DE102012215190A1 - Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose sowie eine Batterie mit einem Schaltschütz und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie - Google Patents

Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose sowie eine Batterie mit einem Schaltschütz und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose mit mindestens einem Schaltschütz (100, 110) beschrieben mit den Schritten Trennen einer Kontaktbrücke (101) von mindestens einem Terminal (102) des Schützes (100, 110), Messen eines Isolationswiderstandes zwischen beiden Terminals (102) bei geöffneter Kontaktbrücke (101) und Aktivieren mindestens einer vorbereiteten Maßnahme, wenn der Isolationswiderstand einen vorgegebenen Wert unterschreitet, sowie eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche mehrere Lithium-Ionen-Zellen und zwei Schaltschütze (100, 110) mit jeweils zwei Anschluss-Terminals (102) umfasst, wobei ein Batteriesteuergerät (BCU) mit jedem Terminal (102) der Schütze (100, 110) verbunden ist, das jeweils erste Terminal (102) des Schützes (100, 110) elektrisch verbunden ist mit jeweils einer Lithium-Ionen-Zelle und das jeweils zweite Terminal (102) des Schützes (100, 110) elektrisch verbunden ist mit einem Messwiderstand, und es wird zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie gemäß der vorgenannten Merkmale zur Verfügung gestellt, wobei das Kraftfahrzeug mit der Batterie elektrisch und mechanisch verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose mit mindestens einem Schaltschütz sowie eine Batterie mit einem Schütz und ein Kraftfahrzeug mit der vorgenannten Batterie.
  • Stand der Technik
  • In Fahrzeug-Hochvoltspeichern werden Batteriezellen meist elektrisch seriell verschaltet, um durch eine möglichst hohe Spannung bei möglichst geringen Strömen eine hohe Leistung aufnehmen beziehungsweise abgeben zu können, unter Erzielung einer möglichst geringen Verlustleistung (infolge vorhandener Widerstände im System, wie beispielsweise Leitungswiderstände). Durch den Einsatz hoher Spannungen (größer als 60 Volt) müssen, insbesondere zum Schutz von Gesundheit und Leben, besondere Vorkehrungen zum Trennen des Hochvoltspeichers vom Fahrzeug-Hochvolt-Bordnetz getroffen werden. Hierfür werden direkt im Bereich des Anschlusses eines Hochvolt-Kabels an die Batterie Batterie-interne Schütze (Relais für hohe Ströme) verbaut.
  • Wenn in einem Fehlerfall (zum Beispiel Kurzschluss im Bereich des Fahrzeug-Hochvolt-Bordnetzes) ungewollt hohe Ströme durch die Batterie fließen, werden die Schütze geöffnet, um den Stromfluss zu unterbrechen. Dabei altern die Schütze durch die hohe Belastung. Es wird deshalb üblicherweise ein Schützalterungszähler in ein Batteriemanagementsystem implementiert, welcher die Ströme im Zeitbereich der Trennung misst und somit ein Rückschluss auf die Schädigung der Schützkontakte möglich ist.
  • Unter gewissen Umständen ist eine exakte Messung der Ströme jedoch nicht möglich. Auch kann der Messbereich in Ausnahmefällen sogar überschritten werden. Beim Trennen von hohen Strömen altert das Schaltschütz überproportional stark. Daher kann die Alterung der Schütze nicht genau bestimmt werden. Ein Kriterium für den Austausch der Schütze ist die Trennfähigkeit (bei maximalem Strom). Es muss nämlich sichergestellt werden, dass der maximale Kurzschlussstrom, für den die Relais im System ausgelegt sind, immer bei Bedarf getrennt werden kann. Wenn das Schütz seine kritische Lebensdauer überschritten hat und nicht rechtzeitig gewechselt wurde, kann entweder der Isolationswiderstand zwischen den beiden Anschlüssen eines Schützes auf einen unzulässig niedrigen Wert sinken (und somit wäre ein wirksames Trennen der Spannung nicht mehr möglich) oder die Kontaktbrücke im Schütz kann sogar mit den Terminals verschweißen und der Strom kann dann nicht mehr getrennt werden.
  • Für ein beliebiges Schütz kann nicht zu allen Zeitpunkten der Strom im Moment des Öffnens exakt bestimmt werden. Eine Bestimmung der Alterung eines Schützes ohne das Wissen um die Vergangenheit ist mit bisherigen Methoden nicht möglich.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose zur Verfügung gestellt mit mindestens einem Schaltschütz, wobei das Schütz eine elektrische Kontaktbrücke und zwei elektrische Anschluss-Terminals aufweist, mit den Schritten Trennen der Kontaktbrücke von mindestens einem Terminal des Schützes, Messen eines Isolationswiderstandes zwischen beiden Terminals bei geöffneter Kontaktbrücke und Aktivieren mindestens einer vorbereiteten Maßnahme, wenn der Isolationswiderstand einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
  • Die Erfindung bringt als Vorteil hervor, dass eine Abnutzung, auch als Alterung bezeichnet, des Schützes genauer bestimmt werden kann.
  • Als bevorzugte Variante ist die erfindungsgemäße vorbereitete Maßnahme ein Ausgeben eines Signals und/oder einer Service-Warnung.
  • Ein Vorteil ist, dass überflüssige Service-Einsätze zum Auswechseln des Schützes vermieden werden können.
  • Ebenfalls bevorzugt ist es, dass die erfindungsgemäße vorbereitete Maßnahme ein Verhindern eines erneuten Einschaltens des Schützes ist.
  • Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass nur Schütze mit garantierter Trennfähigkeit verwendet werden und somit die erlangte Sicherheit steigt.
  • Ferner ist bevorzugt, dass das Schütz elektrisch und mechanisch mit einer Lithium-Ionen-Batterie verbunden ist.
  • Vorteilhaft daran ist eine hohe Synergie infolge hoher Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien und erfindungsgemäß verbesserter Sicherheit.
  • Auch ist es möglich, dass das Schütz elektrisch und mechanisch mit einem Kraftfahrzeug verbunden ist.
  • Ein dadurch erreichter Vorteil ist die Möglichkeit, einen Kraftfahrzeugantrieb durch das erfindungsgemäße Schütz abzusichern.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verringert sich der Isolationswiderstand, da beim Schließen und/oder Trennen der Kontaktbrücke vom Terminal ein Lichtbogen zwischen der Kontaktbrücke und dem Terminal entsteht, woraufhin leitendes Material verdampft und sich dieses Material an der Wand des Schützes niederschlägt.
  • Ein Vorteil ist die erfindungsgemäße Möglichkeit, das Fortschreiten einer Alterung beziehungsweise Verschlechterung des Schützes infolge eines Metall-Niederschlags regelmäßig registrieren zu können.
  • Ebenfalls ist es möglich, dass ein gemessener Wert des Isolationswiderstandes zu mehreren Zeitpunkten erfasst wird und die erfassten Werte des Isolationswiderstandes miteinander rechnerisch in Beziehung gesetzt werden.
  • Als resultierender Vorteil ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, einen Verlauf zu interpolieren, um den gegenwärtigen und/oder zukünftigen Zustand des Schützes noch genauer bestimmen zu können.
  • In einer besonders bevorzugten Variante wird ein gemeinsamer Isolationswiderstand bei zwei Schützen mit elektrisch getrennten Kontaktbrücken bestimmt durch Vergleichen einer Speisespannung mit einer gemessenen Spannung, wobei die Speisespannung und die gemessene Spannung zueinander elektrisch in Serie liegen und ebenfalls zum gemeinsamen Isolationswiderstand in Serie liegen und die gemessene Spannung über einem Messwiderstand anliegt, welcher in Serie zu beiden Schützen und der Speisespannung liegt.
  • Der vorgenannte gemeinsame Isolationswiderstand besteht aus zwei Isolationswiderständen, da jedes der beiden Schütze einen Isolationswiderstand aufweist. Somit ist der gemeinsame Isolationswiderstand die elektrische Serienschaltung dieser zwei Isolationswiderstände, wobei die beiden Isolationswiderstände nicht unmittelbar miteinander verbunden sind, sondern vorzugsweise einerseits die Speisespannung zwischen den beiden Isolationswiderständen und in der betreffenden Masche in Serie liegt und andererseits der Messwiderstand zwischen den beiden Isolationswiderständen und in derselben Masche in Serie liegt.
  • Der Vorteil einer Messung mit zwei Schützen in Serienschaltung und einem Messwiderstand ist die Einfachheit des Aufbaus.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, welche mehrere Lithium-Ionen-Zellen und zwei Schaltschütze mit jeweils zwei Anschluss-Terminals umfasst, wobei ein Batteriesteuergerät mit jedem Terminal der Schütze verbunden ist, das jeweils erste Terminal des Schützes elektrisch verbunden ist mit jeweils einer Lithium-Ionen-Zelle und das jeweils zweite Terminal des Schützes elektrisch verbunden ist mit einem Messwiderstand.
  • Ein Vorteil ist die Möglichkeit, die Vorteile der erfindungsgemäßen Alterungsbestimmung von Schützen in eine Batterie zu integrieren.
  • Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit den vorgenannten Merkmalen, wobei das Kraftfahrzeug mit der Batterie elektrisch und mechanisch verbunden ist.
  • Als Vorteil erweist sich die dadurch erzielte Sicherheit beim Betrieb des Fahrzeuges.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Batterie mit zwei durch ein Batteriesteuergerät überwachten Schaltschützen, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Schaltschützes gemäß dem Stand der Technik.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung einer bevorzugten Ausführungsvariante eine erfindungsgemäße Batterie mit zwei durch ein Batteriesteuergerät überwachten Schaltschützen 100 und 110. Galvanische Elemente, bevorzugt Lithium-Ionen-Zellen 106, sind elektrisch parallel und seriell geschaltet, um eine möglichst große bestimmte Batteriespannung und einen möglichst großen bestimmten Batteriestrom zu ermöglichen.
  • Durch wiederholte Serien- und Parallelschaltung elektrisch verbundener Lithium-Ionen-Zellen 106 wird ein Batteriemodul gebildet, welches eine hohe elektrische Spannung bereitstellt und einen großen elektrischen Strom liefern kann. Jedes Batteriemodul weist vorzugsweise zwei elektrische Pole auf, um mit vorzugsweise einem Verbraucher elektrisch verbunden werden zu können. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsvariante sind die Pole des Batteriemoduls mit jeweils einem Hochleistungs-Schaltschütz 100 und 110 verbunden, damit wiederum jedes Schütz 100, 110 einen Strom und insbesondere eine für den Menschen gefährlich hohe Spannung durch elektrisches Abschalten mittels der Schütze 100, 110 verhindern kann.
  • Jeweils eine Kontaktbrücke 101 wird beim Abschalten der Schütze 100, 110 von jeweils mindestens einem Anschluss-Terminal 102 der Schütze 100, 110 elektrisch und mechanisch getrennt. Der elektrische Widerstand, welchen ein geöffnetes Schütz 100, 110 aufweist, wird im Sinne der Erfindung als Isolationswiderstand bezeichnet.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt eine Bestimmung des Isolationswiderstands mittels eines Batteriesteuergerätes BCU, welches jeweils mit beiden Kontakten 102 der beiden Schütze 100, 110 verbunden ist. Ein elektrischer Ausgang 104 der erfindungsgemäßen Batterie weist einen Minus- und einen Pluspol auf.
  • Durch die erfindungsgemäße Bestimmung der Schützalterung kann ein Zustand der Schütze 100, 110 genauer bestimmt werden. Durch eine Bestimmung von charakteristischen Größen für die Alterung der Schütze 100, 110 kann der genaue Zustand der Schütze 100, 110 bestimmt werden. Somit werden überflüssige Serviceaufenthalte oder Schützwechsel vermieden und ein Überschreiten der Verschleißgrenze rechtzeitig detektiert.
  • Beim Trennen von hohen Strömen entsteht ein Lichtbogen zwischen der Kontaktbrücke 101 und dem Terminal 102 des Schützes 100, 110. Das Material der Kontaktpartner umfasst vorzugsweise Silber, Platin, Palladium, Iridium, Gold, Wolfram, Nickel, Cadmium oder Kupfer. Durch den Lichtbogen verdampft das Metall an der Kontaktoberfläche und schlägt sich an der Wand einer Kammer des Schützes 100, 110 nieder. Je höher der Strom war, der getrennt wurde und je höher die Alterung des Schützes 100, 110, um so größer der Lichtbogen und um so mehr leitendes Metall schlägt sich an der Innenwand des Schützes 100, 110 nieder. Dies hat zur Folge, dass der Isolationswiderstand zwischen dem positiven und dem negativen Terminal abnimmt. Durch die Messung des Isolationswiderstandes kann ein Rückschluss auf den Zustand der Kontaktoberflächen gezogen werden. Somit kann kurz vor dem Überschreiten eines Grenzwertes (Abnahme des Isolationswiderstandes) eine Servicewarnung im vorzugsweisen Fahrzeug ausgegeben werden. Beim Unterschreiten eines Grenzwertes kann das Zuschalten des Schützes 100, 110 durch das Batteriesteuergerät BCU gesperrt werden, da in diesem Fall nicht mehr sichergestellt werden kann, dass das Schütz 100, 110 den im Datenblatt angegebenen Maximalstrom trennen kann, um somit einen Totalausfall und eine gegebenenfalls einhergehende Zerstörung des Schützes 100, 110 zu vermeiden.
  • Erfindungsgemäß wird eine Spannungsquelle eingesetzt, die nach dem (elektrischen) Öffnen des Schützes 100, 110 eine Messspannung über die Kontakte 102 des zu diagnostizierenden Schützes 100, 110 legt. In analoger Weise kann auch eine deutlich höhere Spannung eingesetzt werden. Das zu diagnostizierende Schütz 100, 110 wird damit beaufschlagt und der Leckstrom/Isolationswiderstand wird möglichst exakt bestimmt. Durch Vergleichsmessungen und Beobachtung der Isolationswiderstandsänderung kann eine genaue Aussage über den Zustand des Schützes 100, 110 getroffen werden.
  • Zusätzlich kann der Isolationswiderstand abgeschätzt werden, indem bei (elektrisch) offenen Schützen 100, 110 die linksseitige Spannung mit der packseitigen Spannung verglichen wird, während linksseitig (zum Beispiel beim Fahrzeuginverter) ein Widerstand zwischen einem positiven Hochvolt- und einem negativen Hochvolt-Anschluss der Batterie geschaltet wird. Hierbei kann jedoch nur auf die Alterung beider Schütze 100, 110 zusammen geschlossen werden. Ein Rückschluss auf den Isolationswiderstand jedes einzelnen Schützes 100, 110 ist möglich durch wechselseitiges Zuschalten der Schütze 100, 110 und Vergleich der jeweiligen Isolationswiderstände.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Schaltschütz gemäß dem Stand der Technik, wobei zwei elektrische Anschlussterminals 200 durch eine Kontaktbrücke 220 elektrisch verbunden werden können, während ein Lichtbogen 210 auftreten kann beim Ein- oder Ausschalten des Schützes.

Claims (10)

  1. Verfahren für eine verschleißabhängige Schützalterungsdiagnose mit mindestens einem Schaltschütz (100, 110), wobei das Schütz (100, 110) eine elektrische Kontaktbrücke (101) und zwei elektrische Anschluss-Terminals (102) aufweist, mit folgenden Schritten: (i) Trennen der Kontaktbrücke (101) von mindestens einem Terminal (102) des Schützes (100, 110); (ii) Messen eines Isolationswiderstands zwischen beiden Terminals (102) bei geöffneter Kontaktbrücke (101); und (iii) Aktivieren mindestens einer vorbereiteten Maßnahme, wenn der Isolationswiderstand einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine vorbereitete Maßnahme ein Ausgeben eines Signals und/oder einer Service-Warnung ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vorbereitete Maßnahme ein Verhindern eines erneuten Einschaltens des Schützes (100, 110) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schütz (100, 110) elektrisch und mechanisch mit einer Lithium-Ionen-Batterie verbunden ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schütz (100, 110) elektrisch und mechanisch mit einem Kraftfahrzeug verbunden ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schließen und/oder Trennen der Kontaktbrücke (101) vom Terminal (102) ein Lichtbogen (210) zwischen der Kontaktbrücke (101) und dem Terminal (102) entsteht, woraufhin leitendes Material verdampft und sich dieses Material an der Wand des Schützes (100, 110) niederschlägt, woraufhin sich der Isolationswiderstand verringert.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein gemessener Wert des Isolationswiderstands zu mehreren Zeitpunkten erfasst wird und die erfassten Werte des Isolationswiderstands miteinander rechnerisch in Beziehung gesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein gemeinsamer Isolationswiderstand bei zwei Schützen (100, 110) mit elektrisch getrennten Kontaktbrücken (101) bestimmt wird durch Vergleichen einer Speisespannung mit einer gemessenen Spannung, wobei die Speisespannung und die gemessene Spannung zueinander elektrisch in Serie liegen und ebenfalls zum gemeinsamen Isolationswiderstand in Serie liegen und die gemessene Spannung über einem Messwiderstand anliegt, welcher in Serie zu beiden Schützen und der Speisespannung liegt.
  9. Batterie, umfassend: (a) mehrere Lithium-Ionen-Zellen; und (b) zwei Schaltschütze (100, 110) mit jeweils zwei Anschluss-Terminals (102), dadurch gekennzeichnet, dass (c) ein Batteriesteuergerät (BCU) mit jedem Terminal (102) der Schütze (100, 110) verbunden ist; (d) das jeweils erste Terminal (102) des Schützes (100, 110) elektrisch verbunden ist mit jeweils einer Lithium-Ionen-Zelle; und (e) das jeweils zweite Terminal (102) des Schützes (100, 110) elektrisch verbunden ist mit einem Messwiderstand.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 9, wobei das Kraftfahrzeug mit der Batterie elektrisch und mechanisch verbunden ist.
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