DE102012213159A1

DE102012213159A1 - Batteriesystem mit Batterieschützen und einer Diagnosevorrichtung zum Überwachen des Funktionszustandes der Schütze sowie dazugehöriges Diagnoseverfahren

Info

Publication number: DE102012213159A1
Application number: DE102012213159.0A
Authority: DE
Inventors: Chrysanthos Tzivanopoulos
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-01-30
Also published as: US20140028322A1; CN103576046A; CN103576046B; US9383415B2

Abstract

Es wird ein Batteriesystem (10), das eine mehrere Batteriezellen (21) umfassende Batterie (20), die eingangsseitig über mindestens ein Schütz (50, 60) mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar ist, und eine Diagnosevorrichtung (70) zur Zustandsdiagnose des mindestens einen Schützes (50, 60) aufweist, offenbart. Das Batteriesystem (10) umfasst einen Überwachungsstromkreis (150, 160) mit einem ersten Ast (151, 161), in dem das mindestens eine Schütz (50, 60) angeordnet ist, und einem dazu parallel geschalteten zweiten Ast (152, 162), in dem eine Spannungsquelle (154, 164) zum Erzeugen einer Referenzspannung (UR1, UR2) geschaltet ist. Dabei ist die Diagnosevorrichtung (70) dazu angeordnet, einen von der Referenzspannung (UR1, UR2) abhängigen und in dem Überwachungsstromkreis (150, 160) fließenden Diagnosestrom (ID1, ID2) auszuwerten und anhand eines gemessenen Stromwertes oder Stromverlaufs des Diagnosestroms (ID1, ID2) einen Zustand, insbesondere einen Fehlzustand, des mindestens einen Schützes (50, 60) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, das eine mehrere Batteriezellen umfassende Batterie, die eingangsseitig über mindestens ein Schütz mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar ist, und eine Diagnosevorrichtung zur Zustandsdiagnose des mindestens einen Schützes aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Zustandsdiagnose von Batterieschützen.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit gestellt werden. Der Hintergrund für diese hohen Anforderungen ist, dass ein Ausfall der Batterie eines eingesetzten Batteriesystems zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann. Das Prinzipschaltbild eines solchen Batteriesystems 10 ist in der 1 dargestellt. Um die geforderten Leistungen und Energiedaten mittels des Batteriesystems 10 zu erzielen, werden in der Batterie (Batteriepack) 20 des Batteriesystems 10 einzelne Batteriezellen 21 in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde in der 1 nur eine einzige Batteriezelle mit einem Bezugszeichen 21 versehen. Ein Problem des in der 1 gezeigten Ansatzes, bei dem viele Batteriezellen 21 in Reihe geschaltet werden, liegt in der bei dieser Reihenschaltung entstehenden hohen Ausgangsspannung UB einer Batterie (Hochspannungsbatterie) 20 begründet, welche ohne die Verwendung von geeigneten Maßnahmen dauerhaft an dem Bordnetz (Hochspannungsbordnetz) 40 eines Kraftfahrzeuges anliegt. Die an dem Bordnetz 40 anliegende Spannung, die sogenannte „Link Spannung“, wurde in der 1 mit UBN bezeichnet. Bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist die Batterie 20 mit dem Bordnetz 40 des Kraftfahrzeuges mittels des Kondensators 30 eines Gleichspannungszwischenkreises verbunden.
Wegen der hohen Spannung UBN, die ohne die Verwendung von geeigneten Maßnahmen dauerhaft an dem Bordnetz 40 des Kraftfahrzeuges anliegt, werden in der Regel Schütze 50, 60 verwendet, die die Batterie 20 bei Bedarf vom Bordnetz 40 trennen. Aus Sicherheitsgründen sollte hier sowohl am Pluspol der Batterie 20 als auch am Minuspol jeweils ein separates Schütz 50, 60 vorhanden sein, welche sowohl für eine hohe Batteriespannung UB ausgelegt und gegebenenfalls auch in der Lage sind, einen Kurzschlussstrom von über 1000 A zu trennen. Das Schütz 50 ist an seinem Pol 51 mit der Batterie 20 und an seinem Pol 52 mit dem Bordnetz 40 verbunden. Das Schütz 60 ist an seinem Pol 61 mit der Batterie 20 und an seinem Pol 62 mit dem Bordnetz 40 verbunden.
Damit die Trennung der Batterie 20 mit ihrer hohen Batteriespannung UB aus dem Bordnetz 40 sichergestellt ist, besteht eine der vorgeschriebenen Sicherheitsanforderungen darin, die Funktion der Schütze 50, 60 zu überprüfen und eine Fehlfunktion sicher zu diagnostizieren. So ist eine besonders gefährliche Fehlfunktion der Schütze 50, 60, welche diagnostiziert werden muss, zum Beispiel wenn die Schütze 50, 60 beziehungsweise deren Schützkontakte bei korrekter Ansteuerung kleben und nicht wie angesteuert geöffnet haben. Auch können die Schütze 50, 60 derartig zerstört worden sein, dass sie nicht wie angesteuert geschlossen haben. Für die Implementierung der Diagnosefunktionen ist die Verwendung von geeigneten Einrichtungen und Algorithmen notwendig.
Gemäß dem heutigen Stand der Technik sind Topologien zur Implementierung von Schutzklebediagnosefunktionen bekannt, die als Schaltungseinrichtung zur Implementierung von Spannungsmessungen an den vier Kontaktpolen der beiden Schütze ausgebildet sind, die jeweils am positiven oder am negativen Batteriepol, zwischen dem entsprechenden Batteriepol und dem Bordnetz angeordnet sind. Solche Schaltungstopologien sind beispielsweise aus dem Dokument EP 2 308 714 A2 bekannt. Bei den bekannten Schaltungstopologien können ferner Referenzspannungen enthalten sein, die bei bestimmten Diagnosekonstellationen zugeschaltet werden. Bei offenen Schützen werden die Potentialdifferenzen zwischen den vier Polen der beiden Schütze ausgewertet. Diese Potentialdifferenzen werden zum Teil über definierten Impedanzen oder Widerstandsteiler/Spannungsteiler vorgegeben.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Diagnostizieren eines Klebezustandes von Schützen, welche Betrachtungen von Spannungsdifferenzen in Abhängigkeit der Schaltzustände verwenden, haben den Nachteil, dass sie sehr empfindlich auf Spannungsüberkopplungen zwischen den Polpotentialen reagieren. Ferner sind diese Verfahren sehr empfindlich gegenüber Impedanzänderungen zwischen den Batterie- und Bordnetzpolen. Des Weiteren ist für eine vollständige Diagnose die Durchführung einer Schaltfrequenz bei gleichzeitiger Auswertung von Spannungsdifferenzen notwendig. Eine solche Sequenz wird in der Regel entweder am Anfang oder am Ende eines Fahrzyklus durchlaufen. Da hierzu Schaltzeiten eingehalten werden müssen und Einschwingvorgänge eine Rolle spielen, ergeben sich oft, je nach Verfahren, Startverzögerungen, nämlich bis die Diagnose abgeschlossen ist.
Weiterhin ist aus dem Dokument DE 10 2004 041 998 A1 ein Verfahren zur Vorhersage der Einsatzfähigkeit eines Relais oder eines Schützes bekannt, bei dem ein durch das Relais oder das Schütz fließender Strom wiederholt gemessen wird. Bei demselben Verfahren wird anhand der gemessenen Stromwerte und auf der Grundlage von bekannten Strom-Temperatur-Kennlinien des Relais oder des Schützes eine aktuelle Temperatur des Relais des Schützes abgeschätzt. Mittels der abgeschätzten Temperatur wird dann eine Vorhersage über die Einsatzfähigkeit, insbesondere über einen Klebezustand, des Relais oder des Schützes gemacht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Batteriesystem und ein Verfahren zur Zustandsdiagnose von Batterieschützen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 7 offenbart.
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, das eine mehrere Batteriezellen umfassende Batterie aufweist, die eingangsseitig über mindestens ein Schütz mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar ist. Ferner weist das Batteriesystem eine Diagnosevorrichtung zur Zustandsdiagnose des mindestens einen Schützes auf. Ferner ist in dem Batteriesystem ein Überwachungsstromkreis angeordnet, der einen ersten Ast, in dem das mindestens eine Schütz angeordnet ist, und einen dazu parallel geschalteten zweiten Ast umfasst, in dem eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung geschaltet ist. Die Diagnosevorrichtung ist dazu angeordnet, einen von der Referenzspannung abhängigen und in dem Überwachungsstromkreis fließenden Diagnosestrom auszuwerten und anhand eines gemessenen Stromwertes oder Stromverlaufs des Diagnosestroms den Funktionszustand, insbesondere einen Fehlzustand, des mindestens einen Schützes zu bestimmen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zustandsdiagnose von Batterieschützen einer Batterie wird eine Zustandsdiagnose mindestens eines der Schütze mittels eines Überwachungsstromkreises durchgeführt, der einen ersten Ast, in dem das mindestens eine Schütz angeordnet ist, und einem dazu parallelen zweiten Ast, in dem eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer Referenzspannung geschaltet ist, aufweist. Verfahrensgemäß wird ein von der Referenzspannung abhängiger, in dem Überwachungsstromkreis fließender Diagnosestrom ausgewertet.
Anschaulich gesagt, es wird ein Batteriesystem mit einem speziellen zusätzlichen Überwachungsstromkreis und einer Diagnosevorrichtung offenbart, wobei die Diagnosevorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Fehlzustand des Schützes zu diagnostizieren. Genauer gesagt sind das Batteriesystem und die Diagnosevorrichtung dazu ausgebildet, einen durch den zugeschalteten zweiten Ast des Überwachungsstromkreises fließenden Diagnosestrom für das Schütz in einem als offenen Schaltzustand angenommenen ersten Zustand und in einem als geschlossenen Schaltzustand angenommenen zweiten Zustand jeweils zu messen und anhand des gemessenen Diagnosestromes eine Fehlfunktion des Schützes, insbesondere einen Klebezustand des Schützes, diagnostizieren zu können.
Somit wird erfindungsgemäß eine kosten- und ressourcenoptimierte Schaltungstopologie bereitgestellt, welche eine besonders robuste Diagnose eines eingesetzten Schützes im offenen oder geschlossenen Zustand ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie können eine kontinuierliche Überwachung des Zustandes der eingesetzten Schütze und Schützkontakte im geschlossenen Zustand und eine schnelle Überprüfung im geöffneten Zustand implementiert werden, welche eine sehr geringe Startverzögerung verursachen, da jeweils nur ein Schalt- und Messvorgang pro Schütz benötigt wird.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Batteriesystem zwei Schütze umfassen, die jeweils an einem Batteriepol angeordnet und jeweils in einem zusätzlichen Überwachungsstromkreis eingebracht sind, und die Diagnosevorrichtung ist dazu ausgebildet, die Diagnoseströme, die durch die zweiten zugeschalteten Äste der zwei Überwachungsstromkreise fließen, jeweils zu messen, während die zwei Schütze sich jeweils in dem als geschlossenen Schaltzustand angenommenen zweiten Zustand befinden, und anhand der gemessenen Diagnoseströme eine mögliche Fehlfunktion der Schütze jeweils zu diagnostizieren.
Wenn beide Schütze funktionsfähig sind und sich im geschlossenen Schaltzustand befinden, so muss in jedem Überwachungsstromkreis ein durch die Struktur des entsprechenden Überwachungsstromkreises definierter Diagnosestrom fließen. Anhand der gemessenen Werte der Diagnoseströme kann auf den Funktionszustand des jeweiligen Schützes geschlossen werden. Werden in beiden Überwachungsstromkreisen die erwarteten Diagnoseströme gemessen, so kann davon ausgegangen werden, dass beide Schütze ordnungsgemäß geschlossen haben. Wird in mindestens einem Überwachungsstromkreis ein abweichender Diagnosestrom gemessen, kann durch eine Auswertung der gemessenen Diagnoseströme ein Fehlzustand des entsprechenden Schützes, in dem dieses Schütz nicht geschlossen hat, diagnostiziert werden.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem kann zwei Schütze umfassen, die jeweils an einem Batteriepol angeordnet und jeweils in einem zusätzlichen Überwachungsstromkreis eingebracht sind, und die Diagnosevorrichtung ist dazu ausgebildet, den Diagnosestrom, der durch den zugeschalteten zweiten Ast des Überwachungsstromkreises mindestens eines Schützes in dem als geöffneten Schaltzustand angenommenen ersten Zustand fließt, zu messen, während der Überwachungsstromkreis des anderen Schützes in dem als geschlossener Schaltzustand angenommenen zweiten Zustand ist, und anhand des gemessenen Diagnosestromes einen möglichen Klebezustand des entsprechenden Schützes zu diagnostizieren.
Vorzugsweise ist die Diagnosevorrichtung dazu ausgebildet, die Messung des Diagnosestromes durch den zweiten zugeschalteten Ast des Überwachungsstromkreises eines Schützes in dem als offener Schaltzustand angenommenen ersten Zustand durchzuführen, unmittelbar nachdem beide Überwachungsstromkreise in dem als geschlossenen Schaltzustand angenommenen zweiten Zustand waren.
Anders ausgedrückt, es wird eines der beiden Schütze, nachdem beide Schütze geschlossen waren, geöffnet. Der Diagnosestrom, der durch den zweiten zugeschalteten Ast des Überwachungsstromkreises des geöffneten Schützes fließt, wird dabei gemessen und ausgewertet. Wenn das entsprechende Schütz ordnungsgemäß geöffnet hat, wird sich der entsprechende Diagnosestrom reduzieren, insbesondere sich bis auf null reduzieren, das heißt unterbrechen. Wenn dieser Schützkontakt klebt, bleibt das Schütz auch nach dem Öffnen weiterhin geschlossen und der entsprechende Diagnosestrom gleicht dem erwarteten Diagnosestrom in dem geschlossenen Zustand des Schützes.
Anhand des gemessenen Diagnosestromes kann erfindungsgemäß auf einfache Weise ein vorliegender Klebezustand des untersuchten Schützes diagnostiziert werden. Diese Messung kann für jedes der beiden Schütze durchgeführt werden.
Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Batteriesystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zwei Schütze, die jeweils an einem Batteriepol angeordnet und jeweils in einem zusätzlichen Überwachungsstromkreis eingebracht sind, und die Diagnosevorrichtung ist dazu ausgebildet, den Diagnosestrom, der durch den zugeschalteten zweiten Ast des Überwachungsstromkreises mindestens eines Schützes in dem als geöffneten Schaltzustand angenommenen ersten Zustand fließt, zu messen, während das andere Schütz sich ebenfalls in dem als geöffneter Schaltzustand angenommenen ersten Zustand befindet und der zweite Ast des Überwachungsstromkreises des anderen Schützes von dem ersten Ast des Überwachungsstromkreises des anderen Schützes abgeschaltet ist. Ferner ist die Diagnosevorrichtung dazu ausgebildet, einen möglichen Klebezustand des entsprechenden Schützes anhand des gemessenen Diagnosestromes zu diagnostizieren.
Mit anderen Worten, es wird eines der Schütze geöffnet und der zweite Ast des Überwachungsstromkreises dieses Schützes abgeschaltet, während das andere Schütz auch geöffnet wird und der zweite Ast des Überwachungsstromkreises dieses anderen Schützes zugeschaltet wird. Dabei wird der Diagnosestrom, der durch den zweiten zugeschalteten Ast des entsprechenden Überwachungsstromkreises fließt, gemessen. Wenn kein in dem durch den zweiten zugeschalteten Ast des entsprechenden Überwachungsstromkreises fließender Diagnosestrom detektiert wird, kann davon ausgegangen werden, dass beide Schütze ordnungsgemäß geöffnet haben. Wenn der Schützkontakt, für den der Diagnosestrom gemessen wird, klebt, bleibt dieses Schütz auch nach dem Öffnen weiterhin geschlossen und der entsprechende Diagnosestrom gleicht dem erwarteten Diagnosestrom in dem geschlossenen Zustand des Schützes. Anhand dieses gemessenen Diagnosestromes kann der Klebezustand des untersuchten Schützes diagnostiziert werden. Diese Messung kann für jedes der beiden Schütze durchgeführt werden.
Insbesondere ist in dem zweiten Ast mindestens eines Überwachungsstromkreises des erfindungsgemäßen Batteriesystems ein Shuntwiderstand in Reihe mit der zusätzlichen Spannungsquelle des Überwachungsstromkreises geschaltet. Ferner ist dabei die Diagnosevorrichtung dazu ausgebildet, die an dem Shuntwiderstand anliegende Spannung zu messen und anhand dessen einen entsprechenden durch den Shuntwiderstand fließenden Diagnosestrom zu bestimmen.
So können erfindungsgemäß die Diagnoseströme anhand einer einfachen Auswertung der an den entsprechenden Shuntwiderständen anliegenden Spannungen bestimmt werden.
Vorzugsweise umfasst mindestens ein Überwachungsstromkreis des erfindungsgemäßen Batteriesystems eine potentialgetrennte Spannungsquelle, die als Wicklung eines Sperrwandlers ausgebildet sein kann.
Durch die Verwendung einer potentialgetrennten Spannungsquelle für mindestens einen Überwachungsstromkreis wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie in sehr einfacher Weise die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Spannungsüberkopplungen zwischen Polpotentialen, die eine Diagnose eines möglichen Fehlzustands der eingesetzten Schütze erheblich beeinträchtigen würden, drastisch reduziert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spannungsquelle in einer zur Orientierung der Batteriespannung entgegengesetzten Orientierung verschaltet. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Spannungsquelle in gleicher Orientierung wie die Batterie verschaltet.
Ferner kann der zweite Ast des Überwachungsstromkreises mehrere Referenzwiderstände und/oder eine Diode aufweisen, die mit der Spannungsquelle in Reihenschaltung angeordnet sind. Dabei ist die Diode bevorzugt bezüglich ihrer Flussrichtung in Reihe mit den Batteriezellen gepolt.
Bevorzugt wird ein erfindungsgemäßer zweiter Ast eines Überwachungsstromkreises abschaltbar ausgebildet, insbesondere mittels eines in dem zweiten Ast angeordneten Schalters.
Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems umfasst die Diagnosevorrichtung mindestens einen Analog-Digital-Wandler und eine Auswerteeinheit zum Auswerten von digitalen Signalen, die insbesondere als Mikrocontroller ausgebildet sein kann, wobei der Analog-Digital-Wandler dazu ausgebildet ist, einen detektierten Diagnosestrom oder eine an dem Shuntwiderstand anliegende und detektierte Spannung in ein digitales Signal umzuwandeln und das digitale Signal an die Auswerteeinheit zu übermitteln, insbesondere potentialgetrennt zu übermitteln. Dabei kann der Mikrocontroller innerhalb der Elektronik des Batteriemanagements implementiert sein.
Dadurch, dass der Analog-Digital-Wandler dazu ausgebildet ist, das digitale Signal der Auswerteeinheit potentialgetrennt zu übermitteln, wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie auf einfache Weise die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von störenden Spannungsüberkopplungen zwischen Polpotentialen minimiert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein geschlossener Zustand eines Schützes diagnostiziert, wenn der gemessene Diagnosestrom einem vordefinierten, von der Referenzspannung und von in dem Überwachungsstromkreis, insbesondere in dem zweiten Ast des Überwachungsstromkreises, angeordneten Referenzwiderstand entspricht, wobei ein Öffnen des Schützes diagnostiziert wird, wenn ein Abfall des gemessenen Diagnosestroms, insbesondere ein Abfall auf den Wert Null, erfolgt.
Diese verfahrensgemäße Weiterbildung kann mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem, bei dem die Referenzspannungsquelle entgegen der Batterie gepolt ist, durchgeführt werden. Andererseits, wenn die Referenzspannungsquelle mit der Batterie gepolt ist, kann das Verfahren auch derart durchgeführt werden, dass ein zunächst ansteigender Strom ein Öffnen des Schützes anzeigt.
Weiterhin kann verfahrensgemäß ein ordnungsgemäßer offener Zustand eines Schützes diagnostiziert werden, wenn in Antwort auf ein Zuschalten des zweiten Astes, das beispielsweise durch einen in dem zweiten Ast angeordneten Schalter vorgenommen wird, kein von Null abweichender Diagnosestrom gemessen wird. Dabei kann eine Fehlfunktion, insbesondere ein Kleben des Schützes diagnostiziert werden, wenn in Antwort auf das Zuschalten des zweiten Astes ein von dem Stromwert Null abweichender Diagnosestrom gemessen wird.
Diese Ausführungsform des Verfahrens wird bevorzugt so durchgeführt, dass bei Zuschalten des zweiten Astes der andere zweite Ast, der zu einem anderen Schütz gehört, offen, das heißt abgeschaltet bleibt.
Bevorzugt ist die von dem erfindungsgemäßen Batteriesystem umfasste Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Batteriesystems in einem Kraftfahrzeug, insbesondere für die Versorgung des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges, wird die Fahrsicherheit eines solchen Kraftfahrzeuges erheblich erhöht.
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 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei an den Batteriepolen jeweils ein Schütz angeordnet ist,
2 ein Batteriesystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, wobei an den Batteriepolen jeweils ein in einem eigenen Überwachungsstromkreis eingebrachtes Schütz angeordnet ist,
3 das Batteriesystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den Überwachungsstromkreisen bei geschlossenen Schützen an den Batteriepolen,
4 das Batteriesystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den Überwachungsstromkreisen bei geöffnetem Schütz am positiven Batteriestrangpol und beim geschlossenen Schütz am negativen Batteriepol,
5 das Batteriesystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Überwachungsstromkreise bei geöffneten Schützen an beiden Batteriepolen für die Überprüfung eines Nichtklebens des Schützes am negativen Batteriepol dargestellt sind, und
6 das Batteriesystem nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den Überwachungsstromkreisen aus der 5 für den Fall, in dem das Schütz an dem negativen Batteriepol klebt.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 2 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Batterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21, die in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde in der 1 nur eine der dargestellten Batteriezellen mit einem Bezugszeichen 21 versehen. Die Ausgangsspannung der Batterie 20 wird auch hier mit UB bezeichnet. Bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist die Batterie 20 mit dem Bordnetz 40 eines Kraftfahrzeuges mittels des Kondensators 30 eines Gleichspannungszwischenkreises über zwei Schütze 50, 60 verbindbar. Wenn beide Schütze 50, 60 funktionsfähig sind und sich jeweils in einem geschlossenen Zustand befinden, liegt die Batteriespannung UB an dem Bordnetz (Hochspannungsbordnetz) 40 des Kraftfahrzeuges an. Die an dem Bordnetz 40 anliegende Spannung (Link Spannung) wird in der 2 mit UBN bezeichnet.
Die Schütze 50, 60 können, wenn sie funktionsfähig sind und sich im geöffneten Zustand befinden, die Batterie 20 vom Bordnetz 40 trennen. Das Schütz 50 ist an seinem Pol 51 mit dem positiven Batteriepol (nicht gekennzeichnet) und an seinem Pol 52 mit dem Bordnetz 40 verbunden. Das Schütz 60 ist an seinem Pol 61 mit dem negativen Batteriepol (nicht gekennzeichnet) und an seinem Pol 62 mit dem Bordnetz 40 verbunden. Die an den Polen 51, 52 des Schützes 50 beziehungsweise an den Polen 61, 62 des Schützes 60 anliegenden Diagnosespannungen werden mit UD1 beziehungsweise UD2 bezeichnet.
Bei dem Batteriesystem 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung ist jedes der beiden Schütze 50, 60 in einem zusätzlichen, abschaltbaren Überwachungsstromkreis 150, 160 eingebracht. Jeder dieser Überwachungsstromkreise 150, 160 umfasst einen ersten Ast 151, 161, in dem das entsprechende Schütz 50, 60 angeordnet ist, und einen zweiten Ast 152, 162, der jeweils mittels eines Schalters 153, 163 zu dem entsprechenden ersten Ast 151, 161 parallel zuschaltbar ist und eine eigene in Reihe mit dem entsprechenden Schalter 153, 163 geschaltete potentialgetrennte Spannungsquelle 154, 164 umfasst, die den entsprechenden Überwachungsstromkreis 150, 160 jeweils versorgt. Die potentialgetrennten Spannungsquellen 154, 164 liefern jeweils eine bekannte Referenzspannung UR1 beziehungsweise UR2. Die potentialgetrennten Spannungsquellen 154, 164 können kostengünstig beispielsweise durch eine eigene Wicklung eines Sperrwandlers realisiert werden.
Wenn ein Schütz 50, 60 geschlossen ist, dann fließt ein definierter Diagnosestrom in dem entsprechenden Überwachungsstromkreis 150, 160, der mittels einer in dem Batteriesystem 10 angeordneten Diagnosevorrichtung 70 detektiert werden kann. Das kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die zwei Äste 152, 162 der Überwachungsstromkreise 150, 160 jeweils einen in Reihe mit der entsprechenden Spannungsquelle 154, 164 verbundenen Shuntwiderstand 155, 165 umfassen und die an einem Shuntwiderstand 155, 165 anliegende Spannung zur Bestimmung des durch den entsprechenden Shuntwiderstand fließenden Diagnosestroms mittels der Auswerteeinheit 90 detektiert und ausgewertet wird. Die Widerstandswerte der Shuntwiderstände 155, 165 werden mit RS1 und RS2 bezeichnet. Ferner kann jeder der zweiten Äste 152, 162 der Überwachungsstromkreise 150, 160 jeweils zwei weitere zu dem zugehörigen zweiten Ast 152, 162 in Reihe geschaltete Widerstände 156, 157 beziehungsweise 166, 167 umfassen, deren Widerstandswerte in der Zeichnung mit R1, R2 beziehungsweise R3, R4 bezeichnet werden.
Die an einem Shuntwiderstand 155, 165 anliegende Spannung kann jeweils von einem in der Auswerteeinheit 90 angeordneten Analog-Digital-Wandler 81, 82 mit Potentialtrennung bereitgestellt werden, der diese bereitgestellte Spannung in ein digitalisiertes Signal umwandelt und das digitalisierte Signal potentialgetrennt an einen in der Auswerteeinheit 90 angeordneten Mikrocontroller zur Auswertung übermittelt. Durch die Auswertung des digitalisierten Signals kann auf den Zustand des so überwachten Schützes 50, 60 rückgeschlossen werden.
3 zeigt das in der 2 dargestellte Batteriesystem 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den Überwachungsstromkreisen 150, 160 für einen Fall, in dem beide an den Batteriepolen angeordnete Schütze 50, 60 und die dazugehörigen Überwachungsstromkreise 150, 160 geschlossen sind. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 3 alle für die Beschreibung der Stromflüsse an den Überwachungsstromkreisen 150, 160 relevanten anfallenden Spannungen und Ströme lediglich die hier vorwiegend diskutierten sonstigen Komponenten mit Bezugszeichen versehen.
Anhand der 3 und 4 wird die Überwachung der Schütze 50, 60 in dem Sollzustand „geschlossen“ näher beschrieben.
Wenn die Schütze 50, 60 geschlossen sind, fließt in jedem Überwachungsstromkreis 150, 160 ein definierter Diagnosestrom. Die Werte der durch die zweiten Äste 152, 162 fließenden Diagnoseströme ID1, ID2 werden in den Relationen (1) und (2) angegeben. Mit 250 und 260 werden in der 3 die in den Überwachungsstromkreisen 150, 160 jeweils vorhandenen Stromflüsse bezeichnet. Mit 100 wurde in der 3 ferner der Stromfluss bezeichnet, der über das Schütz 60, über die Batterie 20, über das Schütz 50 und über den Eingang des Bordnetzes 40 verläuft. Der zu dem Stromfluss 100 dazugehörige Strom wird mit I bezeichnet.
Die folgende Relation (1) bezieht sich auf den Überwachungsstromkreis 150 des an dem positiven Batteriepol angeordneten Schützes 50: ID1 = (UR1 – UD1)/(R1 + R2 + RS1) (1)
Die Relation (2) bezieht sich auf den Überwachungsstromkreis 160 des an dem negativen Batteriepol angeordneten Schützes 60: ID2 = (UR2 – UD2)/(R3 + R4 + RS2) (2)
4 zeigt das in der 2 dargestellte Batteriesystem 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den Überwachungsstromkreisen 150, 160 für den Fall, in dem das an dem angeordneten positiven Batteriepol angeordnete Schütz 50 geöffnet ist, der zweite Ast 152 des dazugehörigen Überwachungsstromkreises 150 zugeschaltet ist, und das an dem negativen Batteriepol angeordnete Schütz 60 und der dazugehörige Überwachungsstromkreis 160 geschlossen sind. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 4 alle für die Beschreibung der Stromflüsse an den Überwachungsstromkreisen 150, 160 relevanten anfallenden Spannungen und Ströme wieder nur für ausgewählte sonstige Komponenten mit Bezugszeichen versehen. Die Werte der durch die zweiten Äste 152, 162 der Überwachungsstromkreise 150, 160 fließenden Diagnoseströme werden auch hier mit ID1 und ID2 bezeichnet. Mit 250 wird in der 4 der Stromfluss bezeichnet, der, weil das Schütz 50 geöffnet ist, über den zweiten Ast 152 des Überwachungsstromkreises 150 und ferner auch über die Batterie 20, über das Schütz 60, und über den Eingang des Bordnetzes 40 verläuft.
In der 4 sind die Stromflüsse 250, 260 für den Fall dargestellt, in dem unmittelbar nachdem die zwei Schütze 50, 60 und die dazugehörigen Überwachungsstromkreise 150 und 160 geschlossen waren, eines der beiden Schütze 50, 60, hier das an dem positiven Batteriepol angeordnete Schütz 50, geöffnet worden ist.
Wenn ein Schütz sich öffnet, wird sich der dazugehörige Diagnosestrom, hier ID1, reduzieren und wird gegebenenfalls unterbrochen, sobald die Bordnetzspannung UBN, das heißt die an dem Bordnetz anliegende Hochspannung kleiner als die Batteriespannung UB wird.
In der folgenden Relation (3) wird der Wert des zu dem Stromfluss 250 dazugehörigen Diagnosestromes ID1 angegeben: ID1 = ((UR1 – UD2 – (UB – UBN))/(R1 + R2·RS1) (3)
Sobald die Bordnetzspannung UBN kleiner als die Differenz (UB – UR1) zwischen der Batteriespannung UB und der Referenzspannung UR1 wird, wird der Stromfluss 250 komplett unterbrochen.
Durch die Auswertung des digitalisierten Spannungsabfalls am Messshuntwiderstand 155, dessen Widerstandswert hier mit RS1 bezeichnet wird, kann der Diagnosestrom ID1 überwacht werden und sofort ein Öffnen des Schützes 50 diagnostiziert werden, sobald der Diagnosestrom sich verändert oder ganz ausfällt. Der Diagnosestrom wird sich beim geöffneten Schütz 50 sofort verändern, sobald die Bordspannung UBN sich im Vergleich zum Bordspannungswert beim geschlossenen Zustand des Schützes 50 sich verändert.
Das gleiche Messprinzip kann für das Schütz 60 angewendet werden, wenn das Schütz 60 unmittelbar, nachdem die Schütze 50, 60 und die dazugehörigen Überwachungsstromkreise 150, 160 geschlossen waren, geöffnet wird.
Anhand der 5 und 6 wird im Folgenden die Überwachung der Schütze 50, 60 im Sollzustand „offen“ näher beschrieben. Beim Sollzustand „Schütze offen“ geht es darum, zu diagnostizieren, ob ein Schütz 50, 60, nicht wie es sein soll, offen ist, sondern klebt. Hierzu sollte pro Schütz 50, 60 eine Messung durchgeführt werden.
5 zeigt das in der 2 dargestellte Batteriesystem 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung für einen Fall, in dem die Überwachungsstromkreise 150, 160 bei geöffneten Schützen an beiden Batteriepolen für die Überprüfung eines Nichtklebens des Schützes 60 am negativen Batteriepol verwendet werden. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 5 alle für die Beschreibung der in dem genannten Fall verwendeten Zustände der Überwachungsstromkreise 150, 160 relevanten anfallenden Spannungen und Ströme, aber nur die wesentlichen sonstigen Komponenten mit Bezugszeichen versehen.
Bei der Messung zur Diagnose des Kontaktzustandes des Schützes 60 am negativen Batteriepol wird der Schalter 163 des Überwachungsstromkreises 160 dieses Schützes 60 geschlossen und der Schalter 153 des Überwachungsstromkreises 150 des Schützes 50 am positiven Batteriepol in einem offenen Schaltzustand verwendet. Wenn beide Schütze 50, 60 offen sind, darf in keinem der Überwachungsstromkreise 150, 160 ein Diagnosestrom ID1, ID2 fließen. In diesem Fall gilt für die Diagnoseströme ID1, ID2 dann die Relation (4): ID1 = ID2 = 0 (4)
6 zeigt das Batteriesystem 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zusammen mit den Stromflüssen an den in den in der 5 dargestellten Überwachungsstromkreisen 150, 160 für den Fall, in dem das Schütz 60 an dem negativen Batteriepol klebt. Die Werte der durch die zweiten Äste 152, 162 der Überwachungsstromkreise 150, 160 fließenden Diagnoseströme werden auch in der 6 mit ID1 und ID2 bezeichnet. Mit 260 wurde in der 6 der Stromfluss bezeichnet, der, weil das Schütz 60 klebt, in dem Überwachungsstromkreis 160 vorhanden ist beziehungsweise nicht verschwindet.
Falls das an dem negativen Batteriepol angeordnete Schütz 60 kleben sollte, würde durch den zweiten Ast 162 des entsprechenden Überwachungsstromkreises 160 ein Diagnosestrom ID2 fließen, der in der Relation (5) angegeben worden ist. Durch die Detektion des Diagnosestroms ID2 kann ein klebendes Schütz 60 an dem negativen Batteriepol diagnostiziert werden. Durch den zweiten Ast 152 des Überwachungsstromkreises 150 des an dem positiven Batteriepol angeordneten Schützes 50 würde in diesem Fall kein Diagnosestrom ID1 fließen, der Wert dieses Diagnosestroms ID1 wäre somit Null. ID2 = (UR2 – UD2)/(R3 + R4 + RS2) (5)
Die Messprozedur zur Diagnose eines Klebezustandes des an dem positiven Batteriepol angeordneten Schützes 50 ist analog zu der soeben vorgestellten Messprozedur zur Diagnose eines Klebezustandes des an dem negativen Batteriepol angeordneten Schützes 60.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2308714 A2 [0005]
DE 102004041998 A1 [0007]

Claims

Batteriesystem (10), das eine mehrere Batteriezellen (21) umfassende Batterie (20), die eingangsseitig über mindestens ein Schütz (50, 60) mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbindbar ist, und eine Diagnosevorrichtung (70) zur Zustandsdiagnose des mindestens einen Schützes (50, 60) aufweist, gekennzeichnet durch einen Überwachungsstromkreis (150, 160) mit einem ersten Ast (151, 161), in dem das mindestens eine Schütz (50, 60) angeordnet ist, und einem dazu parallel geschalteten zweiten Ast (152, 162), in dem eine Spannungsquelle (154, 164) zum Erzeugen einer Referenzspannung (UR1, UR2) geschaltet ist, wobei die Diagnosevorrichtung (70) dazu angeordnet ist, einen von der Referenzspannung (UR1, UR2) abhängigen und in dem Überwachungsstromkreis (150, 160) fließenden Diagnosestrom (ID1, ID2) auszuwerten und anhand eines gemessenen Stromwertes oder Stromverlaufs des Diagnosestroms (ID1, ID2) einen Zustand, insbesondere einen Fehlzustand, des mindestens einen Schützes (50, 60) zu bestimmen.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1, wobei an jedem Batteriepol der Batterie (10) ein Schütz (50, 60) angeordnet ist und in dem Batteriesystem (10) je eine Ausfertigung des Überwachungsstromkreises (150, 160) pro Schütz vorhanden ist.
Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem zweiten Ast (152, 162) des Überwachungsstromkreises (150, 160) ein Shuntwiderstand (155, 165) in Reihe mit der Spannungsquelle (154, 164) in dem Überwachungsstromkreis (150, 160) geschaltet ist und die Diagnosevorrichtung (70) dazu ausgebildet ist, eine über den Shuntwiderstand (155, 165) abfallende Spannung zu messen und anhand der gemessenen Spannung den Diagnosestrom (ID1, ID2) zu bestimmen, und/oder wobei die Spannungsquelle (154, 164) als potentialgetrennte Spannungsquelle wie beispielsweise als eine durch eine Wicklung eines Sperrwandlers implementierte Spannungsquelle ausgestaltet ist.
Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsquelle (154, 164) in einer zur Orientierung der Batteriespannung entgegengesetzten Orientierung verschaltet ist und/oder wobei der zweite Ast (152, 162) des Überwachungsstromkreises (150, 160) mehrere Referenzwiderstände (156, 157, 166, 167) und/oder eine Diode aufweist, die mit der Spannungsquelle (154, 164) in Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die Diode bezüglich ihrer Flussrichtung in Reihe mit den Batteriezellen (21) gepolt ist.
Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ast (152, 162) des Überwachungsstromkreises (150, 160) abschaltbar ausgebildet ist, insbesondere mittels eines in dem zweiten Ast (152, 162) angeordneten Schalters (153).
Batteriesystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diagnosevorrichtung (70) mindestens einen Analog-Digital-Wandler (81, 82) und eine zum Auswerten von digitalen Signalen vorgesehene Auswerteeinheit (90), wie beispielsweise einen Mikrocontroller, umfasst, wobei der Analog-Digital-Wandler (81, 82) dazu ausgebildet ist, einen detektierten Diagnosestrom (ID1, ID2) oder eine an dem Shuntwiderstand (155, 165) anliegende und detektierte Spannung in ein digitales Signal umzuwandeln und das digitale Signal der Auswerteeinheit (90) digital oder analog zu übermitteln.
Verfahren zur Zustandsdiagnose von Batterieschützen (50, 60) einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdiagnose mindestens eines der Schütze (50, 60) mittels eines Überwachungsstromkreises (150, 160) durchgeführt wird, der einen ersten Ast (151, 161), in dem das mindestens eine Schütz (50, 60) angeordnet ist, und einen dazu parallelen zweiten Ast (152, 162), in dem eine Spannungsquelle (154, 164) zum Erzeugen einer Referenzspannung (UR1, UR2) geschaltet ist, aufweist, und das Verfahren Schritte aufweist, bei denen ein von der Referenzspannung (UR1, UR2) abhängiger, in dem Überwachungsstromkreis (150, 160) fließender Diagnosestrom (ID1, ID2) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein geschlossener Zustand eines Schützes (50, 60) diagnostiziert wird, wenn der gemessene Diagnosestrom (ID1, ID2) einem vordefinierten, von der Referenzspannung (UR1, UR2) und von in dem Überwachungsstromkreis (150, 160), insbesondere in dem zweiten Ast (152, 162) des Überwachungsstromkreises (150, 160) angeordneten Referenzwiderständen entspricht, und wobei ein Öffnen des Schützes (50, 60) diagnostiziert wird, wenn ein Abfall des gemessenen Diagnosestroms, insbesondere ein Abfall auf den Wert Null, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei ein ordnungsgemäßer offener Zustand eines Schützes (50, 60) diagnostiziert wird, wenn in Antwort auf ein Zuschalten des zweiten Astes (152, 162), das beispielsweise durch einen in dem zweiten Ast angeordneten Schalter (153, 163) vorgenommen wird, kein von Null abweichender Diagnosestrom (ID1, ID2) gemessen wird, und wobei eine Fehlfunktion, insbesondere ein Kleben des Schützes (50, 60) diagnostiziert wird, wenn in Antwort auf das Zuschalten des zweiten Astes (152, 162) ein von dem Stromwert Null abweichender Diagnosestrom (ID1, ID2) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei bei Anwendung des Verfahrens auf ein Batteriesystem (10) mit einer Batterie (20), bei der beide Batteriepole mit einem Schütz (50, 60) versehen sind, die Zustandsdiagnose durch Auswertung eines jeweiligen Diagnosestroms zu einer Zeit durchgeführt wird, zu der sich beide Schütze (50, 60) in einem als geschlossen angenommen Zustand befinden, und/oder zur Diagnose eines möglichen Klebezustandes eines Schützes (50, 60) zu einer Zeit, zu der sich ein Schütz (50, 60) in dem als geschlossen angenommen Zustand und das andere Schütz (50, 60) sich in dem als offen angenommen Zustand befinden, insbesondere unmittelbar, nachdem sich beide Schütze (50, 60) in dem als geschlossen angenommen Zustand befanden, und/oder zu einer Zeit, zu der sich beide Schütze (50, 60) in dem als offen angenommen Zustand befinden und genau einer der entsprechenden zweiten Äste (152, 162) abgeschaltet ist.
Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Batteriesystem (10) in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.