DE102013219243B4

DE102013219243B4 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements, insbesondere eines Leistungsschützes

Info

Publication number: DE102013219243B4
Application number: DE102013219243.6A
Authority: DE
Inventors: Dylan Probst; Gergely Galamb; Jan Salziger; Joshua Anzicek
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: US10101394B2; US20160231381A1; DE102013219243A1; JP6185658B2; CN105580055B; WO2015043941A1; JP2016535564A; CN105580055A

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements (6), das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, wobei für das elektronische Unterbrechungselement (6) eine Referenzzahl N_mech bekannt ist, die eine Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt, mit den folgenden Schritten:
a) Initialisieren eines Alterungszählers N_wear,
b) Bestimmen des Betrags I eines Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement (6) fließt,
c) Ermitteln des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) durch eine Division der Referenzzahl N_mech durch eine Zahl N_break(I), die eine stromabhängige Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt,
d) Auffrischen des Alterungszählers N_wear unter Verwendung des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements, das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen.
Gegenstand der Erfindung sind außerdem ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem, welche insbesondere zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet sind.
Die DE 10 2008 018 709 B4 zeigt ein Verfahren zur Speicherung und zum Auslesen der Anzahl von Schaltzyklen elektromagnetischer Schaltgeräte. Dabei wird eine Gesamtanzahl von Schaltzyklen ausgelesen und von einer Entscheideeinheit geprüft, ob die Gesamtanzahl der Schaltzyklen größer ist als ein gerätespezifischer Parameter oder ein Übergabewert.
Die EP 1 649 573 B1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines eine Auslastung von elektrischen Primärkomponenten eines elektrischen Energieverteilungsnetzes angebenden Auslastungskennwertes vorgeschlagen, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: Aufnehmen von einen Betriebszustand der Primärkomponente beschreibenden Beschreibungswerten insbesondere Messwerten einer Primärmessgröße, mittels eines Sensors, der mit einem Funktionen zur Automatisierung des Energieverteilungsnetzes ausführenden Feldgerät verbunden ist, Bestimmen einer Gesamtsumme der Beschreibungswerte über die Dauer mindestens eines vorgegebenen Zeitintervalls unter Bildung eines Auslastungs-Zwischenwertes und Erzeugen des Auslastungs-Kennwertes in Abhängigkeit von der Größe des Auslastungs-Zwischenwertes im Vergleich zu einem vorgebbaren Auslastungs-Grenzwert.
Die EP 0 147 592 A1 zeigt eine Anordnung zur Beeinflussung eines Schaltgeräts, vorzugsweise eines fernbetätigten Schaltgeräts, mit einer oder mehreren Erfassungseinrichtungen, die den Gerätezustand, insbesondere die Schaltkapazität, wiedergeben. Die Sensoren sind über eine Verarbeitungsstufe mit dem Schalterantrieb des Schalters in Wirkverbindung gebracht. Die Stromsensoren können zusammen mit der Zählvorrichtung ein Maß für die Beanspruchung des Schaltgeräts wiedergeben und hiermit den Antrieb des Gerätes sperren. Die Erfassungseinrichtung kann den Isolationszustand der Löschkammer sowie die Temperaturverteilung am Schaltgerät und den Anschlussleitungen erfassen.
Die WO 2013/007 429 A2 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters, insbesondere Pulswechselrichters, wobei der Wechselrichter mehrere Phasensysteme mit jeweils einem Außenleiter aufweist und das Betreiben anhand wenigstens eines Betriebsparameters erfolgt. Dabei ist vorgesehen, dass für wenigstens eines der Phasensysteme ein Phasenstromgradient des in dem Phasensystem fließenden Stroms ermittelt, bei Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Phasenstromgradient oder durch eine von diesem abgeleitete Größe der Zählerstand eines Zählers inkrementiert und der Zählerstand zum Bestimmen des Betriebsparameters verwendet wird. Die Druckschrift betrifft weiterhin einen Wechselrichter und ein Steuergerät zum Betreiben des Wechselrichters.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements, das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, mit den folgenden Schritten:

a) Initialisieren eines Alterungszählers N_wear,
b) Bestimmen des Betrags I eines Stroms, der beim Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement fließt
c) Bestimmen eines stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) aus dem Betrag I des Stroms,
d) Auffrischen des Alterungszählers N_wear unter Verwendung des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I).

Ein einfaches Zählen der Schaltzyklen kann die tatsächliche Alterung des elektronischen Unterbrechungselements, wie Lastschaltern, Relais oder Schützen nicht abbilden. Bei der vorliegenden Erfindung wird nicht einfach die Anzahl der Schaltzyklen gezählt, sondern die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements durch Einschaltvorgänge genau nachgebildet. Die Schritte b) bis d) werden daher bevorzugt bei jeder Öffnung des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement durchgeführt.
Das Verfahren eignet sich besonders bei elektronischen Unterbrechungselementen, die in Stromkreisen eingesetzt werden, bei denen beim Öffnen des elektronischen Unterbrechungselements üblicherweise ein Strom fließt. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass in einem Fall, wenn während des Öffnens des elektronischen Unterbrechungselements ein Strom fließt, die Kontakte stärker belastet werden als durch die mechanische Belastung alleine, was zu einem verfrühten Ausfall des elektronischen Unterbrechungselements und damit zu erheblichen Sicherheitsproblemen führen kann. Für die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements ist maßgeblich der Strom über die Kontakte verantwortlich, und damit in erster Linie der Strom beim Öffnen des elektronischen Unterbrechungselements. Je weiter die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements vorangeschritten ist, umso wahrscheinlicher ist ein teilweises oder völliges Versagen des elektronischen Unterbrechungselements. Ein Versagen des elektronischen Unterbrechungselements kann sich beispielsweise so ausgestalten, dass die Kontakte verkleben, d. h. dass es bei einer Öffnung geschlossen bleibt, obwohl das elektronische Unterbrechungselement die Kontakte öffnen sollte. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass das elektronische Unterbrechungselement zu jeder Zeit den Stromkreis öffnen kann, wodurch kritische Situationen vermieden werden.
Das Auffrischen des Alterungszählers N_wear kann auch als ein Update bezeichnet werden. Nach einer Ausführungsform wird bei jeder Öffnung der ermittelte Alterungswert N_wear(I) zu dem Alterungszähler N_wear addiert. Der Alterungszähler N_wear bildet somit eine Art Beitragskonto für die Abnutzung des Unterbrechungselements. Anstelle einer einfachen Addition der Alterungswerte N_wear(I) zu dem Alterungszähler N_wear kann auch eine Zeitkomponente Berücksichtigung finden, beispielsweise kann vorgesehen sein, dass im Laufe der Zeit die Alterungswerte N_wear(I) stärker ins Gewicht fallen als zu Beginn. Der funktionale Zusammenhang bei der Berücksichtigung der Zeitkomponente kann dabei einer Treppenfunktion folgen, aber auch linear, polynomial oder exponentiell sein.
Eine Hauptanwendung des Verfahrens besteht bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, bei welchen eine erste Komponente, wie etwa ein Batteriepack, durch Leistungsschütze mit den weiteren Komponenten wie einem Antrieb, einem Zusatzgenerator, einem Ladestecker usw. verbunden sind. Die weiteren Komponenten werden über eine Einrichtung gespeist, die aus der Batteriespannung einer ein- oder mehrphasige Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung erzeugt. Den Stromkreis zu öffnen bedeutet, die elektronischen Komponenten voneinander zu trennen. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass das elektronische Unterbrechungselement zu jeder Zeit die Komponenten sicher voneinander trennen kann, wodurch kritische Situationen vermieden werden. Das Verfahren berücksichtigt die tatsächliche Belastung, die bei unterschiedlichen Strömen beim Ausschalten auf das Unterbrechungselement wirkt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist für das elektronische Unterbrechungselement eine Referenzzahl N_mech bekannt, die eine Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements angibt. Die Referenzzahl N_mech kann von Herstellern des elektronischen Unterbrechungselements bereitgestellt sein und gibt eine Lebensdauer für das elektronische Unterbrechungselement an. Die Referenzzahl N_mech ist beispielsweise Datenblättern von elektronischen Unterbrechungselementen entnehmbar. Besonders vorteilhaft ist, wenn der stromabhängige Alterungswert N_wear(I) durch Division der Referenzzahl N_mech durch eine Zahl N_break(I) bestimmt wird, die für einen definierten Strom im Stromkreis eine Anzahl von sicher möglichen Öffnungen angibt. Die Werte von N_break(I) können beispielsweise in Form einer berechenbaren funktionalen Abhängigkeit vorliegen oder in Tabellenform, wobei in Tabelle 1 ein Beispiel hierfür dargestellt ist. N_mech ist in diesem Beispiel 1.000.000. Tabelle 1

I [A] N_brake(I) N_wear(I)

0 1.000.000 1

<= 15 100.000 10

<= 150 10.000 100

<= 300 800 1.250

<= 500 100 10.000

<= 1.000 8 125.000

<= 1.600 2 500.000
In der Tabelle sind beispielhaft sieben Strombereiche angegeben, nämlich ein erster Bereich für eine sogenannte stromlose Öffnung bei 0 A, ein zweiter Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 0 und 15 A, ein dritter Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 15 und 150 A, ein vierter Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 150 und 300 A, ein fünfter Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 300 und 500 A, ein sechster Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 500 und 1.000 A und ein siebter Bereich für Öffnungen bei Strömen zwischen 1.000 und 1.600 A. In der Tabelle sind sowohl die Zahl N_break(I), die für jeden der definierten Strombereiche die Anzahl von sicher möglichen Öffnungen angibt, als auch der stromabhängige Alterungswert N_wear(I) angegeben, welcher sich hier durch Division der Referenzzahl N_mech durch die Zahl N_break(I) bestimmt. N_mech ist in diesem Beispiel auf 1.000.000 Öffnungen festgelegt. Es ist klar, dass anstelle von sieben Bereichen ebenso gut weniger oder mehr Bereiche vorgesehen sein können, und dass deren Anzahl und Grenzen das Ergebnis von Praxistests, Berechnungen und/oder Angaben des Herstellers sein können.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren die folgenden weiteren Schritte auf:

e) Bestimmen des Betrages ΔU einer Spannungsdifferenz, die bei einem Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselement anliegt,
f) Bestimmen eines spannungsabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) aus dem Betrag ΔU der Spannungsdifferenz,
g) Auffrischen des Alterungszählers N_wear unter Verwendung des spannungsabhängigen Alterungswertes N_wear(ΔU).

Das Verfahren eignet sich besonders bei elektronischen Unterbrechungselementen, die in Stromkreisen eingesetzt werden, bei denen beim Schließen des elektronischen Unterbrechungselements eine Spannungsdifferenz über dem elektronischen Unterbrechungselement vorhanden ist. Die Schritte e) bis g) werden bevorzugt bei jeder Schließung des Stromkreises durchgeführt.
Ein physikalischer Vorgang, welcher die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements beim Schließen des Stromkreises unter Spannung verstärkt, ist ein sogenanntes Kontaktprellen beim Schließen. Beim Kontaktprellen wird der Kontakt nicht sofort geschlossen, sondern auf Grund der Elastizität der Materialien federt der Kontakt nach dem Schließen kurzzeitig wieder auf, wobei eine Öffnung unter Stromfluss stattfindet. Es wird erwartet, dass für die Alterung zwar maßgeblich der Strom über den Kontakt verantwortlich ist, welcher beim Öffnen des Schützes zu überwinden ist, dass jedoch auch der zweite Faktor, nämlich der Stromfluss beim Schließen der Kontakte, eine Möglichkeit bildet, die Aussage über die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements genauer zu treffen. Mit den Maßnahmen der Erfindung ist es nun möglich, diese Einflüsse der Schließungen des Unterbrechungselements bei der Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements mitzuzählen.
Ein Hauptanwendungsfall sind Stromkreise, die über einen Kondensator vorgeladen werden. Es wurde erkannt, dass, in dem Fall, dass beim Zuschalten des elektronischen Unterbrechungselements eine Spannungsdifferenz vorhanden ist, auf Grund der Kapazität des Kondensators nach dem Schließen des elektronischen Unterbrechungselements ein Ausgleichsstrom fließt, der aus der zu überbrückenden Spannungsdifferenz des Innenwiderstands des elektronischen Unterbrechungselements bestimmbar ist. Die Ausgleichsströme beim Zuschalten des elektronischen Unterbrechungselements belasten die Kontakte des elektronischen Unterbrechungselements stärker als die mechanischen Belastungen alleine und können für einen verfrühten Ausfall des elektronischen Unterbrechungselements sorgen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist für das elektronische Unterbrechungselement eine Referenzzahl N_mech bekannt, die eine Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements angibt. Die Referenzzahl N_mech gibt herstellerseitig eine Lebensdauer für das elektronische Unterbrechungselement an und ist beispielsweise Datenblättern von elektronischen Unterbrechungselementen, wie Lastschaltern, Relais oder Schützen, entnehmbar. Besonders vorteilhaft ist, wenn der spannungsabhängige Alterungswert N_wear(ΔU) durch Division der Referenzzahl N_mech durch eine Zahl N_make(ΔU) bestimmt wird, die eine spannungsabhängige Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements angibt. Die Werte von N_make(ΔU) können beispielsweise in Form einer berechenbaren funktionalen Abhängigkeit vorliegen oder in Tabellenform, wobei in Tabelle 2 ein Beispiel hierfür dargestellt ist. N_mech ist in diesem Beispiel wiederum 1.000.000. Tabelle 2

ΔU [V] N_make(ΔU) N_wear(ΔU)

0 1.000.000 0

> 5 100.000 10

> 10 10.000 100

> 100 1.000 1.000

> 400 100 10.000
Für die beim Schließen zu überbrückende Spannung sind hier beispielhaft fünf Bereiche angegeben, wobei ein erster Bereich bei spannungslosem oder nahezu spannungslosem Schließen zwischen 0 V und 5 V, ein zweiter Bereich für das Schließen zwischen 5 V und über 10 V, ein dritter Bereich für das Schließen zwischen 10 V und 100 V und ein vierter Bereich für das Schließen zwischen 100 V und 400 V definiert werden. In den weiteren Spalten der Tabelle ist die Anzahl der sicher möglichen Schließungen N_make(ΔU) angegeben und der spannungsabhängige Alterungswert N_wear(ΔU), welcher bei jeder Schließung zu dem Alterungszähler N_wear addiert wird. Es ist klar, dass anstelle von fünf Bereichen ebenso gut weniger oder mehr Bereiche vorgesehen sein können, und dass deren Anzahl und Grenzen das Ergebnis von Praxistests, Berechnungen und/oder Angaben des Herstellers sein können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Ermittlung der Zahl N_make(ΔU) eine Kapazität eines Kondensators und/oder eine Größe des Widerstand im Stromkreis berücksichtigt. So ist die Belastung eines Unterbrechungselements bei großem Kondensator, beispielsweise bei Kondensatoren mit mehr als 100 μF, mehr als 500 μF oder mehr als 1 mF und geringem Widerstand deutlich größer, da hohe Ausgleichsströme fließen, beispielsweise kurzzeitige Ströme von einigen hundert Ampere. Durch das Wissen um den tatsächlichen Strom im Moment des Öffnens, die Differenz der Spannungen vor dem Schließen des elektronischen Unterbrechungselements und der Kapazität des Kondensators, und damit die Größe des zu erwartenden Ausgleichsstroms, kann die Alterung des elektronischen Unterbrechungselements für jeden einzelnen Schaltzyklus berechnet werden.
Besonders vorteilhaft ist, eine Lebensdauergrenze N_EOL des elektronischen Unterbrechungselements zu ermitteln, die so definiert ist, dass zum Zeitpunkt des Erreichens der Lebensdauergrenze das elektronische Unterbrechungselement in der Lage ist, den Stromkreis bei einem gewünschten Strom noch sicher zu öffnen. Die Lebensdauergrenze N_EOL wird beispielsweise durch Subtraktion des Alterungswerts N_break(I_EOLmax), der bei der finalen Öffnung bei einem definierten Stromwert I_EOLmax entstehen wird, von der Referenzzahl N_mech, die die herstellerseitige Lebensdauer für das elektronische Unterbrechungselement angibt, bestimmt. Vorteilhaft wird hierdurch sichergestellt, dass das elektronische Unterbrechungselement nicht vorzeitig ausgetauscht wird und dass es nur solange verwendet wird, solange es in der Lage ist, die betreffende Komponente sicher zu trennen.
Das Verfahren erlaubt jederzeit einzuschätzen, dass das elektronische Unterbrechungselement auf Grund vorhergehender Schaltspiele in der Lage sein wird, nach dem Zuschalten der Komponente, diese wieder sicher zu trennen. Der Begriff ”sicher” bedeutet hier und generell im Rahmen der Erfindung, dass durch Testreihen, Prüfsiegel oder Ähnliches das Verhalten der Komponente erwartbar ist und/oder dass ein Einsatz der Komponente in den angegebenen Grenzen gesetzlich erlaubt ist. Fällt die Entscheidung negativ aus, so kann eine steuernde Software oder beispielsweise ein Batteriemanagementsystem entscheiden, dass die Komponente gar nicht erst zugeschaltet wird.
Bevorzugt wird in dem Moment, wenn der Alterungszähler N_wear die Lebensdauergrenze N_EOL des elektronischen Unterbrechungselements erreicht oder überschreitet, eine Aktion ausgelöst. Die Aktion kann beispielsweise eine Fehlermeldung, im Falle eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs eine Anzeige an den Fahrer oder auch die Ausschaltung der betroffenen Komponente bzw. eine Verhinderung eines Fahrzeugstarts umfassen. Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug in einem sogenannten Limp-Home-Modus versetzt wird, in dem beispielsweise die Motordrehzahl begrenzt wird oder es wird bei einem Hybridfahrzeug auf reinen Verbrennungsmotorbetrieb umgestellt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das elektronische Unterbrechungselement lediglich im betriebsfähigen Zustand eingesetzt wird.
Das elektronische Unterbrechungselement ist beispielsweise ein Lastschalter, ein Relais oder ein Transistor, bevorzugt ein Leistungsschütz, das insbesondere für eine Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs einsetzbar ist. Besonders vorteilhaft wird das Verfahren bei elektronischen Unterbrechungselementen eingesetzt, die für einen Einsatz bei hohen Strömen, insbesondere bei Strömen größer als 10 A, 20 A oder 50 A ausgelegt sind. In diesen Fällen ist die stromabhängige Abnutzung des Unterbrechungselements besonders zu berücksichtigen. Ein Einsatz des Verfahrens ist besonders bei Batterien geeignet, die in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Die Anforderungen an diese Batterien umfassen beispielsweise, dass sie zwischen 50 und 600 V Spannung liefern sollten. Beispiele von geeigneten Batterietypen umfassen alle Typen von Lithium-Ionen-Batterien. Die Begriffe ”Batterie” und ”Batteriesystem” werden in der vorliegenden Beschreibung dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator bzw. Akkumulatorsystem verwendet.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, gemäß dem eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zur Implementierung einer Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements und/oder eines Batteriemanagementsystems in einem Fahrzeug handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium oder in Zuordnung zu einer Computereinrichtung oder auf einer entfernbaren CD-Rom, DVD oder einem USB-Stick. Zusätzlich oder alternativ kann das Computerprogramm auf einer Computereinrichtung wie etwa auf einem Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, z. B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie etwa eine Telefonleitung oder eine drahtlose Verbindung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements, das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, eine Einrichtung zum Ermitteln des Betrags I eines Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement fließt, eine Einrichtung zum Bestimmen eines stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) aus dem Betrag I des Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement fließt und eine Einrichtung zur Akkumulierung der ermittelten stromabhängigen Alterungswerte N_wear(I).
Nach einer Ausführungsform weist die Einrichtung zur Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements eine Einrichtung auf, die den Stromfluss auch dann ermitteln kann, wenn der Strom außerhalb des Messbereichs für den eingebauten Stromsensor liegt. Das kann derart geschehen, dass eine Einrichtung zur Ermittlung der Spannung einer Spannungsquelle, vorgesehen ist, und die Einrichtung eingerichtet ist, den Betrag I des Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement fließt, aus der Spannung über der Spannungsquelle und dem bekannten oder geschätzten Innenwiderstand der Spannungsquelle zu ermitteln. Vorzugsweise entspricht die Spannungsquelle dem Batteriesystem. Im Falle der Überschreitung des Messbereichs wird aus dem bekannten Innenwiderstand des Batteriesystems und der Spannung am Batteriesystem ein (Kurzschluss-)Strom berechnet.
Nach einer Ausführungsform weist die Einrichtung zur Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements eine Einrichtung zum Ermitteln des Betrags ΔU einer Spannung auf, die bei einem Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselement anliegt und eine Einrichtung zum Bestimmen eines spannungsabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) aus dem Betrag ΔU der Spannung, der bei einem Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselement anliegt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Batteriemanagement eine derartige Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements und/oder ist eingerichtet, eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen. Das Batteriemanagement kann außerdem dazu eingerichtet sein, den Batteriestrom und die Spannung einzelner Batteriezellen, einzelner Module oder der gesamten Batterie, sowie deren Temperatur zu ermitteln, sowie auch dazu eingerichtet sein, daraus den Ladezustand der Batteriezellen (SOC, State of Charge) den Schädigungszustand der Batteriezellen (SOH, State of Health) und die zulässige Batterieleistung zu ermitteln. Bei Überlastung, bei Verlassen des SOC-Fensters oder bei Übertemperatur kann das Batteriemanagementsystem eingerichtet sein, die Batteriezellen durch Abschalten des Systems oder durch Ausgabe einer Abschaltanweisung zu schützen. Es gibt Systemkonfigurationen, bei denen das Batteriemanagementsystem bei gefährlichen Zuständen die Batteriezellen über Schütze vom restlichen Bordnetz trennen kann, aber auch weitere Konfigurationen, bei denen das Batteriemanagementsystem nur Leistungsgrenzen ausgibt, während ein anderes Steuergerät über die Schaltung entscheiden muss.
Vorteile der Erfindung
Es wurde erkannt, dass in dem Fall, dass während des Öffnens des elektronischen Unterbrechungselements ein Strom fließt, die Kontakte stärker belastet werden als bei einer stromlosen Öffnung alleine durch die mechanische Belastung, was zu einem verfrühten Ausfall des elektronischen Unterbrechungselements und damit zu erheblichen Sicherheitsproblemen in dem Stromkreis führen kann. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass das elektronische Unterbrechungselement nur dann zugeschaltet werden kann, wenn es den Stromkreis auch wieder sicher öffnen kann, wodurch kritische Situationen vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Stromkreis mit einem elektronischen Unterbrechungselement,
2 einen Stromkreis mit zwei elektronischen Unterbrechungselementen und
3 und 4 Diagramme, die die Anzahl sicher möglicher Öffnungen, bzw. Schließungen in Abhängigkeit von Strom und Spannung angeben.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Stromkreis 1 mit einem elektronischen Unterbrechungselement 6 dargestellt, das eingerichtet ist, eine Spannungsquelle 15, beispielsweise eine Batterie, von einer elektrischen Komponente 4 zu trennen. 1 zeigt eine Einrichtung 7 zum Ermitteln des Stroms, der beim Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement 6 fließt, welche an eine Einrichtung 8 zum Bestimmen eines stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) aus dem Betrag des Stroms, der beim Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement 6 fließt, gekoppelt ist. Die Einrichtung 8 zum Bestimmen des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) kann beispielsweise eine Komponente eines Batteriemanagementsystems 9 sein. Die Einrichtung 8 zur Bestimmung des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) ist mit einer Einrichtung 12 zum Auffrischen eines Alterungszählers N_wear verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Komponente des Batteriemanagementsystems 9 ist.
Weiterhin weist die Einrichtung zur Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements 6 eine Einrichtung 13 zur Ermittlung einer Lebensdauergrenze N_EOL des elektronischen Unterbrechungselements 6 auf. Die Einrichtung 13 zur Ermittlung der Lebensdauergrenze N_EOL des elektronischen Unterbrechungselements 6 ist eingerichtet, durch Subtraktion eines Alterungswerts N_break(I_EOLmax) von einer Referenzzahl N_mech die Lebensdauer für das elektronische Unterbrechungselement 6 so anzugeben, dass eine finale Öffnung bei einem definierten Stromwert I_EOLmax durchführbar ist. Eine weitere Einrichtung 14, die von der Einrichtung 13 zur Ermittlung der Lebensdauergrenze N_EOL und von der Einrichtung 12 zum Auffrischen eines Alterungszählers N_wear Daten und/oder Messwerte empfängt, ist eingerichtet, eine Aktion auszulösen, wenn der Alterungszähler N_wear die Lebensdauergrenze N_EOL überschreitet. Die Aktion kann beispielsweise ein Absetzen einer Fehlermeldung, eine Anzeige an den Fahrer eines Fahrzeugs, eine Ausschaltung der betroffenen Komponente bzw. eine Verhinderung eines Fahrzeugstarts oder einen Limp-Home-Betriebszustand des Fahrzeugs umfassen.
1 zeigt außerdem eine Einrichtung 16 zur Ermittlung einer Spannung über der Spannungsquelle 15, die Daten und/oder Messwerte der Einrichtung 8 zur Ermittlung des Stroms bereitstellt. Die Einrichtung 8 ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform eingerichtet, aus dem Spannungsverlauf an der Spannungsquelle 15 den Stromfluss auch dann zu ermitteln, wenn der Strom außerhalb des Messbereichs der Einrichtung 7 zum Ermitteln des Stroms liegt. Im Falle einer Überschreitung des Messbereichs der Einrichtung 7 berechnet die Einrichtung 8 aus dem bekannten Innenwiderstand des Batteriesystems und der Spannung über der Spannungsquelle 15 den Strom.
In 2 ist eine Vorladeschaltung für eine elektrische Komponente 4 dargestellt. Der Stromkreis 1 weist neben dem in 1 dargestellten ersten Unterbrechungselement 6 ein weiteres elektronisches Unterbrechungselement 2 auf. Die Schaltung umfasst außerdem einen Vorladewiderstand 3 und einen Kondensator 5. Zum Schließen der Verbindung zwischen der Komponente 4 und der Spannungsquelle 15 wird zuerst das Element 2 geschlossen und der Kondensator 5 über den Vorladewiderstand 3 mit einem geringen Strom auf das gleiche Spannungsniveau gebracht. Dann kann das Element 6 die Verbindung niederohmig herstellen. Zum Trennen der Verbindung zwischen der Komponente 4 und der Spannungsquelle 15 reduziert die elektrische Komponente 4 üblicherweise ihre Stromaufnahme auf ein Minimum, woraufhin das elektronische Unterbrechungselement 6 öffnet. Im Betrieb ist es nicht immer möglich, den Kondensator 5 komplett auf die Spannung vorzuladen, bevor das elektronische Unterbrechungselement 6 schließt oder den Strom auf ein Minimum, idealerweise 0 A, zu bringen, bevor das elektronische Unterbrechungselement 6 öffnet.
Daher weist die in 2 dargestellte elektronische Schaltung mit der Einrichtung zur Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements 6 außerdem eine Einrichtung 10 zum Bestimmen des Betrags ΔU einer Spannungsdifferenz auf, die beim Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselements anliegt. Die Einrichtung 10 zum Bestimmen des Betrags ΔU der Spannungsdifferenz ist an eine Einrichtung 11 zum Bestimmen eines spannungsabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) gekoppelt, welcher aus dem Betrag ΔU der Spannungsdifferenz, die beim Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselement anliegt, den spannungsabhängigen Alterungswert N_wear(ΔU) ermittelt. Die Einrichtung 11 zur Bestimmung des spannungsabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) ist mit der Einrichtung 12 zum Auffrischen des Alterungszählers N_wear verbunden und stellt dieser Daten und/oder Messwerte bereit.
Wie in 1 ist wiederum die Einrichtung 7 zum Ermitteln des Stroms, der beim Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement 6 fließt, vorhanden, welche an die Einrichtung 8 zum Bestimmen des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) aus dem Betrag des Stroms, der beim Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement 6 fließt, gekoppelt ist. Die Einrichtung 8 zum Bestimmen des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) kann eine Komponente des Batteriemanagementsystems 9 sein. Die Einrichtung 8 zur Bestimmung des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) ist mit der Einrichtung 12 zum Auffrischen eines Alterungszählers N_wear verbunden, und stellt dieser Daten und/oder Messwerte bereit.
Weiterhin weist die Einrichtung zur Bestimmung der Alterung des elektronischen Unterbrechungselements 6 die Einrichtung 13 zur Ermittlung der Lebensdauergrenze des elektronischen Unterbrechungselements 6 auf, sowie die weitere Einrichtung 14 zur Auslösung der Aktion, wenn der Alterungszähler N_wear die Lebensdauergrenze N_EOL überschreitet.
Die dargestellte Ausführungsform kann wiederum vorteilhaft die mit Bezug zu 1 beschriebene Einrichtung 16 zur Ermittlung der Spannung über der Batterie 15 aufweisen, was nicht mit dargestellt ist. Die Einrichtung 8 ist in derartigen Ausführungsformen wiederum eingerichtet, aus dem Spannungsverlauf am Batteriesystem den Stromfluss zu ermitteln, wenn der Strom außerhalb des Messbereichs der Einrichtung 7 zum Ermitteln des Stroms liegt.
In 3 und 4 sind auf doppellogarithmischem Papier Abhängigkeiten dargestellt, die den in Tabellen 1 und 2 angegebenen Werten entsprechen. Die ausgewählten Datenpunkte sind wiederum beispielhaft zu verstehen. Derartige Diagramme können zur Bereitstellung von funktionalen Abhängigkeiten dienen, indem beispielsweise die angegebenen Punkte geeignet interpoliert werden, beispielsweise stufenförmig oder auch linear. Ein korrekter funktionaler Zusammenhang kann auch das Ergebnis von Testreihen sein. Die angegebenen Datenpunkte können beispielsweise einem Datenblatt eines Leistungsschützes entnommen sein, beispielsweise eines Leistungsschützes, das für eine 400 V HV-Spannung ausgelegt sein soll.
Das Verfahren wird an einem kurzen Rechenbeispiel verdeutlicht, wobei dem Rechenbeispiel das funktionale Verhältnis von N_wear(I) und N_wear(ΔU) gemäß 3 und 4, bzw. Tabellen 1 und 2 zugrunde gelegt werden soll. Wenn das elektronische Unterbrechungselement zum Lebensende beispielsweise bei einem Strom von 1.600 A öffnen soll, bedeutet das laut 3, dass nur zwei Unterbrechungen bei solch hohem Stromfluss sicher möglich sind. Die Referenzzahl N_mech ist im gewählten Beispiel 1.000.000, was in 3 und 4 anhand der Werte bei I = 0 A bzw. ΔU = 0 V ablesen lässt.
Der Quotient aus N_mech und N_break(I_EOLmax) ergibt N_wear(I_EOLmax),
Die Lebensdauer ergibt sich somit als N_EOL = N_mech – N_wear(1.600 A) = 500.000.

Während des Betriebs des elektronischen Unterbrechungselements kann es beispielsweise zu folgenden Ereignissen kommen:

Öffnung 40.000 Mal bei I = 0 A	40.000 × N_wear(0 A) = 40.000
Schließen 40.000 Mal bei ΔU = 0 V	40.000 × N_wear(0 V) = 0
Öffnen 1.000 Mal bei I = 20 A	1.000 × N_wear(20 A) = 100.000
Schließen 1.000 Mal bei ΔU = 5 V	1.000 × N_wear(5V) = 10.000
Öffnen 2 Mal bei I = 500 A	2 × N_wear(500 A) = 250.000
Schließen 10 Mal bei ΔU = 400 V	10 × N_wear(400 V) = 100.000

Summe: N_wear = 500.000.

In dem Rechenbeispiel wurde das Lebensende N_EOL erreicht, sodass eine Aktion ausgeführt wird.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt, vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements (6), das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, wobei für das elektronische Unterbrechungselement (6) eine Referenzzahl N_mech bekannt ist, die eine Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt, mit den folgenden Schritten: a) Initialisieren eines Alterungszählers N_wear, b) Bestimmen des Betrags I eines Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement (6) fließt, c) Ermitteln des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) durch eine Division der Referenzzahl N_mech durch eine Zahl N_break(I), die eine stromabhängige Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt, d) Auffrischen des Alterungszählers N_wear unter Verwendung des stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend die Schritte: e) Bestimmen des Betrages ΔU einer Spannungsdifferenz, die bei einem Schließen des Stromkreises über dem elektronischen Unterbrechungselement (6) anliegt, f) Bestimmen eines spannungsabhängigen Alterungswerts N_wear(ΔU) aus dem Betrag ΔU der Spannungsdifferenz, g) Auffrischen des Alterungszählers N_wear unter Verwendung des spannungsabhängigen Alterungswertes N_wear(ΔU).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das elektronische Unterbrechungselement (6) eine Referenzzahl N_mech bekannt ist, die eine Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt und der spannungsabhängige Alterungswert N_wear(ΔU) durch Division der Referenzzahl N_mech durch eine Zahl N_make(ΔU) bestimmt wird, die eine spannungsabhängige Anzahl von Öffnungen und/oder Schließungen des elektronischen Unterbrechungselements (6) angibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Zahl N_make(ΔU) die Kapazität eines Kondensators (5) und die Größe eines Widerstands (3) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lebensdauergrenze des elektronischen Unterbrechungselements (6) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Moment, wenn der Alterungszähler N_wear die Lebensdauergrenze des elektronischen Unterbrechungselements (6) erreicht oder überschreitet, eine Aktion ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Unterbrechungselement (6) ein Leistungsschütz ist, insbesondere für eine Batterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements (6), das eingerichtet ist, einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen, umfassend eine Einrichtung (3) zum Ermitteln des Betrags I eines Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement (6) fließt, und mit einer Einrichtung (8) zum Bestimmen eines stromabhängigen Alterungswerts N_wear(I) aus dem Betrag I des Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement (6) fließt, und mit einer Einrichtung zur Akkumulierung der ermittelten stromabhängigen Alterungswerte N_wear(I).
Einrichtung nach Anspruch 8 mit einer Einrichtung (16) zur Ermittlung der Spannung einer Spannungsquelle (15), wobei die Einrichtung (8) eingerichtet ist, den Betrag I des Stroms, der bei einem Öffnen des Stromkreises durch das elektronische Unterbrechungselement (6) fließt, aus der Spannung über der Spannungsquelle (15) und dem Innenwiderstand der Spannungsquelle (15) zu ermitteln.
Batteriemanagementsystem (9) mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Alterung eines elektronischen Unterbrechungselements (6) nach Anspruch 8 oder 9 und/oder welches eingerichtet ist, eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 auszuführen.