DE102014203424A1

DE102014203424A1 - Batteriesystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102014203424A1
Application number: DE102014203424.8A
Authority: DE
Inventors: Gergely Galamb
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-09-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems 10 aufweisend wenigstens einen elektronischen Schalter 24 mit einem beweglichen Kontaktelement 30, welches zum Schließen einer elektrischen Verbindung unter einer Kontaktkraft auf eine Kontaktanlage 32, 34 an dieser Kontaktanlage 32, 34 positionierbar ist, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Drücken des Kontaktelements 30 an die Kontaktanlage 32, 34 unter einer Kontaktkraft F1; b) Detektieren eines sicherheitskritischen Zustands; c) Erhöhen der Kontaktkraft auf einen Wert F2, wobei F2 größer ist als F1. Ein vorbeschriebenes Verfahren erlaubt es, die Gefahr des Auftretens von Levitation signifikant zu reduzieren oder das Auftreten von Levitation vollständig zu verhindern. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem 10, welches zum Ausführen eines derartigen Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Betriebssystems zum Verhindern von Levitation in einem elektronischen Schalter.
Stand der Technik
In Batteriesystemen für Kraftfahrzeuge werden die einzelnen Batterien oftmals in Reihe geschaltet, um eine hohe Spannung und so bei hohen Leistungen geringe Ströme liefern zu können. Um die Batterien etwa bei einem Stillstand oder bei einem Fehlerfall von dem restlichen Hochvolt-(HV-)System trennen zu können, werden üblicherweise Schütze an dem positiven und negativen HV-Anschluss für die Traktionsleitungen vorgesehen. Diese Schütze können bei Bedarf und abhängig von der Ausgestaltung Ströme bis zu etwa 1–2kA trennen. Wenn höhere Ströme von über 3–4kA fließen, etwa bei einem Kurzschluss in den Traktionsleitungen beziehungsweise in einem Inverter, kann es durch die Lorenzkraft im Schütz zu einer Abstoßung eines Kontaktelements von seiner Kontaktanlage kommen. Dieses Phänomen wird auch als Levitation bezeichnet.
Nachteilig an einem derartigen Vorgang kann insbesondere sein, dass trotz eines Drucks des Kontaktelements auf die Kontaktanlage zwischen diesen Bauteilen ein Spalt entstehen kann, wodurch sich ein Lichtbogen ausbilden kann, der die entsprechenden Kontaktoberflächen aufschmelzen kann. Nach dem Kurzschlussstrom wird das Kontaktelement wieder an die Kontaktanlage gepresst, woraufhin das Material wieder erstarrt und die Elemente zusammengebacken werden. Dadurch kann der Schalter anschließend nicht mehr geöffnet werden, sondern die Kontakte sind dauerhaft leitend miteinander verbunden. Ein derartiger Fehler wird auch als Schützkleben bezeichnet.
Aus dem Dokument JP 7274378 ist ein Batteriesystem für ein Fahrzeug bekannt, bei welchem bei einem Fehlerfall die Batterie und ein Hauptrelais elektrisch getrennt werden, woraufhin das Hauptrelais ausgeschaltet wird.
Aus dem Dokument DE 10 2009 056 865 A1 ist ein pyrotechnischer Sicherungsschalter für eine Fahrzeugbatterie bekannt, bei welchem ein Treibsatz in einem Gasraum zündbar ist, welcher räumlich getrennt von einer Trennstrecke angeordnet ist, welche durch die Unterbrechung der Stromversorgung bewirkt werden soll.
Das Dokument DE 10 2010 008 203 A1 offenbart, dass, um die Sicherheit von Personen in einem Kraftfahrzeug mit einer Batterie zu erhöhen, bei einem Unfall des Fahrzeugs eine Sicherungseinrichtung im Falle einer bevorstehenden Kollision eine elektrische Versorgungseinrichtung ganz oder teilweise abschaltet.
Aus dem Dokument US 2007/0268640 A1 ist ein Schaltkreis zum Verbinden einer Stromquelle mit einer Last bekannt. Ein derartiger Schaltkreis umfasst zwei parallele Relais, wobei in einem Fehlerfall ein zweites Relais öffnet während ein erstes Relais geschlossen bleibt.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems aufweisend wenigstens einen elektronischen Schalter mit einem beweglichen Kontaktelement, welches zum Schließen einer elektrischen Verbindung unter einer Kontaktkraft auf eine Kontaktanlage an dieser Kontaktanlage positionierbar ist, aufweisend die Verfahrensschritte:

a) Drücken des Kontaktelements an die Kontaktanlage unter einer Kontaktkraft F1;
b) Detektieren eines sicherheitskritischen Zustands;
c) Erhöhen der Kontaktkraft auf einen Wert F₂, wobei F₂ größer ist als F₁.

Durch das vorbeschriebene Verfahren kann in einem wie vorstehend ausgestalteten Batteriesystem insbesondere das Auftreten von Levitation in einem Schalter wirksam reduziert oder sogar vollständig verhindert werden.
Somit dient das Verfahren insbesondere zum Betreiben eines derartigen Batteriesystems, welches wenigstens einen elektronischen Schalter aufweist. Der elektronische Schalter kann beispielsweise eine Schütz sein und dabei insbesondere zwischen einer Batterie und einem Verbraucher angeordnet sein, wobei die Erfindung gleichermaßen das Vorsehen einer Mehrzahl an Batterien und/oder einer Mehrzahl an Verbrauchern umfasst, ohne das stets separat darauf hingewiesen wird. Ein derartiger Schalter kann insbesondere dazu dienen, etwa in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, die insbesondere als Hochvolt-Energiespeicher ausgestalteten Batterien bei verschiedensten Anlässen aktiv von dem Verbraucher zu trennen beziehungsweise diese Verbindung selektiv zu schließen. Ein Trennen kann beispielsweise erforderlich sein bei einer Wartung beziehungsweise Instandhaltung des Fahrzeugs oder des Batteriesystems, oder gleichermaßen bei einem Unfall oder bei einem Fehlerfall, etwa um vergrößerte Beschädigungen zu verhindern und eine Berührsicherheit sicherzustellen. Dabei kann insbesondere das Trennen der elektrischen Verbindung beziehungsweise das Öffnen des Schalters problematisch sein, da insbesondere bei Hochvoltanwendungen oftmals Lichtbögen entstehen können, welche Beschädigungen hervorrufen und ein Gefährdungspotential darstellen können.
Um diese Gefahren zu umgehen, kann beispielsweise eine Sicherung vorgesehen sein, welche etwa bei einem Kurzschluss innerhalb kürzester Zeit, etwa in einem Bereich von einigen Millisekunden, den Stromkreis unterbricht, woraufhin der Schalter problemlos geöffnet werden kann.
Weiterhin können derartige Schalter einen Hauptstrompfad und einen Nebenstrompfad aufweisen, um die Gefahr von Lichtbögen etwa bei einem Schalten des Schalters zu reduzieren. Im Detail könnten aufgrund vorhandener Zwischenkreis-Kapazitäten beim direkten Einschalten der Hauptschalter die entsprechenden Kontakte durch extrem hohe Einschaltströme Schaden nehmen oder bei einem erhöhten Strom, wie etwa einem Kurzschlussstrom, können bei einem Schließen des Schalters ebenfalls Lichtbögen auftreten. Um dies zu verhindern, ist der Nebenstromkreis mit einem darin angeordneten Widerstand vorgesehen, der zur Begrenzung etwa des Ladestroms der Zwischenkreis-Kapazitäten dienen kann. Vorladeziel ist, die Spannungsdifferenz zwischen Kondensator und Batterie soweit zu reduzieren, dass nur noch stark verringerte Ströme beim Zuschalten des zweiten Batterie-Hauptschützes auftreten und somit die Gefahr eines Lichtbogens signifikant reduziert wird.
Zurückkommend auf den Schalter weist dieser, beispielsweise als einziger Schalter, als Hauptschalter des Hauptstrompfad und/oder als Nebenschalter des Nebenstrompfads, insbesondere ein bewegliches Kontaktelement auf, welches unter einer Kontaktkraft an einer Kontaktanlage positionierbar ist und so die elektrische Verbindung schließen kann. Die Kontaktkraft kann somit insbesondere dem von dem Kontaktelement auf die Kontaktanlage wirkende Druck entsprechen beziehungsweise durch diesen ausgebildet werden.
Im Detail erfolgt, um die elektrische Verbindung zu schließen, gemäß Verfahrensschritt a) ein Drücken des Kontaktelements an die Kontaktanlage unter einer Kontaktkraft F₁. in diesem Verfahrensschritt wird somit eine Kontaktkraft F₁ ausgeübt, welche das Kontaktelement an die Kontaktanlage drückt, um so einen sicheren Sitz des Kontaktelements an der Kontaktanlage zu gewährleisten und dadurch die elektrische Leistung möglichst widerstandsfrei und sicher von der Batterie zu dem Verbraucher zu leiten. In einem geschlossenen Zustand des Schalters kann somit ein gewünschtes Entladen der Batterien beziehungsweise ein gewünschtes Versorgen des Verbrauchers oder einer Mehrzahl von Verbrauchern mit elektrischer Energie erfolgen. Dabei kann die Anpresskraft beziehungsweise Kontaktkraft F₁ beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 10N bis kleiner oder gleich 100N liegen.
Wie oben beschrieben sollte insbesondere bei einem Fehlerfall, welcher einhergehen kann mit einem erhöhten Strom, wie etwa einem Kurzschlussstrom, ein Trennen der Batterie von dem Verbraucher erfolgen. Hierzu erfolgt zunächst gemäß Verfahrensschritt b) ein Detektieren eines sicherheitskritischen Zustands. Unter einem sicherheitskritischen Zustand kann dabei grundsätzlich jeder Zustand verstanden werden, welcher ein Gefährdungspotenzial für das Batteriesystem, für in der Nachbarschaft des Batteriesystems angeordnete Komponenten oder aber von in Nachbarschaft des Batteriesystem sich befindlichen Personen aufweist. Insbesondere kann unter einem sicherheitskritischen Zustand ein solcher verstanden werden, der zu dem Fließen eines erhöhten Stroms führen kann. Somit ist ein sicherheitskritischer Zustand noch nicht zwingend ein Fehlerfall sondern kann auch vielmehr ein Zustand sein, der potentiell zu einem Fehlerfall führen kann. Der sicherheitskritische Zustand kann dabei insbesondere durch einen oder eine Mehrzahl an geeigneten Sensoren ermittelt und an ein Steuergerät weitergeleitet werden. Dabei kann das Steuergerät beispielsweise Bestandteil des Batteriesystems sein oder als separates Bauteil ausgestaltet sein und insbesondere in Abhängigkeit der Art und Stärke des der ermittelten sicherheitskritischen Zustands auswählen, ob eine Handlung erforderlich ist oder nicht.
Für den Fall, dass ermittelt wurde, dass ein sicherheitskritischer Zustand definierter Stärke vorliegt, kann es unter Umständen zu einem Fehlerfall kommen und deshalb bei dem Fehlerfall notwendig werden, dass die elektrische Leitung zwischen der Batterie und dem Verbraucher getrennt werden muss. Hierzu kann, wenn dies erforderlich wird, insbesondere der Schalter geöffnet werden. Gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren erfolgt jedoch vor dem wirklichen notwendig werden des Öffnens des Schalters gemäß Verfahrensschritt c) ein Erhöhen der Kontaktkraft auf einen Wert F₂, wobei F₂ größer ist als F₁. Dadurch, dass die Kontaktkraft des Kontaktelements auf die Kontaktanlage vergrößert wird, kann effektiv verhindert werden, dass bei einem Fehlerfall und dabei bei dem Fließen eines stark erhöhten Stroms ausgehend durch die Lorentzkraft eine Abstoßung des Kontaktelements von der Kontaktanlage und damit eine Levitation erfolgt. Vielmehr kann die erhöhte Kontaktkraft dafür sorgen, dass selbst bei dem Fließen eines verglichen mit einem normalen Arbeiten des Batteriesystems vergrößerten Stroms durch den Schalter ein sicherer und fester Sitz des Kontaktelements an der Kontaktanlage vorliegt. Dadurch kann im Weiteren das Ausbilden eines Lichtbogens und damit das Verschmelzen der Kontaktpunkte bei einem Nachlassen des Stroms verhindert werden, etwa wenn der Kurzschlussstrom durch eine Sicherung unterbrochen wird. Somit kann ferner ein Verkleben der Kontaktbereiche verhindert werden, so dass die Kontaktstellen nach dem Auftreten des erhöhten Stroms problemlos wieder getrennt werden können.
Das vorbeschriebene Verfahren kann somit selbst bei einem Fehlerfall ein Beschädigen beziehungsweise Zerstören des Schalters sicher verhindern. Dies gilt insbesondere dann, wenn der sicherheitskritische Zustand zu einem tatsächlichen Fehlerfall, wie insbesondere dem vermehrten Fließen von Strom durch den Schalter, führt. Somit kann ein besonders langzeitstabiles und kostengünstiges Arbeiten des Schalters und dadurch des mit einem derartigen Schalter ausgestatteten Batteriesystems ermöglicht werden.
Darüber hinaus kann dadurch, dass die Kontaktkraft definiert erhöht wird und dadurch kein Abstand zwischen den entsprechenden Kontaktelementen beziehungsweise zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktanlage auftritt, die Stromtragfähigkeit des Schalters für die Dauer eines erhöhten Stroms, wie insbesondere eines Kurzschlussstromes, gesteigert werden.
Für den Fall, dass nach einem definierten Zeitraum nach einem Detektieren des sicherheitskritischen Zustands der Stromfluss nicht erhöht ist, und somit der sicherheitskritische Zustand kein Fehlerfall ist und dieser auch nicht nicht zu einem Fehlerfall geführt hat, kann die Kontaktkraft wieder reduziert werden, so dass die Kontaktkraft in diesem Fall der bei einem normalen Arbeiten des Batteriesystems vorliegenden Kontaktkraft F₁ entspricht.
Zusammenfassend ermöglicht es ein vorbeschriebenes Verfahren, die Gefahr des Auftretens von Levitation signifikant zu reduzieren oder das Auftreten von Levitation vollständig zu verhindern, wodurch Beschädigungen des Schalters vermieden und somit die Langlebigkeit des Schalters und damit des Betriebssystems vergrößert werden kann.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann die Kontaktkraft ausgeübt werden durch das Einwirken einer Spule auf das Kontaktelement und kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden unter Erhöhung einer Spulenleistung der Spule. Dabei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das Kontaktelement einen beispielsweise zylindrisch ausgestalteten Bereich aufweist, welcher durch eine oder eine Mehrzahl von Spulen umgeben ist. Durch das Fließen von Strom durch die Spule oder die Spulen kann dabei auf das Kontaktelement eine das Kontaktelement verlagernde, beispielsweise magnetische, Kraft ausgeübt werden, wie dies grundsätzlich dem Fachmann bekannt ist. Insbesondere das Vorsehen einer Spule, welche auf das Kontaktelement einwirken und dieses somit bewegen kann, kann zum einen ein sehr definierter Druck ausgeübt werden, da das Verlagern des Kontaktelements wie auch die durch das Kontaktelement auf die Kontaktanlage ausgeübte Kraft durch das Einstellen des durch die Stromspule fließenden Stroms besonders genau und definiert einstellbar ist. Darüber hinaus kann ein Verändern der Kontaktkraft durch das Verändern des durch die Spule fließenden Stroms besonders schnell und in einem weiten Bereich angepasst werden, so dass durch das Vorsehen einer Spule das Verfahren besonders dynamisch durchführbar sein kann und dadurch auch bei einem sehr kurzfristig auftretenden sicherheitskritischen Zustand beziehungsweise Fehlerfall das Beschädigen des Schalters sicher verhindert werden kann. Somit kann in dieser Ausgestaltung die Kontaktkraft einstellbar sein insbesondere durch das definierte Einstellen des durch die Spule fließenden Stroms, entsprechend kann eine Vergrößerung der Kontaktkraft möglich sein durch das Erhöhen der Spulenleistung, also durch das Erhöhen des durch die Spule fließenden Stroms. Dabei kann selbst dann, wenn die Kontaktkraft auf einen vergleichsweise hohen Wert gesteigert werden soll und die Spule somit mit einer vergleichsweise hohen Spulenleistung betrieben wird, die Spule dies in der Regel problemlos aushalten, so dass eine Beschädigung der Spule nicht zu befürchten ist, selbst wenn eine kurzzeitige Überlastung stattfinden sollte.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Kontaktkraft F₁ ausgeübt werden durch das Einwirken einer ersten Spule auf das Kontaktelement und kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden durch das alternative oder zusätzliche Verwenden einer zweiten Spule. Bezüglich der Vorteile des grundsätzlichen Verwendens einer Spule wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Durch das jeweilige Verwenden verschiedener Spulen unterschiedlicher Leistungsauslegung oder einer Mehrzahl an Spulen kann dabei insbesondere bei einem Erhöhen der Kontaktkraft des Kontaktelements auf die Anlage vollständig verhindert werden, dass eine Spule auch nur kurzzeitig überlastet. Dadurch können der Schalter und damit das gesamte Batteriesystem besonders stabil arbeiten. Darüber hinaus kann diese Ausgestaltung den weiteren Vorteil bieten, dass die Spulen insbesondere an die von Ihnen aufzubringende spezifische Leistung maßgeschneidert und insbesondere für eine Kontaktkraft F₁ gering dimensioniert werden können, weshalb keine Spulen mit einem großen Leistungsbereich erforderlich sind. Die einzelnen Spuren können dadurch kostengünstiger ausgeführt sein. Dabei kann bei einem alternativen Verwenden einer zweiten Spule die erste Spule ausgeschaltet werden und die zweite Spule eine Spule mit einer größeren Leistung sein. Bei einem zusätzlichen Verwenden der zweiten Spule kann diese zum Zuschalten verwendet werden, so dass nicht die Spannung erhöht wird, sondern die Kontaktkraft durch die Aktivierung beider Spulen gemeinsam auf einem höheren Niveau ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann bei Verfahrensschritt c) die Kontaktkraft um einen Betrag erhöht werden, der in einem Bereich von größer oder gleich 10% bis kleiner oder gleich 80%, bezogen auf die Kontaktkraft F₁, liegt. Insbesondere derartige Kontaktkräfte können besonders sicherstellen, dass auch bei einem hohen fließenden Strom keine Levitation auftritt beziehungsweise ein Abstand zwischen den Kontaktbereichen des Kontaktelements und der Anlage auch kurzzeitig vollständig verhindert werden kann. Darüber hinaus sind derartige Kraftbereiche derart ausgestaltet, dass sie keine übermäßigen Anforderungen an die Stabilität des Kontaktelements wie auch der Anlage stellen, so dass die Kosten durch diese Ausgestaltung des Verfahrens nicht vergrößert werden. In anderen Worten kann diese Ausgestaltung eine besonders sichere und dabei kostengünstige Ausführung des Verfahrens ermöglichen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Verfahrensschritt c) durchgeführt werden für einen Zeitraum t₁, wobei t₁ in einem Bereich liegt von größer oder gleich 5ms bis kleiner oder gleich 100s, insbesondere in einem Bereich von größer oder gleich 10ms bis kleiner oder gleich 10s beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 10ms bis kleiner oder gleich 5s. In dieser Ausgestaltung wird die erhöhte Kontaktkraft F₂ somit für einen Zeitraum in dem oben definierten Bereich beibehalten. Ein derartiger Zeitraum kann ausreichend sein, um nach dem Auftreten eines sicherheitskritischen Zustandes bei dem Auftreten eines wirklichen Fehlerfalls und damit einhergehend bei einem Öffnen des Schalters Levitation bei einem auftretenden Kurzschlussstrom sicher zu verhindern. Dabei kann jedoch ferner sichergestellt werden, dass für den Fall, dass ein Fehlerfall nicht eintritt, die Kontaktkraft ohne Gefahr wieder verringert werden, um so nicht für einen übermäßig großen Zeitraum eine erhöhte Leistung der Spule, beispielsweise, bereitstellen zu müssen.
Jedoch können gefährliche Situationen mehrere Sekunden dauern, so dass in dieser Zeit die Kontaktkraft auf F₂ zu erhöhen ist. Dabei kann jedoch beachtet werden, dass, je länger die Kontaktkraft auf dem Wert F₂ liegt, desto niedriger die Kontaktkraft F₂ beziehungsweise die entsprechende Spulenleistung beziehungsweise Spannung gewählt werden kann, so dass ein Überhitzen der Spule weiter verhindert werden kann. Grundsätzlich kann die Levitation bereits nach einigen ms vorbei sein, so dass auch ein Zeitraum in einem Bereich von größer oder gleich 5ms bis kleiner oder gleich 20ms, beispielsweise in einem Bereich von größer oder gleich 5ms bis kleiner oder gleich 10ms, ausreichend sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Verfahrensschritt a) durchgeführt werden unter Verwendung der Verfahrensschritte:

a1) Positionieren des Kontaktelements an der Kontaktanlage unter einer Kontaktkraft F₃,
a2) Beibehalten der Kontaktkraft F₃ für einen definierten Zeitraum t₂; und
a3) Reduzieren der Kontaktkraft auf den Wert F₁, wobei F₃ größer ist als F₁.

In dieser Ausgestaltung ist somit vorgesehen, dass das Kontaktelement an der Kontaktanlage zunächst gemäß Verfahrensschritt a1) unter einer vergleichsweise hohen Kontaktkraft F₃ anliegt. Dadurch kann der Vorteil erzielt werden, dass zunächst der Schalter sehr schnell geschlossen wird, was das Auftreten von Lichtbögen reduzieren kann und ferner ein besonders schnelles Bereitstellen elektrischer Leistung ermöglichen kann. Darüber hinaus kann insbesondere bei dem Schließen eines Schalters ein anfänglich hoher Strom fließen, welcher ebenfalls zu einer Levitation führen könnte. Um dies zu verhindern wird somit zunächst eine recht hohe Anfangskontaktkraft verwendet und diese gemäß Verfahrensschritte a2) für einen definierten Zeitraum t₂ beibehalten. Der definierte Zeitraum t₂ kann dabei gewählt werden in Abhängigkeit des konkreten Anwendungsgebiets und kann beispielhaft und in keiner Weise beschränkend in einem Bereich von typischerweise 100ms liegen.
Beispielsweise kann die Kontaktkraft F₃ der Kontaktkraft F₂ entsprechen beziehungsweise können F₂ und F₃ gleich sein, oder F₃ kann größer als F₁ oder kleiner als F₂ sein. Dies kann eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltung des Batteriesystems ermöglichen. Insbesondere kann eine Spule zum Ausüben der Kontaktkraft F₁ vorgesehen sein und eine weitere Spule kann vorgesehen sein, um den Druck F₂ und F₃ einzustellen, wobei die zweite Spule bei Bedarf alternativ oder zusätzlich zu der ersten Spule zuschaltbar sein kann, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Im Anschluss daran kann die Kontaktkraft auf den Wert F₁ gesenkt werden. Dies kann beispielsweise bei dem Verwenden einer Spule zum Aufbringen der Kontaktkraft ermöglichen, dass die Leistung, welche durch die Spule bei einem normalen Arbeiten aufgebracht werden muss, gesenkt werden kann. Dadurch kann ermöglicht werden, dass der Schalter während des eigentlichen Betreibens des Batteriesystems weniger Leistung benötigt und dadurch besonders energieeffizient ist. Ferner kann verhindert werden, dass insbesondere bei dem Verwenden nur einer Spule, diese überhitzt und beschädigt wird.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann Verfahrensschritt b) durchgeführt werden unter Verwendung eines oder mehrerer von einem Beschleunigungssensor, Airbagsensor, Bremssensor, einem Abstandssensor, einem Lenksensor, einem ESP-Sensor, einem Spannungssensor und/oder einem Stromsensor, insbesondere wenn das Batteriesystem in einem Fahrzeug angeordnet ist. Insbesondere derartige Sensoren können in besonders vorteilhafter Weise einen sicherheitskritischen Zustand anzeigen, der bei einem folgenden Fehlerfall einen erhöhten Strom, wie etwa einen Kurzschlussstrom, mit sich bringen kann. Die vorgenannten Sensoren können beispielsweise Beschleunigungswerte, das Fahrverhalten eines Fahrers, wie beispielsweise das Lenkverhalten oder Bremsverhalten oder bereits stattfindende sicherheitssteigernde Maßnahmen, wie etwa einen ESP Eingriff, detektieren und diese, etwa durch eine Steuereinheit, die Wahrscheinlichkeit eines Fehlerfalls, wie beispielsweise eines Unfalls, analysieren. In Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit eines folgenden Fehlerfalles kann dann die vorstehend beschriebene Erhöhung der Kontaktkraft durchgeführt werden, so dass bei dem wirklich auftretenden Fehlerfall das Auftreten von Levitation verhindert werden kann. Weiterhin können insbesondere nicht unfallspezifische Sensoren verwendet werden, welche derartige sein können, die auf eine etwaige Beschädigung des Batteriesystems hinweisen können. Derartige Sensoren können beispielsweise die plötzliche Abnahme von Isolationswiderständen in dem Hochvoltsystem bereits dann detektieren, wenn der Schwellwert für das aktive Öffnen des Schalters noch nicht erreicht wird. Weiterhin können interne Fehlermeldungen von batterieexternen Hochvoltkomponenten, wie etwa einem Inverter oder einem Motor, als auch ein Vergleich der Strommessung der Batterie und der abgerufenen Leistung des Inverters für das Detektieren beziehungsweise Analysieren eines sicherheitskritischen Zustand herangezogen werden.
Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann somit sowohl auf interne wie externe Einflüsse reagiert werden. Dabei kann diese Ausgestaltung insbesondere deshalb vorteilhaft sein, da die entsprechenden Sensoren beispielsweise in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen meist ohnehin vorhanden sind. Darüber hinaus kann die Abschätzung, ob der sicherheitskritische Zustand zu einem Fehlerfall führen kann, ebenfalls über bereits vorhandene Mittel ermöglicht werden. So werden beispielsweise von einem Steuergerät eines Airbags oftmals unterschiedliche Fehlerwerte, wie zum Beispiel die Schwere eines Unfalls, kommuniziert, wobei bis zu einer gewissen Fehlerschwere keine Batteriereaktionen eingeleitet werden, sondern nur passive Fehlerspeichereinträge stattfinden. Ab einer gewissen Fehlerschwere jedoch wird der Schalter aktiv geöffnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann als Kontaktelement eine Kontaktbrücke verwendet werden. Unter einer Kontaktbrücke kann dabei insbesondere ein derartiges Element verstanden werden, welches zwei Kontaktanlagen von unterschiedlichen Leitungen miteinander verbindet. Insbesondere kann die Kontaktbrücke T-förmig ausgestaltet sein, so dass ein Schenkel als verbindendes Element für die beiden Leitungen zum Schließen des Schalters dienen kann, und ein weiterer im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten angeordneter Schenkel eine Kraft durch die Spule erfahren kann. Somit kann eine derartige Ausgestaltung insbesondere die Verwendung einer Spule zum Aufbringen der Kontaktkraft besonders kostengünstig und einfach möglich machen.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des vorbeschriebenen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem und den Figuren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens für das erfindungsgemäße Batteriesystem anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmalen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Batteriesystem, welches zum Ausführen eines wie vorstehend beschrieben ausgebildeten Verfahrens ausgestaltet ist. Ein derartiges Batteriesystem kann insbesondere Bestandteil eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein und dabei in dem Fahrzeug angeordnet sein.
Ein derartiges Batteriesystem kann insbesondere eine oder eine Mehrzahl an Batterien aufweisen, die mit einem oder einer Mehrzahl an elektrischen Verbrauchern verbunden sind, um den oder die Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Um beispielsweise in einem Fehlerfall die Batterie von dem Verbraucher zu trennen, ist zwischen der Batterie und dem Verbraucher wenigstens ein elektrischer Schalter angeordnet. Der Schalter umfasst ein bewegliches Kontaktelement, welches unter Druck beziehungsweise unter einer Kraft an einer Kontaktanlage positionierbar ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Batterie und dem Verbraucher herstellen zu können. Beispielsweise kann hierfür eine Spule oder können eine Mehrzahl von Spulen vorgesehen sein, welche bei einem Führen von Strom durch ein erzeugtes Magnetfeld das Kontaktelement in Richtung der Kontaktanlage verlagern können beziehungsweise auf das Kontaktelement einen Druck ausüben können, so dass das Kontaktelement mit einer Kontaktkraft an der Kontaktanlage anliegt.
Weiterhin kann das Batteriesystem selbst Sensoren aufweisen, oder kann das Batteriesystem mit Sensoren verbunden sein, welche einen sicherheitskritischen Zustand delektieren können. Ein derartiger sicherheitskritischer Zustand kann ein derartiger Zustand etwa des Batteriesystems selbst oder von Komponenten in der Umgebung des Batteriesystems sein, welcher einen Fehlerfall auslösen kann und dabei insbesondere einen Kurzschluss und oder einen erhöhten Strom mit sich bringen kann.
Ferner kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche einerseits mit den Sensoren verbunden ist und die von den Sensoren gelieferten Daten auswertet und in Abhängigkeit der Schwere des sicherheitskritischen Zustands ein Mittel zum Ausüben von Druck auf das Kontaktelement ansteuern kann, um den Druck des Kontaktelements auf die Kontaktanlage zu vergrößern. Dies kann etwa durch eine Erhöhung der Spulenleistung realisierbar sein. Alternativ, für den Fall dass beispielsweise zwei Spulen vorgesehen sind, kann, um die Kraft des Kontaktelementes auf die Kontaktanlage zu erhöhen, eine weitere Spule alternativ oder zusätzlich zu der ersten Spule angesteuert werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit die gleiche sein, die verwendet wird, um bei dem Vorliegen eines Fehlerfalls den Schalter zu schließen, um so die Batterie von dem Verbraucher zu trennen.
Ein derartiges Batteriesystem kann insbesondere den Vorteil bieten, wonach ein sicherheitskritischer Zustand sicher detektiert werden kann, bevor ein eigentlicher Fehlerfall auftritt, und dabei das Öffnen eines Schalters ausgelöst wird. Dadurch kann das Auftreten von Levitation und ferner das Ausbilden eines Lichtbogens und damit das Beschädigen von Kontakten signifikant reduziert oder vollständig verhindert werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des vorbeschriebenen Batteriesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen. Auch sollen erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Batteriesystems für das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sein und als offenbart gelten und umgekehrt. Unter die Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmalen.
Beispiele und Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems;
2 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Schalters für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem in geschlossenem Zustand;
3 eine schematische Darstellung der Ausgestaltung aus 2 eines Schalters für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem in geöffnetem Zustand;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Schalters für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem in geschlossenem Zustand;
5 eine schematische Darstellung der Ausgestaltung aus 4 eines Schalters für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem in geöffnetem Zustand; und
6 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der 1 ist ein Batteriesystem 10 zum Versorgen eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung gezeigt. Beispielsweise ist das Batteriesystem 10 Bestandteil eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise Kraftfahrzeugs.
Das Batteriesystem 10 gemäß 1 weist eine Mehrzahl an Modulen 12 auf, wobei ein Modul 12 eine Kombination von in Reihe bzw. in Serie geschalteten Zellen aufweist. Die Module 12 beziehungsweise das Batteriesystem 10 sind dabei in an sich bekannter Weise durch Traktionsleitungen 18, 20 mit Traktionsanschlüssen aufweisend einen Pluspol und einen Minuspol mit einem Verbraucher verbindbar, um den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. In den Traktionsleitungen 18, 20 ist jeweils eine elektronische Schalteinheit 14, 16 zum selektiven Öffnen oder Schließen einer mit dem Pluspol beziehungsweise Minuspol zugeordneten elektrischen Traktionsleitung 18, 20 vorgesehen. Dabei kann eine der Schalteinheiten 14, 16 einen einzelnen Schalter aufweisen oder eine oder beide der Schalteinheiten 14, 16 können eine wie nachfolgend in nicht beschränkender Weise für die Schalteinheit 14 beschriebene Ausgestaltung aufweisen.
Die Schalteinheit 14 ist zwischen ist zwischen dem Modul 12 beziehungsweise den Modulen 12 und dem nicht dargestellten Verbraucher angeordnet. Die elektronische Schalteinheit 14 weist dabei einen ersten Strompfad beziehungsweise Hauptstrompfad 22 auf, der durch einen als Hauptschalter dienenden Schalter 24 unterbrechbar ist. Weiterhin weist die elektronische Schalteinheit 14 einen zu dem ersten Hauptstrompfad 22 parallel angeordneten Nebenstrompfad 26 auf, der durch einen als Nebenschalter dienenden Schalter 28 unterbrechbar ist. Weiterhin ist in dem Nebenstrompfad 26 ein Hilfswiderstand 29 angeordnet. Der Nebenstrompfad 26 ist dabei derart angeordnet, dass durch ihn der Hauptstrompfad 22 überbrückbar ist.
Eine Ausgestaltung beispielhaft und nicht beschränkend für einen Schalter 24 des Hauptstrompfads 22 der Schalteinheit 14 ist in den 2 und 3 gezeigt. Eine derartige Ausgestaltung ist gleichermaßen für den Schalter 28 des Nebenstrompfads 26 oder den Schalter der Schalteinheit 16 möglich. Dabei ist der Schalter 24 in der 2 in einem geschlossenen Zustand gezeigt, wohingegen der Schalter 24 in 3 in einem geöffneten Zustand gezeigt ist. Es ist dabei zu sehen, dass ein Kontaktelement 30 an Kontaktanlagen 32, 34, die gebildet sind an Enden von Leitungen beziehungsweise Leitungsanschlüssen 36, 38, der Traktionsleitung 18 in dem geschlossenen Zustand anliegt. Dabei ist es von der Erfindung umfasst, dass je nach Ausgestaltung des Schalters 24 nur eine oder eine Mehrzahl an Kontaktanlagen 32, 34 vorliegen. Das Anliegen des Kontaktelements 30 an den Kontaktanlagen 32, 34 kann beispielsweise realisierbar sein durch das Auswirken einer Kraft einer Spule 40, die auf einen Bereich des als t-förmige Kontaktbrücke ausgestalteten Kontaktelements 30 einwirkt. Dabei kann die Kraft der Spule 40 gegen die Vorspannung einer Feder wirken, welche das Kontaktelement 30 bei einem Ausbleiben der Spulenkraft in einem geöffneten Zustand hält, wie dieser in 3 zu erkennen ist.
Für den Fall, dass ein erhöhter Strom, wie beispielsweise ein Kurzschlussstrom, durch den Schalter 24 fließt, kann das Kontaktelement 30 von einem in 2 gezeigten geschlossenen Zustand durch das Vorliegen einer Lorentzkraft leicht in Richtung eines geöffneten Zustand verlagert werden, wodurch zwischen dem Kontaktelement 30 und wenigstens einer Kontaktanlage 32, 34 ein Abstand entsteht. Um diesen als Levitation bezeichnen Vorgang zu verhindern, kann der Schalter 24 dabei mit einer Steuereinheit verbunden sein, welche Daten von einem Sensor zum Detektieren eines sicherheitskritischen Zustands erhält und auswertet. Für den Fall, dass ein sicherheitskritischer Zustand vorliegt, und somit bevor ein Fehlerfall auftritt, bei welchem ein erhöhter Strom, wie etwa ein Kurzschlussstrom auftritt, kann etwa durch ein Erhöhen der Spulenleistung die Kontaktkraft des Kontaktelements 30 an die Anlagen 32, 34 erhöht werden.
Die 4 und 5 zeigen ein entsprechendes Verfahren bei dem Vorliegen zweier Spulen 40a und 40b, wobei zum Erhöhen der Kontaktkraft die Spule 40b zusätzlich oder alternativ zu der Spule 40a verwendet werden kann. Erneut ist in der 4 der Schalter 24 in einem geschlossenen Zustand gezeigt, wohingegen der Schalter 24 in der 5 in einem geöffneten Zustand gezeigt ist. Bezüglich einer detaillierten Beschreibung wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den 3 und 4 verwiesen.
Ein schematischer Verfahrensablauf bei dem Vorsehen einer Spule 40 ist in der 6 gezeigt, wobei die Spulenleistung beziehungsweise Spulenspannung U schematisch aufgetragen ist gegen die Zeit t. Dabei ist die Spulenleistung U proportional zu der Kontaktkraft F des Kontaktelements 30 auf die Kontaktanlagen 32, 34. Bei einem Bereich zwischen t₀ und t_a ist die Spule 40 ausgeschaltet und der Schalter 24 somit geöffnet. Bei dem Zeitpunkt t_a wird die Spule 40 eingeschaltet und eine auch als Anzugsspannung genannte Spannung U₃ wirkt für einen Zeitraum t₂, typischer Weise in einem Bereich von 100ms, auf das Kontaktelement 30, wodurch dieses mit der Kontaktkraft F₃ gegen die Anlagen 32, 34 gedrückt und der Schalter 24 somit geschlossen wird. Nach dem Zeitraum t₂ wird die Anzugsspannung U₃ bei dem Zeitpunkt t_b zu einer Haltespannung U₁ reduziert. Somit reduziert sich auch die Kontaktktraft auf den Wert F₁. Bei dem Zeitpunkt t_c wird ein sicherheitskritischer Zustand detektiert, worauf hin die Spannung der Spule 40 ansteigt auf den Wert U₂, und damit die Kontaktkraft sich auf F₂ erhöht. In diesem Zustand verbleibt das System für eine definierte Zeitdauer t₁, etwa in einem Bereich von 5ms bis 100s, woraufhin, wenn kein Fehlerzustand, wie etwa ein Unfall auftritt, zu dem Zeitpunkt t_d erneut die Haltespannung U₁ und damit die Kontaktkraft F₁ eingestellt wird. Wenn beispielsweise bei einem Zeitpunkt t_e erneut ein sicherheitskritischer Zustand detektiert wird, steigt die Spannung erneut auf den Wert U₂, wodurch sich die Kontaktkraft F₂ einstellt. Bei dem Zeitpunkt t_f soll nun ein Fehlerfall einhergehend mit einem Kurzschluss und somit einem fließenden Kurzschlussstrom dargestellt werden. Dadurch wird bewirkt, dass bei einem Zeitpunkt t_f der Schalter 24 geöffnet wird und daraufhin die Spule 40 ausgeschaltet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 7274378 [0004]
DE 102009056865 A1 [0005]
DE 102010008203 A1 [0006]
US 2007/0268640 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems (10) aufweisend wenigstens einen elektronischen Schalter (24) mit einem beweglichen Kontaktelement (30), welches zum Schließen einer elektrischen Verbindung unter einer Kontaktkraft auf eine Kontaktanlage (32, 34) an dieser Kontaktanlage (32, 34) positionierbar ist, aufweisend die Verfahrensschritte: a) Drücken des Kontaktelements (30) an die Kontaktanlage (32, 34) unter einer Kontaktkraft F₁; b) Detektieren eines sicherheitskritischen Zustands; c) Erhöhen der Kontaktkraft auf einen Wert F₂, wobei F₂ größer ist als F₁.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkraft ausgeübt wird durch das Einwirken einer Spule (40) auf das Kontaktelement (30) und wobei Verfahrensschritt c) durchgeführt wird unter Erhöhung einer Spulenleistung der Spule (40).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkraft F₁ ausgeübt wird durch das Einwirken einer ersten Spule (40a) auf das Kontaktelement (30) und dass Verfahrensschritt c) durchgeführt wird durch das alternative oder zusätzliche Verwenden einer zweiten Spule (40b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verfahrensschritt c) die Kontaktkraft um einen Betrag erhöht wird, der in einem Bereich von größer oder gleich 10% bis kleiner oder gleich 80%, bezogen auf die Kontaktkraft F₁, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c) durchgeführt wird für einen Zeitraum t₁, wobei t₁ in einem Bereich liegt von größer oder gleich 5ms bis kleiner oder gleich 100s.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Verfahrensschritt a) durchgeführt wird unter Verwendung der Verfahrensschritte: a1) Positionieren des Kontaktelements (30) an der Kontaktanlage (32, 34) unter einer Kontaktkraft F₃, a2) Beibehalten der Kontaktkraft F₃ für einen definierten Zeitraum t₂; und a3) Reduzieren der Kontaktkraft auf den Wert F₁, wobei F₃ größer ist als F₁.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt b) durchgeführt unter Verwendung mindestens eines Beschleunigungssensors, eines Airbagsensors, eines Bremssensors, eines Abstandssensors, eines Lenksensors, eines ESP-Sensors, eines Spannungssensors und/oder eines Stromsensors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktelement (30) eine Kontaktbrücke verwendet wird.
Batteriesystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (10) zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.
Batteriesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem (10) Bestandteil eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist.