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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildeten Batterie und einer Schutzschaltung mit mehreren parallel geschalteten Schaltungszweigen, die jeweils eine Sicherung und einen mit der Sicherung in Reihe geschalteten Stromsensor umfassen, und ein Verfahren zum Überwachen des Funktionszustandes einer solchen Schutzschaltung für eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildete Batterie.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen (PKWs) werden Batteriesysteme mit Batterien (Hochvoltbatterien) eingesetzt, die jeweils ein Hochvoltnetz mit einer hohen Spannung (Hochvoltspannung) versorgen können. Deswegen werden die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule solcher Batterien meistens in Reihe geschaltet. Um höhere Ströme zu erzeugen, können die Batteriezellen solcher Batterien strangweise oder auf der Batteriezellebene (Matrixschaltung) elektrisch parallel geschaltet werden, um so hohe elektrische Leistungen bereitstellen zu können. Die Batterien werden dabei über Hochvoltleitungen mit ihren Hochvoltanschlüssen, das heißt, den Anschlüssen, über die die Batterie die Hochvoltspannung an das Hochvoltnetz abgibt, verbunden. Üblicherweise werden in den Hochvoltleitungen sowohl an dem positiven als auch an dem negativen Hochvoltanschluss der Batterie Schütze eingesetzt. Mittels der Schütze kann eine solche Batterie beim Parken oder in einem fehlerhaften Funktionszustand (Fehlerfahl) vom Hochvoltnetz beziehungsweise von dem restlichen Hochvoltsystem des Fahrzeuges getrennt werden.
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Diese in den Hochvoltleitungen eingesetzten Schütze sind jeweils als Magnetschalter mit einer Steuerspule ausgebildet. Der Magnetschalter umfasst dabei eine bewegliche Kontaktbrücke und zwei Terminals. Ein solches Schütz schließt in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule ein Steuerstrom fließt, und öffnet in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule kein Strom fließt. Wenn ein Steuerstrom durch die Steuerspule fließt, wird die Kontaktbrücke mittels magnetischer Kraft zu den Terminals des Magnetschalters hin bewegt und gegen diese Terminals gedrückt. Wenn durch die Steuerspule kein Strom mehr fließt, bewegt sich die Kontaktbrücke unmittelbar in eine gegenüber den Terminals beabstandete Position zurück.
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Wenn mittels eines solchen Schützes Ströme von über 3 bis 10 kA geleitet werden, kommt es zu einer durch eine in einem geschlossenen Schütz vorkommende Lorentzkraft verursachten Abstoßung zwischen den Terminals und der Kontaktbrücke. Ströme von über 3 bis 10 kA können beispielsweise bei Vorliegen eines Kurzschlusses in den Hochvoltleitungen der Batterie beziehungsweise bei Vorliegen eines Kurzschlusses in einem mit der Batterie elektrisch gekoppelten Inverter vorkommen. Dieses Phänomen bezeichnet man als Levitation. Dabei entsteht trotz aktiver, von dem Steuerstrom durchflossener Steuerspule ein kleiner Abstand zwischen den Terminals und der Kontaktbrücke. Über diese Luftstrecke bilden sich Lichtbögen, die die Kontaktoberflächen der Terminals aufschmelzen. Wenn der Kurzschlussstrom danach durch eine mit dem Schütz verbundene Sicherung (Schmelzsicherung) unterbrochen wird, drückt die Kontaktbrücke die zwei aufgeschmolzenen Terminals zusammen. Dabei erstarrt das Material und die Kontaktbrücke kann nach Abschalten des durch die Steuerspule fließenden Steuerstromes nicht mehr geöffnet werden. Diesen Fehler bezeichnet man als Schützkleber. Die zwei Terminals des Schützes sind leitend miteinander verbunden und können nicht getrennt werden.
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Die Zeit, in der das Schütz den Kurzschlussstrom tragen können muss, ohne diesen Effekt zu erleiden, liegt bei einem ideal dimensionierten Schütz immer höher als die Zeit, die eine mit dem Schütz verbundenen Sicherung (Schmelzsicherung) benötigt, um diesen Kurzschlussstrom zu trennen. Wenn ein Schütz so dimensioniert ist, dann verschweißt das Schütz aufgrund dieses Effekts nicht, ist nach dem Trennen des Kurzschlussstroms durch die ausgelöste Sicherung noch schaltbar und kann die Batterie von dem Hochvoltnetz des Fahrzeuges trennen.
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In der 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 10, das eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes 20 eines Fahrzeuges ausgebildete Batterie 11 umfasst. Die Batterie 11 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 15 zum Erzeugen einer für das Hochvoltnetz 20 geeignete Batteriespannung. Diese Batteriezellen 15 können auf der Batteriezellebene auch parallel untereinander verschaltet werden. Diese Einheiten aus parallel geschalteten Batteriezellen 15 können ferner miteinander in Reihe verschaltet werden. Auch können Batteriestränge, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 15 umfassen, parallel untereinander verschaltet werden. Diese Möglichkeiten sind jedoch hier nicht dargestellt. Die Batteriezellen 15 sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Die Batterie 11 ist über Hochvoltleitungen 12, 14 mit ihren Hochvoltanschlüssen 30, 31 verbindbar. Die Hochvoltanschlüsse 30, 31, sind die Anschlüsse über die die Batterie 11 die Hochvoltspannung an das Hochvoltnetz 20 abgeben kann. In jeder der Hochvoltleitungen 12, 14 ist ein Schütz 40 angeordnet. Parallel zu dem in der Hochvoltleitung 12 angeordneten Schütz 40 ist eine Vorladeschaltung 41 geschaltet, die ein mit einem Vorladewiderstand in Reihe verbundenes Vorladeschütz umfasst.
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Mehrere der Batteriezellen 15 werden jeweils von einer Überwachungselektronik 16, die auch als Modulcontroller bezeichnet wird, überwacht. Die Modulcontroller 16 sind üblicherweise jeweils dazu ausgebildet, Spannungsmessungen an den einzelnen zugeordneten Batteriezellen 15 durchzuführen, Batteriezelltemperaturen an geeigneten Stellen zu messen und auch ein Ladeausgleichverfahren (Zell-Ballancing) zwischen den zugeordneten Batteriezellen 15 durchzuführen. Durch ein Ladeausgleichverfahren werden unterschiedliche Ladezustände der Batteriezellen 15 aneinander angeglichen.
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Diese Modulcontroller 16 sind über ein BUS-System, wie beispielsweise ein CAN-Bussystem mit dem Batteriesteuergerät 50 verbunden. Ferner ist ein Stromsensor 60, der beispielsweise gemäß dem Hall- oder Shunt-Prinzip ausgebildet ist, mit dem Batteriesteuergerät 50 verbunden.
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Das Batteriesteuergerät 50 ist dazu ausgebildet, die Schütze 40 und das Vorladeschütz der Vorladeschaltung 41 zu steuern. Ebenfalls ist eine Sicherung (Schmelzsicherung) 70 in dem Hauptstromkreis 17 der Batterie 11 angeordnet, der von einem Hochvoltanschluss 30 über einen Schütz 40, die Batterie 11 und den anderen Schütz 40 zu dem anderen Hochvoltanschluss 31 verläuft. Die Sicherung 70 ist im Hauptstromkreis 17 beispielsweise an einer derartigen Position angeordnet, dass die eine Hälfte der Batteriezellen 15 über die Sicherung 70 mit der anderen Hälfte der Batteriezellen 15 verbunden wird.
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Weitere Signalmessungen, wie beispielsweise Batteriespannungsmessungen (Packspannungsmessungen) oder weitere Temperaturmessungen sind in der 1 nicht dargestellt.
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Ferner ist zwischen den Hochvoltanschlüssen 30, 31 der Batterie 11 ein Verbraucher 21 angeschlossen. An die Hochvoltanschlüsse 30, 31 kann beispielsweise die Leistungselektronik eines elektrischen Antriebs der Fahrzeuges angeschlossen sein. Das Batteriesteuergerät 50 ist weiterhin mit einem Fahrzeugsteuergerät 80 über ein BUS-System, wie beispielsweis ein CAN-Bussystem, verbunden.
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Für Batteriesysteme, die hohe Ströme von beispielsweise mehr als 500 A liefern können, gibt es aktuell auf dem Weltmarkt keine Sicherungen (Schmelzsicherungen), die diese Ströme über die Lebenszeit tragen können. Die zur Zeit größte verfügbare Schmelzsicherung für Anwendungen im Automobilbereich (Automotive Bereich) kann Ströme von etwa 400 A tragen. Zudem sind erhältliche Stromsensoren, das heißt, sowohl solche gemäß dem Hall- als auch solche gemäß dem Shunt-Prinzip ausgebildete Stromsensoren, ebenfalls auf eine maximale Stromstärke begrenzt.
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Ein solches aus dem Stand der Technik bekannte Batteriesystem, das hohe Leistungen und folglich auch hohe Ströme liefern kann, ist in der 2 dargestellt.
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Bei dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 können auf der Hochvoltseite der Batterie 11 beziehungsweise in dem mittels der Batterie 11 versorgten Hochvoltnetz 20, das heißt, zwischen den Hochvoltanschlüssen 30, 31 der Batterie 11, mehrere parallel angeschlossene Verbraucher 22, 25, geschaltet sein. Die Verbraucher 22, 25 können jeweils beispielsweise als Inverter beziehungsweise elektrische Antriebe ausgebildet sein. In der 2 sind nur zwei parallel angeschlossenen Verbraucher 22, 25 dargestellt.
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Da bei dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 die üblichen Betriebsströme zu hoch für eine herkömmliche Schmelzsicherung sind, wird die in der 1 dargestellte Schmelzsicherung 70 entfernt. Dafür wird bei dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 jeder einzelne Verbraucher 22, 25 mit einer eigenen, in einem jeweils zugeordneten Verbraucherpfad (Leistungspfad) 23, 26 angeordneten Sicherung (Schmelzsicherung) 71, 72 abgesichert. Eine einzelne Sicherung, so wie die in der 1 dargestellte Sicherung 70, könnte in diesem Fall schon nach kurzer Einsatzzeit des Batteriesystems 10 in einem Fahrzeug zu Werkstattaufenthalten führen, weil diese Sicherung 70 aufgrund der zu hohen thermischen Belastung frühzeitig versagen würde, die durch den hohen, von dem Batteriesystem 10 aus der 2 gelieferten Strom verursacht wird.
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Bei dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 wird, bedingt durch die von diesem Batteriesystem 10 gelieferten hohen Ströme, der einzelne Stromsensor 60, der bei dem Batteriesystem aus der 1 eingesetzt wurde, durch zwei parallel geschalteten Stromsensoren 61, 62 ersetzt. Die Stromsensoren 61, 62 sind jeweils mit dem Batteriesteuergerät 50 verbunden. Damit wird der Messbereich für den von dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 gelieferten Strom verdoppelt.
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Ein Kurzschluss in einem Verbraucherpfad 23, 24, beispielsweise in dem Verbraucherpfad 23, löst die Sicherung 71 dieses Verbraucherpfades 23 aus.
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Um den anderen Verbraucher 25 und damit auch ein angeschlossenes Hochvoltnetz 20 eines Fahrzeuges spannungsfrei zu schalten, werden danach die beiden Schütze 40 geöffnet.
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Es gibt jedoch noch leistungsfähige Batteriesysteme, die Kurzschlussströme von beispielsweise über 12000 A erzeugen können. Bei solchen Batteriesystemen existiert aber auch immer die Gefahr, dass Levitationen und damit auch Schützkleber in den Schützen auftreten. Wenn solche sehr leistungsfähige Batteriesysteme die in der 2 dargestellte Architektur aufweisen, kann die Batterie 11 beim Vorliegen eines Schützklebers in den Schützen 40 nicht mehr von einem Hochvoltnetz 20 eines Fahrzeuges getrennt werden. Bei dem in der 2 dargestellten Batteriesystem 10 würde ein solcher Fall beispielsweise dann auftreten, wenn in dem Verbraucherpfad 23 des Verbrauchers 22 ein niederohmiger Kurzschluss aufgetreten ist, durch den die Schmelzsicherung 71 durchgebrannt ist. Beide Schütze 40 sind in diesem Fall verklebt. Der andere Verbraucher 25 und somit das Hochvoltnetz 20 am Anschluss dieses Verbrauchers 25 wäre aufgrund der sich im intakten Funktionszustand befindlichen Schmelzsicherung 72 des zugeordneten Verbraucherpfads 26 weiter unter Spannung.
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Aus dem Dokument
US 2005/0077878 ist ein Batteriesystem mit einer Batterie bekannt, die mit einem ihrer Anschlüssen über eine Schutzschaltung verbunden ist, die mehrere untereinander geschalteten selbstrückstellenden Sicherungen umfasst. In dem Hauptstromkreis der Batterie, der von einem Anschluss der Batterie über die Batterie und die Schutzschaltung zu dem anderen Anschluss der Batterie verläuft, kann ein Stromsensor zum Messen des von der Batterie erzeugten Batteriestroms angeordnet sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildeten Batterie bereitgestellt. Dabei ist die Batterie bevorzugt mit mindesten einem ihrer Hochvoltanschlüsse über ein Schütz verbindbar. Das Batteriesystem umfasst eine Schutzschaltung, die mindestens zwei untereinander parallel angeschlossene Schaltungszweige, die jeweils eine Sicherung und einen mit der Sicherung in Reihe geschalteten Stromsensor umfassen, aufweist. Die Schutzschaltung ist in dem Hauptstromkreis der Batterie, der von einem Hochvoltanschluss der Batterie über die Batterie und gegebenenfalls auch über das Schütz zu dem anderen Hochvoltanschluss der Batterie verläuft, angeordnet. Ferner umfasst das Batteriesystem ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, eine den Funktionszustand der Schutzschaltung betreffende Diagnose anhand einer Auswertung der mittels der Stromsensoren gemessenen Stromwerte der durch die Sicherungen der Schutzeinheit fließenden Ströme durchzuführen.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Überwachen des Funktionszustandes einer Schutzschaltung für eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildete Batterie, die bevorzugt mit mindesten einem ihrer Hochvoltanschlüsse über ein Schütz verbunden ist, bereitgestellt. Dabei weist die Schutzschaltung mindestens zwei parallel untereinander angeschlossene Schaltungszweige auf, die jeweils eine Sicherung und einen mit der Sicherung in Reihe geschalteten Stromsensor umfassen. Ferner ist die Schutzschaltung in dem Hauptstromkreis der Batterie, der von einem Hochvoltanschluss der Batterie über die Batterie und gegebenenfalls auch über das Schütz zu dem anderen Hochvoltanschluss der Batterie verläuft, angeordnet. Das Verfahren umfasst den Schritt des Durchführens eines den Funktionszustand der Schutzschaltung betreffende Diagnose anhand einer Auswertung der mittels der Stromsensoren gemessenen Stromwerte der durch die Sicherungen der Schutzeinheit fließenden Ströme.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Durch die Implementierung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung in dem Hauptstromkreis der Batterie können die in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem eingebauten Schütze können kleiner als die zum Teil sehr teuren Schütze, die in den Batteriesystemen gemäß dem Stand der Technik eingesetzt werden, ausgelegt sein. Das bedeutet, dass in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem kleinere und dadurch auch wesentlich preiswertere Schütze eingebaut werden können, da die Anforderung nach der extrem hohen Stromtragfähigkeit der Schütze beim Vorliegen eines Kurzschlusses entfällt.
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Die Schütze des erfindungsgemäßen Batteriesystems dürfen beim Vorliegen eines Kurzschlusses verkleben, da in einem solchen Fall die Sicherungen der erfindungsgemäßen Schutzschaltung durchbrennen. Folglich kann die Batterie im Kurzschlussfall von ihren Hochvoltanschlüssen beziehungsweise von einem an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetz durch die ausgelöste Sicherungen der erfindungsgemäßen Schutzschaltung zuverlässig getrennt werden.
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Die in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem eingesetzten Schütze dienen letztendlich nur noch dem Zu- und Abschalten der Batterie in einem Zustand, in dem durch den Hauptstromkreis der Batterie keine oder nur moderate Überstrome fließen. Neben den schon genannten wirtschaftlichen Vorteilen, sind die in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem einsetzbaren Schütze auch leichter, da die genannten Schütze kleiner ausgelegt werden können.
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Da bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung mit den mehreren parallel geschalteten Schaltungszweigen, die Sicherung eines jeden Schaltungszweiges in Reihe mit einem eigenen Stromsensor geschaltet ist, ist es möglich, die Stromstärke der Ströme, die durch die einzelnen Sicherungen (Schmelzsicherungen) fließen, einzeln zu messen und auszuwerten, um so, in einer sehr einfachen Weise, eine Diagnose der Schutzschaltung beziehungsweise der in der Schutzschaltung angeordneten Sicherungen durchzuführen. Dadurch kann eine Verteilung des Batteriestromes über die Schaltungszweige in einer sehr einfachen Weise bestimmt beziehungsweise überwacht werden.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Steuergerät dazu ausgebildet, die den Funktionszustand der Schutzeinheit betreffende Diagnose während des Betriebes des Batteriesystems durchzuführen. Dadurch ist es möglich, vor allem auch während des Betriebes der erfindungsgemäßen Batteriesystems einen defekten oder nicht optimalen Funktionszustand der Schutzschaltung beziehungsweise der darin verwendeten Sicherungen zu identifizieren.
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Vorzugsweise sind die Schaltungszweige der Schutzschaltung gleich untereinander ausgebildet.
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Bevorzugt wird bei einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung mit gleich ausgebildeten Schaltungszweigen das Vorliegen einer asymmetrischen Verteilung des Batteriestromes über die einzelnen Schaltungszweige anhand einer Auswertung der mittels der Stromsensoren gemessenen Stromwerte der durch die Sicherungen der Schutzschaltung fließenden Ströme detektiert. Dadurch kann ein vorzeitiger Ausfall der einzelnen Sicherungen der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, der durch eine asymmetrische thermische Belastung der einzelnen Sicherungen verursacht wird, ausgeschlossen werden.
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Weiter bevorzugt ist das Steuergerät dazu ausgebildet, die mittels der Stromsensoren gemessenen Stromwerte der durch die Sicherungen einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung mit gleich ausgebildeten Schaltungszweigen fließenden Ströme untereinander zu vergleichen und beim Vorliegen mindestens einer Abweichung zwischen den gemessenen Stromwerten, deren Betrag einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, einen fehlerhaften Funktionszustand der Schutzeinheit zu detektieren.
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Dadurch kann für eine erfindungsgemäße Schutzschaltung mit gleich ausgebildeten Schaltungszweigen das Vorliegen einer symmetrischen Stromverteilung in den einzelnen Schaltungszweigen (Stromsensor-Schmelzsicherungspfaden) in einer sehr einfachen Weise eingehalten werden.
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Die Verwendung einer Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik, die nur mehrere parallel geschaltete Schaltungszweige aufweist, die jeweils eine Sicherung aber keinen in Reihe mit der Sicherung geschalteten Stromsensor aufweisen, ist sehr unvorteilhaft, da sich die Verteilung des Batteriestromes über die einzelnen Schaltungszweige ohne individuelle Stromsensoren nicht messen lässt.
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Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuergerät weiter dazu ausgebildet, beim gleichzeitigen Vorliegen eines mittels eines der Stromsensoren der Schutzschaltung gemessenen Stromwertes, der gleich Null ist, und eines weiteren mittels eines anderen der Stromsensoren der Schutzschaltung gemessenen Stromwertes, der ungleich Null ist, den fehlerhaften Funktionszustand der Schutzschaltung, der beim Vorhandensein einer durchgebrannten Sicherung in dem Schaltungszweig, dessen Stromsensor einen Stromwert von Null gemessen hat, vorkommt, zu detektieren. Vorzugsweise ist das Steuergerät weiter dazu ausgebildet, auch einen Zeitpunkt des Auftretens des fehlerhaften Funktionszustands der Schutzschaltung, der beim Vorhandensein einer durchgebrannten Sicherung in einem Schaltungszweig vorkommt, zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist das Steuergerät das Batteriesteuergerät des Batteriesystems. Bevorzugt ist die Schutzschaltung in dem Hauptstromkreis der Batterie zwischen einem Hochvoltanschluss der Batterie und der Batterie und bevorzugt zwischen dem Schütz und der Batterie angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
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Erfindungsgemäß wird so ein Batteriesystem zum Erzeugen einer hohen elektrischen Leistung bereitgestellt, das unabhängig von dem Funktionszustand und/oder der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Schütze absolut hochvoltsicher ist.
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Bei Vorliegen eines fehlerhaften Zustands eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, in dem ein hoher Strom durch den Hauptstromkreis der Batterie fließt, kann die Batterie dieses Batteriesystems auch beim Vorliegen von verklebten Schützen zuverlässig von ihren Hochvoltanschlüssen und damit auch von einem an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetz getrennt werden. Ein solch hoher Strom in dem Hauptstromkreis der Batterie kann beispielsweise infolge eines durch einen Unfall verursachten Kurzschlusses in dem Hochvoltnetz eines Fahrzeuges auftreten. So können Rettungskräfte an und in Unfallfahrzeugen mit erfindungsgemäßen Batteriesystemen gefahrlos arbeiten, da die Gefahr des Auftretens elektrischer Schläge bei den erfindungsgemäßen Batteriesystemen ausgeschlossen werden kann. Durch die Erfindung wird folglich die Sicherheit eines Batteriesystems mit einer Batterie zum Versorgen eines Hochvoltnetzes drastisch erhöht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem,
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2 ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Batteriesystem, und
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3 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In der 3 ist ein Batteriesystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Das Batteriesystem 10 umfasst eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes 20 eines Fahrzeuges ausgebildete Batterie 11, die mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Batteriezellen 15 zum Erzeugen einer für das Hochvoltnetz 20 geeignete Batteriespannung aufweisen kann. 3 zeigt eine Batterie 11 mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen 15.
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Bevorzugt sind die Batteriezellen 15 Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Batterie 11 ist jeweils über in den Hochvoltleitungen 12, 14 angeordneten Schütze (Hautschütze) 40 mit ihren Hochvoltanschlüssen 30, 31 verbindbar. Parallel zu dem in der Hochvoltleitung 12 angeordneten Schütz 40 ist eine Vorladeschaltung 41 geschaltet, die ein mit einem Vorladewiderstand in Reihe verbundenes Vorladeschütz umfasst.
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Mehrere der Batteriezellen 15 werden jeweils von einem Modulcontroller 16 überwacht. Die Modulcontroller 16 sind üblicherweise jeweils dazu ausgebildet, Spannungsmessungen an den einzelnen zugeordneten Batteriezellen 15 durchzuführen, Batteriezelltemperaturen an geeigneten Stellen zu messen und auch ein Ladeausgleichverfahren (Zell-Ballancing) zwischen den zugeordneten Batteriezellen 15 durchzuführen. Diese Modulcontroller 16 sind über ein BUS-System, wie beispielsweise ein CAN-Bussystem, mit dem Batteriesteuergerät 51 verbunden. Das Batteriesteuergerät 51 ist dazu ausgebildet die Schütze 40 und das Vorladeschütz der Vorladeschaltung 41 zu steuern.
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In dem Hauptstromkreis 17 der Batterie 11, der von einem Hochvoltanschluss 30 über einen Schütz 40, die Batterie 11 und den anderen Schütz 40 zu dem anderen Hochvoltanschluss 31 verläuft, ist eine Schutzschaltung 90 angeordnet. Dabei ist die Schutzschaltung 90 zwischen einem der Schütze 40 und der Batterie 11 angeordnet. Die Schutzschaltung 90 umfasst mindestens zwei untereinander parallel angeschlossenen Schaltungszweige (Stränge) 91, 92. Der Schaltungszweig 91 weist eine Sicherung 93 und einen mit der Sicherung 93 in Reihe geschalteten Stromsensor 94 auf. Der Schaltungszweig 92 weist ferner eine Sicherung 95 und einen mit der Sicherung 95 in Reihe geschalteten Stromsensor 96 auf.
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Die Schutzschaltung 90 kann eine beliebige Anzahl von parallel untereinander geschalteten Schaltungszweigen 91, 92 umfassen, die jeweils eine Sicherung (Schmelzsicherung) 93, 95 und einen mit der entsprechenden Sicherung 93, 95 in Reihe geschalteten Sensorstrom 94, 96 aufweisen. Die Stromsensoren 94, 96 können gemäß dem Hall oder dem Shunt-Prinzip ausgebildet sein. Die Stromsensoren 94, 96 sind jeweils mit dem Batteriesteuergerät 51 verbunden und stellen dem Batteriesteuergerät 51 die von ihnen jeweils gemessenen Stromwerte der durch die entsprechenden Sicherungen 93, 95 fließenden Ströme bereit. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der 3 nur zwei Schaltungszweige 91, 92 der Schutzschaltung 90 eingezeichnet.
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Zwischen den Hochvoltanschlüssen 30, 31 der Batterie 11 sind mehrere untereinander parallel geschaltete Verbraucher 22, 25, die beispielsweise als Inverter beziehungsweise elektrische Antriebe ausgebildet sein können, angeschlossen. In der 3 sind nur zwei parallel angeschlossenen Verbraucher 22, 25 dargestellt. Das Batteriesteuergerät 51 ist weiterhin mit einem Fahrzeug-Steuergerät 80 über ein BUS-System, wie beispielsweis ein CAN-Bussystem, verbunden.
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Wenn das Batteriesystem 10 zum Betreiben eines Fahrzeuges eingesetzt wird und falls es beispielsweise durch einen Fahrzeugunfall zu einem Kurzschluss in dem Verbraucher 22 kommt, dann werden beide Schmelzsicherungen 93, 95 durchbrennen. Dadurch wird der Kurzschlussstrom unterbrochen. In einem solchen Fall sind sowohl der Verbraucher 22 als auch der Verbraucher 25 und somit auch das Fahrzeug an den Stellen der zwei Verbraucher 22, 25 spannungsfrei, obwohl beide Schütze 40 eventuell verklebt sind.
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Bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 ist das Batteriesteuergerät 51 dazu ausgebildet, eine den Funktionszustand der Schutzschaltung 90 betreffende Diagnose anhand einer Auswertung der mittels der Stromsensoren 94, 96 gemessenen Stromwerte der durch die Sicherungen 93, 95 der Schutzschaltung 90 fließenden Ströme durchzuführen.
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Wenn die Widerstände der Schaltungszweige 91, 92 gleich untereinander sind, teilt sich der Batteriestrom, das heißt, der von der Batterie 11 erzeugte Strom, symmetrisch über die Schaltungszweige 91, 92 der Schutzschaltung 90 auf.
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Mittels des Batteriesteuergerätes 51 ist es im normalen Betrieb des Batteriesystems 10 möglich, die durch die Schaltungszweige 91, 92 der Schutzschaltung 90 fließenden Ströme einzeln zu überwachen.
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Das bedeutet, dass durch die Erfindung das Vorliegen einer symmetrischen Aufteilung des Batteriestroms in 11 durch die einzelnen Schaltungszweige (Pfade) 91, 92 der Schutzschaltung 90 und damit auch die durch die einzelnen Sicherungen (Schmelzsicherungen) 93, 95 fließenden Strome in einer sehr einfachen Weise überwacht werden können.
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Vorzugsweise umfasst das Batteriesteuergerät 51 eine Softwarefunktion, durch die die Stromwerte der von den Stromsensoren 94, 96 gemessenen Ströme miteinander verglichen werden und die nur eine vorbestimmte Abweichung der Stromwerte voneinander erlaubt. Dadurch wird eine Diagnosefunktion (Diagnosefunktionalität) bereitgestellt, mittels deren die Güte der mechanischen Verbindungen in der Schutzschaltung 90 und der darauf basierenden elektrischen Übergangswiderstände überwacht werden.
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Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Sicherungen 93, 95 der einzelnen Schaltungszweige (Pfade) 91, 92 gleichmäßig von Strom durchflossen werden. Das ist für die Langzeithaltbarkeit der Schutzschaltung 90 sehr wichtig. Ferner wird auch sichergestellt, dass die Kontaktierungen der mechanischen Verbindungen in der Schutzschaltung 90, über die die Ströme fließen, sich über die Lebenszeit nicht unbemerkt asymmetrisch verschlechtern können.
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Mittels der Softwarefunktion des Batteriesteuergerätes 51 kann bevorzugt eine weitere Diagnosefunktion (Diagnosefunktionalität) für den Funktionszustand der einzelnen Sicherungen (Schmelzsicherungen) 93, 95 der Schutzschaltung 90 bereitgestellt werden. Wenn einer der Stromsensoren 94, 96 einen Stromwert von Null (0 A) meldet und der andere der Stromsensoren 94, 96 beziehungsweise die weiteren Stromsensoren einen von Null (0 A) unterschiedlichen Stromwert meldet beziehungsweise melden, kann mittels der Diagnosefunktion direkt aus diesem Verhalten das Vorliegen einer durchgebrannten Sicherung in dem Schaltungszweig, für den ein Stromwert von Null gemessen wurde, festgestellt werden. Diese Diagnose wird weiter bevorzugt dynamisch im Betrieb des Batteriesystems durchgeführt, um, beispielsweise beim Vorliegen eines Kurzschlusses, die Zeitpunkte des Durchbrennens der Sicherungen 93, 95 zu detektieren.
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Durch die Erfindung wird so die Sicherheit von solchen in Fahrzeuge einsetzbaren Hochvoltbatteriesystemen 10 beziehungsweise der in diesen Batteriesystemen 10 verwendeten Batterien (Batteriepacks) 11 erhöht.
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Durch die Erfindung entstehen keine zusätzliche Kosten für die Herstellung eines Batteriesystems, da in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem 10 die gleichen Komponenten, die teilweise an anderen Stellen angeordnet, anders verschaltet und überwacht werden, eingesetzt werden können. (Vergleiche hierzu das in der 3 dargestellte Batteriesystem 10 mit dem in der 2 dargestellten Batteriesystem gemäß dem Stand der Technik.) Zudem können die Herstellungskosten für ein erfindungsgemäßes Batteriesystems 10 gesenkt werden, da in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem 10 auch schwächere beziehungsweise kleiner dimensionierte und dadurch auch leichtere und platzsparendere Schütze 40 einsetzbar sind.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 3 Bezug genommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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