DE102014223274A1

DE102014223274A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Schalters einer Batterie sowie Batteriemodul,Batterie, Batteriesystem, Fahrzeug, Computerprogramm und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102014223274A1
Application number: DE102014223274.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Salziger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (600) zur Überwachung eines Schalters (210, 220) eines Batteriemoduls (20; 30), gekennzeichnet durch: eine Einrichtung (612) zum Laden oder Erzeugen eines Anregungssignals mit einer definierten Eigenschaft; eine Einrichtung (616) zum Ausgeben des Anregungssignals in das Batteriemodul (20; 30) mit dem Schalter (210, 220, 4201, 4202); eine Einrichtung (616) zum Erfassen eines Antwortsignals des Schalters (210, 220, 4201, 4202) von dem Batteriemodul (20; 30); eine Einrichtung (612) zum Erkennen der definierten Eigenschaft, die durch das Anregungssignal in das Antwortsignal aufgeprägt worden ist, in dem erfassten Antwortsignal; und eine Einrichtung (612) zum Bestimmen eines Zustands des Schalters (210, 220, 4201, 4202) mittels des erfassten Antwortsignals, ein Batteriemodul (20; 30), eine Batterie, ein Batteriesystem, ein Fahrzeug, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Stand der Technik
Es ist absehbar, dass sowohl bei stationären Anwendungen, zum Beispiel bei Windkraftanlagen, als auch bei mobilen Anwendungen, zum Beispiel bei Elektrokraftfahrzeugen (electric vehicles, EV), Hybridfahrzeugen (hybrid electric vehicles, HEV) oder Steckdosenhybridfahrzeugen (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV), als wiederaufladbare elektrische Energiespeicher (EES, electrochemical storage system, ESS) vermehrt neue Batteriesysteme bzw. Batteriemodule, zum Beispiel mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zum Einsatz kommen werden.
Die Batteriemodule werden mit elektrischen bzw. elektronischen Komponenten, zum Beispiel Motoren wie Antriebsmotoren, Generatoren wie Zusatz- oder Hilfsgeneratoren, Ladevorrichtungen wie externen Ladestationen oder Stromtankstellen, verbunden. Die Komponenten können Bauteile mit großen Kapazitätswerten (Kondensatoren) umfassen. Durch große Kapazitätswerte können Lastspitzen ausgeglichen werden.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriemoduls bzw. Batteriesystems zu gewährleisten, ist es üblich, die Komponenten über Schalter wie steuerbare Schalter, zum Beispiel Lastschalter, Relais, Schütze oder Schaltschütze, mit den Batteriemodulen zu verbinden. Dadurch können die Komponenten zugeschaltet bzw. von den Batteriemodulen abgetrennt werden.
Dabei kann durch allpolige Schalter die Sicherheit der Batteriemodule weiter erhöht werden.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit einer Vorrichtung zur Überwachung des Batteriemoduls 10 gemäß des Stands der Technik.
Das Batteriemodul 10 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n können, wie in 1 beispielhaft gezeigt, seriell miteinander elektrisch verbunden sein. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n stellen an ihrem (positiven) Pluspol, d. h. dem Pluspol der Batteriezelle 100 _n, eine Hochspannung (high voltage, U_HV) 110 ₂ gegenüber ihrem (negativen) Minuspol, d. h. dem Minuspol der Batteriezelle 100 ₁, der mit einer Hochspannungsmasse (high-voltage ground, HV-ground) 110 ₁ verbunden ist, bereit.
Das Batteriemodul 10 umfasst weiterhin einen ersten Schalter 410 ₁, einen ersten Vorwiderstand 420 ₁ und einen ersten Strommesser 430 ₁, die miteinander seriell verbunden und zwischen der Hochspannungsmasse 110 ₁ und einer Niederspannungsmasse (low-voltage ground, LV-ground) bzw. Fahrzeugmasse 510 ₁ angeordnet sind, sowie einen zweiten Schalter 410 ₂, einen zweiten Vorwiderstand 420 ₂ und einen zweiten Strommesser 430 ₂, die miteinander seriell verbunden und zwischen der Hochspannung 110 ₂ und der Niederspannungsmasse 510 ₁ angeordnet sind, zur Erkennung eines Isolationsfehlers des Batteriemoduls 10.
Dazu werden die Schalter 410 ₁, 410 ₂ abwechselnd kurzzeitig geschlossen. Wenn kein Isolationsfehler vorliegt, stellen die Strommesser 430 ₁, 430 ₂ keinen Stromfluss fest. Wenn im negativen Zweig des Batteriemoduls 10 ein Isolationsfehler 150 ₁ vorliegt, kann aufgrund der Hochspannung 110 ₂ von dem Pluspol über den geschlossenen zweiten Schalter 410 ₂, den zweiten Vorwiderstand 420 ₂, den zweiten Strommesser 430 ₂, die Niederspannungsmasse 510 ₁ und den Isolationsfehler 150 ₁ ein Strom zur Hochspannungsmasse 110 ₁ fließen, der von dem zweiten Strommesser 430 ₂ gemessen wird. Wenn im positiven Zweig des Batteriemoduls 10 ein Isolationsfehler vorliegt, kann entsprechend vom ersten Strommesser 430 ₁ ein Strom gemessen werden.
Das Batteriemodul 10 umfasst weiterhin einen negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ und einen positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂, an denen ein negativer Komponentenanschluss 240 ₁ und ein positiver Komponentenanschluss 240 ₂ einer Komponente anschließbar sind. Die Komponente umfasst, wie in 1 beispielhaft gezeigt, typischerweise eine Kapazität 310 mit einem großen Kapazitätswert sowie einen ersten Widerstand 320 ₁ und einen dazu seriell verbundenen zweiten Widerstand 320 ₂, die zu der Kapazität 310 parallel geschaltet sind. Der erste Widerstand 320 ₁ und der zweite Widerstand 320 ₂, die auch als Symmetriewiderstände bezeichnet werden, weisen gleiche, hohe Widerstandswerte beispielsweise im Bereich Megaohm (MΩ) auf, und ihre miteinander verbundenen Anschlüsse sind mit der Niederspannungsmasse 510 ₁ verbunden.
Das Batteriemodul 10 umfasst aus Sicherheitsgründen weiterhin ein erstes Schütz („negatives“ Schütz) 210, das zwischen dem Minuspol und dem negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ angeordnet ist, und ein zweites Schütz („positives“ Schütz) 220, das zwischen dem Pluspol und dem positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂ angeordnet ist, zur allpoligen Trennung der Komponente von den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n. Das Batteriemodul 10 umfasst weiterhin eine Vorladeeinrichtung mit einem dritten Schütz (Vorladeschütz) 230 und einem dazu in Serie verbundenen dritten Widerstand (Vorladewiderstand) 235, die parallel zu dem positiven Schütz 220 angeordnet ist.
Zunächst werden das negative Schütz 210 und das Vorladeschütz 230 geschlossen, sodass die Kapazität 310 über den Vorladewiderstand 235 vorgeladen wird, während das positive Schütz 220 geöffnet bleibt. Wenn die Vorladung der Kapazität 310 abgeschlossen ist, wird das positive Schütz 220 geschlossen, sodass die Komponente in Betrieb gehen kann.
Beispielsweise durch hohe Ströme, d. h. Ströme oberhalb eines spezifizierten maximalen Stroms, können Kontakte der Schütze 210, 220, 230 insbesondere des negativen Schützes 210 bzw. positiven Schützes 220 miteinander verkleben, sodass weiterhin ein Strom durch die Komponente fließen kann, obwohl sie mittels des Schützes 210, 220 abgetrennt werden soll. Durch eine Diagnose der Schütze 210, 220, 230 soll dieser Fehlerfall möglichst frühzeitig erkannt werden.
Dabei soll die Diagnose sowohl bei geöffneten Schützen als auch bei geschlossenen Schützen erfolgen können. Die Diagnose kann durch Spannungsmessungen mit Bezug auf die Hochspannungsmasse 110 ₁ erfolgen. Dabei sind einfache Spannungsmessungen jedoch aufgrund von verschiedenen hochohmigen Verbindungen zwischen dem Batteriemodul 10 und der Fahrzeugmasse 510 ₁ oft mit Messfehlern durch Potentialverschiebungen behaftet. Dadurch wird insbesondere die Diagnose des negativen Schützes 210 erschwert.
Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Akkumulatoren (Batterien) und Akkumulatorsystemen (Batteriesystemen) weiter zu erhöhen, ist es somit erforderlich, die Überwachung der Schalter bzw. Schütze zu verbessern, sodass verklebte bzw. klebende Kontakte besser und / oder frühzeitiger erkannt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch Verwendung eines definierten Anregungssignals (Eingangssignals) ein dementsprechendes gemessenes Antwortsignal (Ausgangssignal) zugeordnet und darin ein Zustand des Schalters zuverlässig erkannt werden kann. Da das Antwortsignal dem Anregungssignal zugeordnet werden kann, ist die Höhe des Antwortsignals unerheblich. Somit können Spannungsschwankungen aufgrund unterschiedlicher Komponenten mit unterschiedlichen Bauteilen und / oder Störsignale, die im Antwortsignal aufgrund von Überlagerung enthalten sein können, die Erkennung des Zustands des Schalters nicht beeinträchtigen. Dabei kann die Definition des Anregungssignals beispielsweise Signalform, Periodendauer, Impulsdauer und / oder Tastgrad bzw. Tastverhältnis umfassen, und / oder das Anregungssignals kann zeitdiskret und / oder wertdiskret ausgebildet sein. Somit kann eine Diagnose des Schalters bzw. Schützes unter Verwendung der Isolationsmessvorrichtung erfolgen. Dabei kann die Diagnose sowohl bei geöffneten Schützen als auch bei geschlossenen Schützen erfolgen. Weiterhin wird die Diagnose des negativen Schützes erleichtert. Dadurch können verklebte bzw. klebende Kontakte besser und / oder frühzeitiger erkannt werden. Somit können die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Batteriemoduls verbessert werden. Dabei können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen beispielsweise als Steuergerät wie Batterie-Steuergerät oder Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) ausgebildet sein und Messungen und Vorgänge können von dem Steuergerät ausgeführt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Zweckmäßiger Weise kann das Anregungssignal eine Signalfolge, Impulsfolge, Zufallsfolge oder Pseudozufallsfolge umfassen. Dadurch kann das Anregungssignal von anderen Signalen unterscheiden werden. Somit kann das Erkennen des Antwortsignals verbessert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Anregungssignal zeitdiskret ausgeführt sein. Dadurch können zeitliche Abstände der Spannungswerte oder Stromwerte definiert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Anregungssignal wertdiskret ausgeführt sein. Dadurch können Höhen der Spannungswerte oder Stromwerte definiert werden.
Zweckmäßiger Weise kann die definierte Eigenschaft eine Periodendauer des Anregungssignals umfassen. Dadurch kann die Erkennbarkeit der Eigenschaft verbessert werden. Somit können Einflüsse von Störungen und / oder Überlagerungen reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann die definierte Eigenschaft eine Impulsdauer des Anregungssignals umfassen. Dadurch kann die Erkennbarkeit der Eigenschaft verbessert werden. Somit können Einflüsse von Störungen und / oder Überlagerungen reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann die definierte Eigenschaft einen Tastgrad des Anregungssignals umfassen. Dadurch kann die Erkennbarkeit der Eigenschaft verbessert werden. Somit können Einflüsse von Störungen und / oder Überlagerungen reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann der Schalter als steuerbarer Schalter, Schütz oder Lastschütz ausgebildet sein. Dadurch kann das Anschalten oder Abtrennen von Komponenten an das Batteriemodul überwacht werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Erkennen der definierten Eigenschaft mittels Korrelation wie signalanalytischer Korrelation erfolgen. Dadurch kann die Erkennung der Eigenschaft verbessert werden. Somit können Einflüsse von Störungen und / oder Überlagerungen weiter reduziert werden.
Zweckmäßiger Weise kann das Bestimmen des Zustands des Schalters ein Bewerten des bestimmten Zustands umfassen. Dadurch kann die Funktion des Schalters erkannt werden. Beispielsweise kann zwischen einem geschlossenem Schalter und einen verklebten Schalter, der eigentlich geöffnet sein sollte, unterschieden werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriemodul bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin eine Batterie bereit, die die zuvor beschriebene Vorrichtung oder das zuvor beschriebene Batteriemodul umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Batteriesystem bereit, das die zuvor beschriebene Vorrichtung, das zuvor beschriebene Batteriemodul oder die zuvor beschriebene Batterie umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug wie Elektrokraftfahrzeug, Hybridfahrzeug, Plug-In Hybridfahrzeug oder Elektromotorrad (Elektro-Bike, E-Bike), Elektrofahrrad (Pedal Electric Cycle, Pedelec), ein Seefahrzeug wie Elektroboot oder Unterseeboot (U-Boot), ein Luftfahrzeug oder ein Raumfahrzeug, bereit, das die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Vorrichtung, das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriemodul, die zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batterie oder das zuvor beschriebene und mit dem Fahrzeug verbundene Batteriesystem umfasst.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogramm bereit, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden. Dabei kann der Computer beispielsweise als Steuergerät wie Batterie-Steuergerät oder Batteriemanagementsystem ausgebildet sein. Somit kann das Computerprogramm beispielsweise als Programm in dem Speicher des Steuergeräts gespeichert sein und Messungen und Vorgänge können von dem Steuergerät unter Kontrolle des Programms, ausgeführt werden.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Computerprogrammprodukt bereit, das das zuvor beschriebene Computerprogramm umfasst.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Verfahrensschritte nicht zwangsläufig in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen. In einer weiteren Ausführungsform können die Verfahrensschritte auch ineinander verschachtelt sein (Interleaving).
Weiterhin ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des beschriebenen Verfahrens als einzelne verkaufsfähige Einheiten und restliche Abschnitte des Verfahrens als andere verkaufsfähige Einheiten ausgebildet werden können. Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren als verteiltes System auf unterschiedlichen Computer-basierten Instanzen, zum Beispiel Client-Server-Instanzen, zur Ausführung kommen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Modul seinerseits unterschiedliche Sub-Module umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 10 mit einer Vorrichtung zur Überwachung des Batteriemoduls 10 gemäß des Stands der Technik,
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 20 mit einer Vorrichtung 600 zur Überwachung von Schützen 210, 220 des Batteriemoduls 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 30 mit einer Vorrichtung 600 zur Überwachung von Schützen 210, 220 des Batteriemoduls 30 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
4 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe von Anregungssignalen U₄₁₀ und Antwortsignalen U₇₁₀, U₇₂₀ der Überwachung der Schütze 210, 220 der Batteriemodule 20; 30, und
5 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Antwortsignals I₅₃₀ der Überwachung der Schütze 210, 220 der Batteriemodule 20; 30.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 20 mit einer Vorrichtung 600 zur Überwachung von Schützen 210, 220 des Batteriemoduls 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Batteriemodul 20 umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n können, wie in 2 beispielhaft gezeigt, seriell miteinander elektrisch verbunden sein. Die Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n stellen an ihrem (positiven) Pluspol, d. h. dem Pluspol der Batteriezelle 100 _n, eine Hochspannung 110 ₂, 700 gegenüber ihrem (negativen) Minuspol, d. h. dem Minuspol der Batteriezelle 100 ₁, der mit einer Hochspannungsmasse 110 ₁ verbunden ist, bereit.
Das Batteriemodul 20 umfasst weiterhin eine Isolationsmessvorrichtung 400. Die Isolationsmessvorrichtung 400 umfasst einen ersten Schalter 410 ₁, einen ersten Vorwiderstand 420 ₁ und einen ersten Strommesser 430 ₁, die miteinander seriell verbunden und zwischen der Hochspannungsmasse 110 ₁ und einer Niederspannungsmasse bzw. Fahrzeugmasse 510 ₁ angeordnet sind, sowie einen zweiten Schalter 410 ₂, einen zweiten Vorwiderstand 420 ₂ und einen zweiten Strommesser 430 ₂, die miteinander seriell verbunden und zwischen der Hochspannung 110 ₂ und der Niederspannungsmasse 510 ₁ angeordnet sind, zur Erkennung eines Isolationsfehlers des Batteriemoduls 20.
Dazu können die Schalter 410 ₁, 410 ₂ abwechselnd kurzzeitig geschlossen werden. Wenn kein Isolationsfehler vorliegt, stellen die Strommesser 430 ₁, 430 ₂ keinen Stromfluss 530 ₁, 530 ₂ fest. Wenn im negativen Zweig des Batteriemoduls 20 ein Isolationsfehler 150 ₁ vorliegt, kann aufgrund der Hochspannung 110 ₂ von dem Pluspol über den geschlossenen zweiten Schalter 410 ₂, den zweiten Vorwiderstand 420 ₂, den zweiten Strommesser 430 ₂, die Niederspannungsmasse 510 ₁ und den Isolationsfehler 150 ₁ ein Strom 530 ₂ zur Hochspannungsmasse 110 ₁ fließen, der von dem zweiten Strommesser 430 ₂ gemessen wird. Wenn im positiven Zweig des Batteriemoduls 10 ein Isolationsfehler vorliegt, kann entsprechend vom ersten Strommesser 430 ₁ ein Strom 530 ₁ gemessen werden.
Das Batteriemodul 20 umfasst weiterhin einen negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ und einen positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂, an denen ein negativer Komponentenanschluss 240 ₁ und ein positiver Komponentenanschluss 240 ₂ einer Komponente 300 anschließbar sind. Die Komponente 300 umfasst, wie in 1 beispielhaft gezeigt, typischerweise eine Kapazität 310 mit einem großen Kapazitätswert sowie einen ersten Widerstand 320 ₁ und einen dazu seriell verbundenen zweiten Widerstand 320 ₂, die zu der Kapazität 310 parallel geschaltet sind. Der erste Widerstand 320 ₁ und der zweite Widerstand 320 ₂, die auch als Symmetriewiderstände bezeichnet werden, weisen gleiche, hohe Widerstandswerte beispielsweise im Bereich Megaohm auf, und ihre miteinander verbundenen Anschlüsse sind mit der Niederspannungsmasse 510 ₁ verbunden. Das Batteriemodul 20 kann eine Vielzahl von negativen Batteriemodulanschlüssen und eine Vielzahl von positiven Batteriemodulanschlüssen umfassen. Die Komponente 300 kann beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs als Motor wie Antriebsmotor ausgebildet sein. Die Komponente 300 kann außerhalb des Fahrzeugs als Ladevorrichtung wie externe Ladestation oder Stromtankstelle ausgebildet sein.
Das Batteriemodul 20 umfasst aus Sicherheitsgründen weiterhin ein erstes Schütz („negatives“ Schütz) 210, das zwischen dem Minuspol und dem negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ angeordnet ist, und ein zweites Schütz („positives“ Schütz) 220, das zwischen dem Pluspol und dem positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂ angeordnet ist, zur allpoligen Trennung der Komponente 300 von den Batteriezellen 100 ₁, ... 100 _n. Das Batteriemodul 20 umfasst weiterhin eine Vorladeeinrichtung mit einem dritten Schütz (Vorladeschütz) 230 und einem dazu in Serie verbundenen dritten Widerstand (Vorladewiderstand) 235, die parallel zu dem positiven Schütz 220 angeordnet ist.
Zum Anschalten der Komponente 300 werden zunächst das negative Schütz 210 und das Vorladeschütz 230 geschlossen, sodass die Kapazität 310 über den Vorladewiderstand 235 vorgeladen wird, während das positive Schütz 220 geöffnet bleibt. Wenn die Vorladung der Kapazität 310 abgeschlossen ist, wird das positive Schütz 220 geschlossen, sodass die Komponente in Betrieb gehen kann. Anschließend kann das Vorladeschütz 230 geöffnet werden.
Zum Abtrennen der Komponente 300 werden zunächst das positive Schütz 220 und daran anschließend das negative Schütz 210 geöffnet.
Das Batteriemodul 20 umfasst weiterhin die Vorrichtung 600 zur Überwachung der Schütze 210, 220.
Die Vorrichtung 600 umfasst einen ersten Widerstand (Messwiderstand) 630 ₁, der zwischen dem negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ und der Hochspannungsmasse 110 ₁ bzw. parallel zum ersten Schütz 210 angeordnet ist, zur Messung einer ersten Spannung („negativen“ Spannung) 710 und einen zweiten Widerstand (Messwiderstand) 630 ₂, der zwischen dem positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂ und der Hochspannungsmasse 110 ₁ angeordnet ist, zur Messung einer zweiten Spannung („positiven“ Spannung) 720.
Die Vorrichtung 600 umfasst weiterhin eine Überwachungseinrichtung 610, umfassend eine Verarbeitungseinrichtung 612, die beispielsweise als Prozessor, Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildet sein kann, zum programmgesteuerten Verarbeiten von Signalen und Messwerten wie Spannungsmesswerten und Überwachen der Schütze 210, 220, eine Speichereinrichtung 614, die mit der Verarbeitungseinrichtung 612 verbunden ist und beispielsweise als Speicher wie nichtflüchtiger Speicher und / oder flüchtiger Speicher ausgebildet sein kann, zum Speichern von Befehlen und / oder Daten wie Signalen, Messwerten, Schwellenwerten und / oder Stellwerten, und eine Verbindungseinrichtung 616, die mit der Verarbeitungseinrichtung 612 verbunden ist und beispielsweise als Schnittstelle ausgebildet sein kann, zum Übertragen von Signalen und / oder Daten. Die Verbindungseinrichtung 616 kann beispielsweise über Steuerleitungen 624 ₁, 624 ₂ mit den Schaltern 410 ₁, 410 ₂ und über Messleitungen 621 ₁, 621 ₂, 621 ₁, 621 ₂ zur Messung der Hochspannung 700 mit dem Pluspol der Batteriezelle 100 _n, zur Messung der negativen Spannung 710 mit dem negativen Batteriemodulanschluss 240 ₁ und zur Messung der positiven Spannung 720 mit dem positiven Batteriemodulanschluss 240 ₂ verbunden sein. Die Überwachungseinrichtung 610 kann in dem Batteriemodul 20 integriert sein. Die Überwachungseinrichtung 610 kann durch ein Batteriemanagementsystem (battery management system, BMS) verwirklicht werden. Alternativ kann die Überwachungseinrichtung 610 durch einen entfernten Computer bzw. Rechner beispielsweise einen zentraler Server verwirklicht werden. Dabei können die Daten beispielsweise über das Internet oder drahtlos übertragen werden.
Ein Verfahren zur Überwachung der Schütze 210, 220, das beispielsweise in der Überwachungseinrichtung 610 und / oder als Computer-implementiertes Verfahren ausgeführt werden kann, beginnt beispielsweise mit Übertragen von Befehlen, die in der Speichereinrichtung 614 gespeichert sind, in die Verarbeitungseinrichtung 612.
Das Verfahren kann Laden oder Erzeugen eines Anregungssignals, das mit Bezug auf 4 beschrieben wird, mit definierten Eigenschaften umfassen, wobei die definierten Eigenschaften beispielsweise Periodendauer, Impulsdauer oder Tastgrad umfassen. Das Anregungssignal kann eine Signalfolge wie Impulsfolge (Pulssequenz, Puls) oder Zufallsfolge wie Pseudozufallsfolge umfassen. Das Anregungssignal kann zeitdiskret ausgeführt sein.
Das Verfahren umfasst Ausgeben des Anregungssignals. Dazu kann das Verfahren zur Überwachung des ersten Schützes 210 ein Schalten des zweiten Schalters 410 gemäß des Anregungssignals umfassen. Wenn der zweite Schalter 410 geschlossen ist, teilt sich die Hochspannung 700 auf den zweiten Vorwiderstand 420 ₂, eine erste Parallelschaltung der Symmetriewiderstände 320 ₁, 320 ₂ und eine zweite Parallelschaltung der Messwiderstände 630 ₁, 630 ₂ auf. Dabei ist die negative Spannung 710, bezogen auf den in 2 gezeigten Spannungspfeil, negativ, wenn der erste Schütz 210 geöffnet ist. Die positive Spannung 720 ist, bezogen auf den in 2 gezeigten Spannungspfeil, positiv.
Das Verfahren umfasst weiterhin Erfassen eines Antwortsignals, das mit Bezug auf 4 beschrieben wird. Dazu kann das Verfahren bei Überwachung des ersten Schützes 210 ein Erfassen von Messwerten der negativen Spannung 710 umfassen.
Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erkennen der definierten Eigenschaften, die durch das Anregungssignal in das Antwortsignal aufgeprägt worden sind, in dem erfassten Antwortsignal. Das Erkennen der definierten Eigenschaften in dem Antwortsignal kann durch Korrelation wie signalanalytische Korrelation mit dem Anregungssignal erfolgen. Bei der Überwachung des ersten Schützes 210 ist der Schütz verklebt, also ungewollt geschlossen, wenn die negative Spannung 710 während Vorliegens der definierten Eigenschaften null ist.
Das Verfahren kann regelmäßig oder sporadisch ausgeführt werden.
Ein Verfahren zur Überwachung eines Schaltens des negativen Schützes 210 kann, vor einem Schließen des negativen Schützes 210 zum Anschalten der Komponente 300, ein Schließen des zweiten Schalters 410 ₂, ein Erfassen eines Antwortsignals des zweiten Strommessers 430 ₂ und ein Auswerten des erfassten Antwortsignals umfassen. Ein Umladen von internen Kondensatoren bewirkt einen Verlauf, der mit Bezug auf 5 beschrieben wird, mit einem starken Anstieg und einem darauffolgendem Abklingen des Stroms. Wenn das erfasste Antwortsignal einem vorbestimmten Signal entspricht, das einem korrekten Schließen entspricht, schließt das negative Schütz 210 korrekt.
Ein Verfahren zur Überwachung eines Schaltens des positiven Schützes 220 und des negativen Schützes 210 kann, vor einem Öffnen des positiven Schützes 220 und des negativen Schützes 210 zum Abtrennen der Komponente 300, ein Schließen des zweiten Schalters 410 ₂, ein Erfassen eines Antwortsignals des zweiten Strommessers 430 ₂ und ein Auswerten des erfassten Antwortsignals umfassen. Wenn das erfasste Antwortsignal einem vorbestimmten Signal entspricht, das einem korrekten Öffnen entspricht, öffnet das negative Schütz 210 korrekt.
Ein Verfahren zur Diagnose der Isolationsmessvorrichtung 400, das beispielsweise in der Überwachungseinrichtung 610 und / oder als Computerimplementiertes Verfahren ausgeführt werden kann, beginnt beispielsweise mit Übertragen von Befehlen, die in der Speichereinrichtung 614 gespeichert sind, in die Verarbeitungseinrichtung 612.
Zur Diagnose des ersten Schalters 410 ₁, des ersten Vorwiderstands 420 ₁ und des ersten Strommessers 430 ₁ umfasst das Verfahren weiterhin, wenn das negative Schütz 210, das positive Schütz 220 und der zweite Schalter 410 ₂ geöffnet sind, ein Schließen des ersten Schalters 410 ₁ und, zum Aufprägen eines Anregungssignals, ein daran anschließendes Schließen des Vorladeschützes 430 für eine definierte Zeit, sodass das Anregungssignal definierte Eigenschaften umfasst. Nun können ein Strom von dem Pluspol der Batteriezelle 100 _n über das Vorladeschütz 230 und den Vorladewiderstand 235 und den zweiten Messwiderstand 630 ₂ zur Hochspannungmasse 110 ₁ fließen und ein anderer Strom über das Vorladeschütz 230 und den Vorladewiderstand 235, den zweiten Widerstand 320 ₂, Niederspannungsmasse 510 ₁, den ersten Strommesser 430 ₁, den ersten Vorwiderstand 420 ₁ und den ersten Schalter 410 ₁ zur Hochspannungmasse 110 ₁ fließen.
Das Verfahren umfasst weiterhin Erfassen eines Antwortsignals mit dem ersten Strommesser 430 ₁.
Das Verfahren umfasst weiterhin ein Erkennen der definierten Eigenschaften, die durch das Anregungssignal in das Antwortsignal aufgeprägt worden sind, in dem erfassten Antwortsignal. Bei der Diagnose des ersten Schalters 410 ₁, des ersten Vorwiderstands 420 ₁ und des ersten Strommessers 430 ₁ sind diese funktionsfähig, wenn das erfasste Antwortsignal die aufgeprägte Eigenschaft umfasst.
Zur Diagnose des zweiten Schalters 410 ₂, des zweiten Vorwiderstands 420 ₂ und des zweiten Strommessers 430 ₂ umfasst das Verfahren weiterhin, wenn das positive Schütz 220 und das Vorladeschütz 230 geöffnet sind, ein Schließen des zweiten Schalters 410 ₂ und, zum Aufprägen eines Anregungssignals, ein daran anschließendes Schließen des ersten Schützes 410 für eine definierte Zeit, sodass das Anregungssignal definierte Eigenschaften umfasst.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Batteriemoduls 30 mit einer Vorrichtung 600 zur Überwachung von Schützen 210, 220 des Batteriemoduls 30 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Das Batteriemodul 30 entspricht im Wesentlichen dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Batteriemodul 20. Die Isolationsmessvorrichtug 400 umfasst weiterhin eine erste Quantisierungseinrichtung 440 ₁, die beispielsweise zwischen dem ersten Schalter 410 ₁ und dem ersten Vorwiderstand 420 ₁ angeordnet sein kann, und / oder eine zweite Quantisierungseinrichtung 440 ₂, die beispielsweise zwischen dem zweiten Schalter 410 ₂ und dem zweiten Vorwiderstand 420 ₂ angeordnet sein kann. Dadurch kann das Anregungssignal wertdiskret bzw. zeitdiskret und wertdiskret ausgeführt sein. Beispielsweise können zwei oder mehr verschieden hohe Spannungswerte auf das Anregungssignal aufgeprägt werden.
4 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe von Anregungssignalen U₄₁₀ und Antwortsignalen U₇₁₀, U₇₂₀ der Überwachung der Schütze 210, 220 der Batteriemodule 20; 30.
Die Anregungssignale U₄₁₀ umfassen eine zeitdiskrete, wertekontinuierliche Signalfolge mit zwei definierten Pulslängen t₁, t₃, definierter Pulspause t₂ und definiertem Pausenverhältnis.
Die Antwortsignale U₇₁₀, U₇₂₀ umfassen die definierten Pulslängen t₁, t₃, und definierte Pulspause t₂ und verdeutlichen die Rückwirkung auf die Spannungsmessungen auf die negative Spannung 710 und die positive Spannung 720 im Hochvoltbereich der Batteriemodule 20; 30. Da die aufgeprägten Eigenschaften der Anregungssignale U₄₁₀ in beiden Antwortsignalen U₇₁₀, U₇₂₀ enthalten sind, sind beide Schütze 210, 220 geöffnet, d. h. nicht verklebt. Dabei sind die genauen Spannungswerte unerheblich.
5 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf eines Antwortsignal I₅₃₀ der Überwachung der Schütze 210, 220 der Batteriemodule 20; 30.
Das Antwortsignal I₅₃₀ zeigt aufgrund eines Schaltvorgangs zunächst einem starken Anstieg und ein darauffolgendes Abklingen des Stroms über die Zeitdauer t₄.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „umfassend“ und „aufweisend“ oder dergleichen nicht ausschließen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Die verwendeten Anzahlen sind lediglich beispielhaft, sodass eine Vielzahl zwei, vier, fünf, sechs, oder mehr Elemente oder Schritte umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Artikel wie „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen. Weiterhin wird angemerkt, dass Zahlwörter bzw. Ordnungszahlen wie „erste“, „zweite“ usw. ausschließlich zur Unterscheidung von Elementen und Schritten dienen, ohne dabei eine Reihenfolge der Anordnung der Elemente oder der Ausführung der Schritte festzulegen bzw. zu beschränken. Außerdem können die in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Schließlich wird angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims

Vorrichtung (600) zur Überwachung eines Schalters (210, 220) eines Batteriemoduls (20; 30), gekennzeichnet durch: – eine Einrichtung (612) zum Laden oder Erzeugen eines Anregungssignals mit einer definierten Eigenschaft; – eine Einrichtung (616) zum Ausgeben des Anregungssignals in das Batteriemodul (20; 30) mit dem Schalter (210, 220, 420 ₁, 420 ₂); – eine Einrichtung (616) zum Erfassen eines Antwortsignals des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) von dem Batteriemodul (20; 30); – eine Einrichtung (612) zum Erkennen der definierten Eigenschaft, die durch das Anregungssignal in das Antwortsignal aufgeprägt worden ist, in dem erfassten Antwortsignal; und – eine Einrichtung (612) zum Bestimmen eines Zustands des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) mittels des erfassten Antwortsignals.
Die Vorrichtung (600) nach Anspruch 1, wobei: – das Anregungssignal eine Signalfolge, Impulsfolge, Zufallsfolge oder Pseudozufallsfolge umfasst; – das Anregungssignal zeitdiskret ausgeführt ist; – das Anregungssignal wertdiskret ausgeführt ist; – die definierte Eigenschaft eine Periodendauer des Anregungssignals umfasst; – die definierte Eigenschaft eine Impulsdauer des Anregungssignals umfasst; oder – die definierte Eigenschaft einen Tastgrad des Anregungssignals umfasst.
Die Vorrichtung (600) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: – der Schalter (201, 220) als steuerbarer Schalter, Schütz oder Lastschütz ausgebildet ist; – das Erkennen der definierten Eigenschaft mittels Korrelation oder signalanalytischer Korrelation erfolgt; und – das Bestimmen des Zustands des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) ein Bewerten des bestimmten Zustands umfasst.
Batteriemodul (20; 30), umfassend: – die Vorrichtung (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Batterie, umfassend: – die Vorrichtung (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder – das Batteriemodul (20; 30) nach Anspruch 4.
Batteriesystem, umfassend: – die Vorrichtung (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder – das Batteriemodul (20; 30) nach Anspruch 4, – die Batterie nach Anspruch 5.
Fahrzeug, umfassend: – die Vorrichtung (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, verbunden mit dem Fahrzeug, – das Batteriemodul (20; 30) nach Anspruch 4, verbunden mit dem Fahrzeug, – die Batterie nach Anspruch 5, verbunden mit dem Fahrzeug, oder – das Batteriesystem nach Anspruch 6, verbunden mit dem Fahrzeug.
Verfahren zur Überwachung eines Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) eines Batteriemoduls (20; 30), gekennzeichnet durch: – Laden oder Erzeugen eines Anregungssignals mit einer definierten Eigenschaft; – Ausgeben des Anregungssignals in das Batteriemodul (20; 30) mit dem Schalter (210, 220, 420 ₁, 420 ₂); – Erfassen eines Antwortsignals des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) von dem Batteriemodul (20; 30); – Erkennen der definierten Eigenschaft, die durch das Anregungssignal in das Antwortsignal aufgeprägt worden ist, in dem erfassten Antwortsignal; und – Bestimmen eines Zustands des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) mittels des erfassten Antwortsignals.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei: – das Anregungssignal eine Signalfolge, Impulsfolge, Zufallsfolge oder Pseudozufallsfolge umfasst; – das Anregungssignal zeitdiskret ausgeführt werden; – das Anregungssignal wertdiskret ausgeführt werden; – die definierte Eigenschaft eine Periodendauer des Anregungssignals umfasst; – die definierte Eigenschaft eine Impulsdauer des Anregungssignals umfasst; oder – die definierte Eigenschaft einen Tastgrad des Anregungssignals umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei: – der Schalter (201, 220) als steuerbarer Schalter, Schütz oder Lastschütz ausgebildet werden; – das Erkennen der definierten Eigenschaft mittels Korrelation oder signalanalytischer Korrelation erfolgt; und – das Bestimmen des Zustands des Schalters (210, 220, 420 ₁, 420 ₂) ein Bewerten des bestimmten Zustands umfasst.
Computerprogramm, das auf einem Datenträger oder in einem Speicher eines Computers gespeichert ist und das von dem Computer lesbare Befehle umfasst, die zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 bestimmt sind, wenn die Befehle auf dem Computer ausgeführt werden.
Computerprogrammprodukt, das das Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst.