromotor 32 zum Antrieb des Fahrzeugs 10, eine Hochvoltbatterie 7 zur Versorgung des Elektromotors 32 und ein erfindungsgemäßes Testsystem 20 umfasst. Wie vorab beschrieben ist, ist dieses Testsystem 20 zum Selbsttest eines Schützes ausgelegt, ohne dass dieses Schütz betätigt werden muss. Die vorliegende Erfindung erhöht damit die Sicherheit der Anlage (beispielsweise des Hochvoltnetzes), in welcher sie eingesetzt wird, ohne dass dadurch die Schnelligkeit, mit welcher die Hochvoltspannung der Hochvoltbatterie 7 zugeschaltet wird, leidet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005031145 A1 [0002]
US 2006/0071618 A1 [0003]
US 2007/0139005 A1 [0004]
JP 2000134707 A [0005]

Claims

Verfahren zum Test einer Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) für ein Fahrzeug (10), wobei die Schützanordnung ein Schütz (1; 2; 3) umfasst, wobei mit Hilfe der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) eine Hochvoltspannung eines Hochvoltnetzes (25, 26) des Fahrzeugs (10) schaltbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anlegen einer Testspannung (Up; Un) an die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4), wobei ein Maximum der Testspannung (Up; Un) kleiner als die Hochvoltspannung ist, und Erstellen eines Ergebnisses des Tests abhängig von einer Höhe eines Stroms (Ip, In), weicher durch die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Testspannung (Up; Un) eine Gleichspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis ein Erkennen, dass das Schütz (1; 2; 3) verschweißt ist, umfasst, wenn in einem Betriebszustand der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4), in welchem das Schütz (1; 2; 3) offen geschaltet ist, die Höhe des Stroms (Ip, In) über einem vorbestimmten Schwellenwert erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schützanordnung eine Parallelschaltung aus dem Schütz (1) und einer Reihenschaltung aus einem weiteren Schütz (2) und einem Schützwiderstand (4) umfasst, und dass das Ergebnis in einem Betriebzustand der Schützanordnung, in welchem das Schütz (1) und das weitere Schütz (2) offen geschaltet sind, ein Erkennen, dass das Schütz (1) verschweißt ist, oder ein Erkennen, dass das weitere Schütz (2) verschweißt ist, oder ein Erkennen, dass das Schütz (1) und das weitere Schütz (2) verschweißt sind, abhängig von der Höhe des Stroms (Ip) umfasst.
Testsystem zum Test einer Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) für ein Fahrzeug (10), wobei die Schützanordnung ein Schütz (1; 2; 3) umfasst, wobei mit Hilfe der Schutzanordnung (1; 3; 1, 2, 4) eine Hochvoltspannung eines Hochvoltnetzes (25, 26) des Fahrzeugs (10) schaltbar ist, wobei das Testsystem (20) eine Spannungsquelle (Zelle_1–Zelle_3; Zelle_14–Zelle_16) und eine Auswerteschaltung (17, 21; 18, 22) umfasst, wobei das Testsystem (20) ausgestaltet ist, zum Testen der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) mittels der Spannungsquelle (Zelle_1–Zelle_3; Zelle_14–Zelle_16) eine Testspannung (Up; Un) über die Schützanordnung (Zelle_1–Zelle_3; Zelle_14–Zelle_16) anzulegen, wobei ein Maximum der Testspannung (Up; Un) kleiner als die Hochvoltspannung ist, und dass die Auswerteschaltung (17, 21; 18, 22) ausgestaltet ist, abhängig von einer Höhe eines Stroms (Ip; In) , welcher durch die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) fließt, ein Ergebnis des Tests zu erstellen.
Testsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung eine Impedanz (17; 18) in Reihe mit der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) und eine Vorrichtung (21; 22) zum Erfassen eines Spannungsabfalls über der Impedanz (17; 18) umfasst, dass das Testsystem (20) ausgestaltet ist, die Testspannung (Up; Un) über einer Reihenschaltung aus der Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4) und der Impedanz (17; 18) anzulegen, und dass die Auswerteschaltung ausgestaltet ist, das Ergebnis des Tests abhängig von dem erfassten Spannungsabfall zu bestimmen.
Testsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz einen Widerstand (17; 18) umfasst, dessen Widerstandswert kleiner als 1/10 eines jeweiligen Widerstandswerts von Symmetrie-Impedanzen (31) und/oder Isolationswiderständen (28, 29) des Hochvoltnetzes (25, 26) ist, so dass der Strom (Ip; In) durch die Schützanordnung (1; 3; 1, 2, 4), welcher sich in einen Stromanteil durch die Impedanz (17; 18) und einen Stromanteil durch die Symmetrie-Impedanzen (31) und/oder Isolationswiderstände (29) aufteilt, von dem Stromanteil durch die Impedanz (17; 18) dominiert wird.
Testsystem nach einem Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle mindestens eine Energiespeicherzelle (Zelle_1–Zelle_3; Zelle_14–Zelle_16) eines Hochvoltenergiespeichers (7) umfasst, welcher zur Energieversorgung des Hochvoltnetzes (25, 26) ausgestaltet ist.
Testsystem nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Testsystem (20) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–4 ausgestaltet ist.
Fahrzeug mit einem Elektromotor (32) zum Antrieb des Fahrzeugs (10), mit einem Hochvoltenergiespeicher (7) zur Versorgung des Elektromotors (32) und mit einem Testsystem (20) nach einem der Ansprüche 5–9.