DE102015004836A1

DE102015004836A1 - Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015004836A1
Application number: DE102015004836.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Schäffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Netz (10) für ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltvorrichtung (14) zur elektrischen Freischaltung einer an das Hochvolt-Netz (10) anschließbaren Hochvolt-Batterie (12), einem Batteriesteuergerät (16) zur Ansteuerung der Schaltvorrichtung (14) und einer Stromerfassungseinrichtung (18) zur Erfassung eines in dem Hochvolt-Netz (10) fließenden Stroms. Das Batteriesteuergerät (16) ist dazu ausgelegt ist, mittels der Stromerfassungseinrichtung (18) eine Änderungsrate des Stroms zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Änderungsrate die Schaltvorrichtung (14) anzusteuern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes (10) in einem Kraftfahrzeug, mit Erfassen eines in dem Hochvolt-Netz (10) fließenden Stroms, Ermitteln einer Änderungsrate des Stroms und Freischalten des Hochvolt-Netzes (10) von einer Hochvolt-Batterie (12) in Abhängigkeit von der Änderungsrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltvorrichtung zur elektrischen Freischaltung einer an das Hochvolt-Netz anschließbaren Hochvolt-Batterie, einem Batteriesteuergerät zur Ansteuerung der Schaltvorrichtung und einer Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung eines in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes in einem Kraftfahrzeug, umfassend Erfassen eines in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms, Ermitteln einer Änderungsrate des Stroms und Freischalten des Hochvolt-Netzes von einer Hochvolt-Batterie.
Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können ein Hochvolt-Netz aufweisen, welches insbesondere der Bereitstellung elektrischer Energie für einen elektrischen Antrieb dient. Unter einem Hochvolt-Netz in einem Fahrzeug, auch als Hochvolt-Bordnetz bezeichnet, wird üblicherweise ein Bordnetz mit einer Betriebsspannung größer als 60 Volt bei Betrieb mit einer Gleichspannung und größer als 25 Volt bei Betrieb mit einer Wechselspannung verstanden. Als Energiespeicher zur elektrischen Versorgung des Hochvolt-Netzes dient eine Hochvolt-Batterie, welche über eine Schaltvorrichtung mit dem Hochvolt-Netz gekoppelt wird. Üblicherweise erfolgt diese Kopplung über zwei sogenannte Batterie-Schütze, welche eine zweipolige Abtrennung der Hochvolt-Batterie von dem Hochvolt-Netz ermöglichen. Somit ist eine sichere galvanische Trennungsmöglichkeit des Hochvolt-Netzes von der einspeisenden Hochvolt-Batterie bereitgestellt, welche beispielsweise im Fehlerfall oder in einem Wartungsfall oder auch bei einer längeren Außerbetriebnahme erlaubt, das Hochvolt-Netz spannungsfrei zu schalten.
Ein solcher Fehler kann beispielsweise vorliegen, wenn ein in dem Hochvolt-Netz angeordneter DC/DC-Wandler oder ein Antriebsstromrichter einen Defekt aufweist, welcher zu einem höheren Stromfluss in dem Hochvolt-Netz führt, wobei die Höhe des fließenden Stroms dann deutlich oberhalb eines Wertes liegt, für den das Hochvolt-Netz bei einem normalerweise zu erwartenden Betrieb ausgelegt ist. Ein massiver Überstrom beziehungsweise ein Kurzschlussstrom, bei welchem im Wesentlichen nur der Innenwiderstand der Hochvolt-Batterie sowie die Widerstände der in dem Stromkreis befindlichen Leitungen den Kurzschlussstrom begrenzen, kann zu Schädigungen oder Verletzungen des Hochvolt-Leitungssatzes oder der eingesetzten Hochvolt-Komponenten führen. Um eine solche Schädigung zu verhindern, wird üblicherweise die Höhe des in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms überwacht, und bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes wird die Schaltvorrichtung so angesteuert, dass die elektrische Verbindung zwischen der Hochvolt-Batterie und dem Hochvolt-Netz getrennt wird. insbesondere bei einem Gleichspannungs-Netz (DC-Netz) steigt aufgrund der fehlenden Nulldurchgänge der Kurzschlussstrom wesentlich schneller an als bei einem vergleichbaren Wechselstrom-Netz (AC-Netz).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches einen verbesserten Schutz im Kurzschlussfall ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Hochvolt-Netz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht von einem Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug aus mit einer Schaltvorrichtung zur elektrischen Freischaltung einer an das Hochvolt-Netz anschließbaren Hochvolt-Batterie, einem Batteriesteuergerät zur Ansteuerung der Schaltvorrichtung und einer Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung eines in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms. Dabei ist das Batteriesteuergerät dazu ausgelegt, mittels der Stromerfassungseinrichtung eine Änderungsrate des Stroms zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Änderungsrate die Schaltvorrichtung anzusteuern. Auf der Basis der Auswertung einer Änderungsrate („Stromgradient”) des in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms ist es möglich, bereits im Aufbau eines Kurzschlussstroms den zugrundeliegenden Fehlerfall eindeutig zu detektieren und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, noch bevor die Höhe des momentan fließenden Stroms infolge des sich aufbauenden Kurzschlussstroms zu einer Schädigung oder Verletzung von Leitungsverbindungen des Hochvolt-Netzes oder von anderen Hochvolt-Komponenten des Hochvolt-Netzes, beispielsweise eines DC/DC-Wandlers, eines Antriebsstromrichters, einer Antriebsmaschine oder weiterer Hochvolt-Nebenaggregate wie einem elektrischen Turbolader oder einem elektrischen Kühlmittelverdichter führt. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise zwei Hochvolt-Batterieschütze aufweisen, die jeweils in einer Zuleitung zu der Hochvolt-Batterie angeordnet sind. Durch die Anordnung des einen Hochvolt-Batterieschützes in einer Plus-Leitung der Hochvolt-Batterie und der Anordnung des anderen Hochvolt-Batterieschützes in einer Minus-Leitung der Hochvolt-Batterie ist somit eine zweipolige Trennung der Hochvolt-Batterie von dem Hochvolt-Netz möglich. Die Freischaltung der Hochvolt-Batterie kann somit unmittelbar nach der Detektion eines Fehlerfalls auf Basis der Auswertung einer Änderungsrate des in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms erfolgen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der in dem Hochvolt-Netz fließende Strom ein durch die Schaltvorrichtung fließender Strom. Die Stromerfassungseinrichtung kann hierbei in unmittelbarer Nähe der Schaltvorrichtung angeordnet sein. Insbesondere kann die Stromerfassungseinrichtung bereits in die Schaltvorrichtung integriert sein. Bei dem in dem Hochvolt-Netz fließenden Strom kann es sich auch um einen durch die Hochvolt-Batterie fließenden Strom handeln, wobei es sich in Abhängigkeit von der Topologie des Hochvolt-Netzes bei einem durch die Schaltvorrichtung fließenden Strom und einem durch die Hochvolt-Batterie fließenden Strom um denselben Strom handeln kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, einen an einer beliebigen Stelle des Hochvolt-Netzes fließenden Strom zu erfassen, beispielsweise einen Strom an einem Ein- oder Ausgang eines DC/DC-Wandlers oder eines Antriebsstromrichters in dem Hochvolt-Netz oder an einem weiteren Hochvolt-Nebenaggregat in dem Hochvolt-Netz.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Batteriesteuergerät dazu ausgelegt, die Schaltvorrichtung derart anzusteuern, dass die Freischaltung der Hochvolt-Batterie von dem Hochvolt-Netz erfolgt, wenn die Änderungsrate („Stromgradient”) einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt. Wird nun eine maximale Änderungsrate des in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms überschritten, so wird unmittelbar nach der Detektion der Überschreitung des vorgebbaren Schwellenwerts, insbesondere sofort danach, die Hochvolt-Batterie von dem Hochvolt-Netz elektrisch getrennt, indem beispielsweise die Hochvolt-Batterieschütze, durch welche die Schaltvorrichtung gegeben sein kann, so schnell wie möglich geöffnet werden. Bevorzugt kann der vorgebbare Schwellenwert 50 Ampere pro Millisekunde betragen.
Verfahrensseitig wird zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen: Erfassen eines in dem Hochvolt-Netz fließenden Stroms, Ermitteln einer Änderungsrate des Stroms und Freischalten des Hochvolt-Netzes von einer Hochvolt-Batterie in Abhängigkeit von der Änderungsrate.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt eine Reduzierung einer Leistungsanforderung zumindest eines Verbrauchers in dem Hochvolt-Netz vor oder gleichzeitig mit dem Freischalten der Hochvolt-Batterie. Indem zusätzlich die Leistungsanforderung eines Verbrauchers in dem Hochvolt-Netz beispielsweise eines elektrischen Turboladers oder eines elektrischen Kühlmittelverdichters jedenfalls so schnell wie möglich reduziert wird, kann der Stromfluss in dem betroffenen Leitungsabschnitt des Hochvolt-Netzes reduziert werden. Des Weiteren kann damit auch die Last, welche von der Schaltvorrichtung beispielsweise in Form der Hochvolt-Batterieschütze geschaltet werden muss, so weit wie möglich reduziert werden, wenn im unmittelbaren zeitlichen Zusammenhang mit der Detektion des Fehlerfalls eine Leistungsanforderung weiterer Hochvolt-Nebenaggregate reduziert wird. Somit kann das Hochvolt-Netz in einen sicheren Zustand überführt werden.
Die für das erfindungsgemäße Hochvolt-Netz beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für entsprechende Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Hochvolt-Netzes und einer Hochvolt-Batterie.
Die Erfindung wird anhand eines Hochvolt-Netzes 10 näher erläutert. An dem Hochvolt-Netz 10 kann eine Hochvolt-Batterie 12 angeschlossen werden. Eine elektrische Freischaltung der an das Hochvolt-Netz 10 anschließbaren Hochvolt-Batterie 12 ist hierbei über zwei Hochvolt-Batterieschütze 14 möglich. Zu diesem Zweck werden die Hochvolt-Batterieschütze 14 von einem Batteriesteuergerät 16 angesteuert. Eine Stromerfassungseinrichtung 18, welche zur Erfassung eines Stromes I1 durch eines der beiden Hochvolt-Batterieschütze 14 ausgelegt ist, stellt ein entsprechendes Signal an das Batteriesteuergerät 16 bereit. In Abhängigkeit einer Änderungsrate des Stroms I1 erfolgt nun eine Abschaltung der Hochvolt-Batterieschütze 14. Wird eine maximale Änderungsrate des Stroms („Stromgradient”) in dem Hochvolt-Netz, welcher beispielsweise zu 50 Ampere pro Millisekunde definiert ist, überschritten, so werden so schnell wie möglich die Hochvolt-Batterieschütze 14 geöffnet. Zusätzlich wird die Leistungsanforderung weiterer Hochvolt-Aggregate, beispielsweise eines elektrischen Turboladers 26 oder eines elektrischen Kühlmittelverdichters 28 ebenfalls so schnell wie möglich reduziert, um den Stromfluss durch die Hochvolt-Batterieschütze 14 zu verringern. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist hierbei der Strom I1 durch die beiden Hochvolt-Batterieschütze identisch und auch gleich zu einem Strom durch die Hochvolt-Batterie 12.
Ein Antriebsstromrichter 22 dient zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebsmaschine 24. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Antriebsstromrichter 22 sowie der elektrische Turbolader 26 und der elektrische Kühlmittelverdichter 28 über die Hochvolt-Batterieschütze 14 mit der Hochvolt-Batterie 12 gekoppelt. Es kann jedoch auch ein DC/DC-Wandler zur Anpassung einer von der Hochvolt-Batterie 12 gelieferten Eingangsspannung an eine von dem Antriebsstromrichter 22 benötigte Spannung vorgesehen sein.
Zunächst wird ein maximal möglicher Stromgradient in Ampere pro Millisekunden bestimmt, der im Normalbetrieb zum Beispiel bei einer maximalen Rekuperation des Hochvolt-Netzes 10 möglich ist. Dann wird ein Stromgradientenschwellwert festgelegt, dessen Wert höher ist als der maximal mögliche Stromgradient im Normalbetrieb. Wird nun der Stromgradientenschwellwert überschritten, zum Beispiel durch einen Kurzschluss in dem Hochvolt-Netz 10, so erfolgt umgehend eine Reaktion des Batteriesteuergerätes 16. Dadurch werden die Hochvolt-Batterieschütze 14 geöffnet.
Gleichzeitig kann über ein übergeordnetes Steuergerät die Leistungsanforderung von Hochvolt-Aggregaten, beispielsweise des elektrischen Turboladers 26 oder des elektrischen Kühlmittelverdichters 28, reduziert werden, um ein Schalten unter Last der beiden Hochvolt-Batterieschütze 14 so weit wie möglich zu minimieren. Somit wird dafür gesorgt, dass das Hochvolt-Netz in einen sicheren Zustand überführt wird. Weiter wird die Belastung der Hochvolt-Batterieschütze 14 durch das Trennen von dem Hochvolt-Netz 10 reduziert. Des Weiteren kann auch ein Fahrer des Kraftfahrzeugs über den Fehler in dem Hochvolt-Netz 10 informiert und eventuell aufgefordert werden, das Kraftfahrzeug innerhalb einer bestimmten Zeit zum Stehen zu bringen.
Somit ergibt sich neben dem Schutz des Hochvolt-Antriebssystems 22, 24 auch ein Schutz der Haupt- und Nebenaggregate 26, 28, der Schutz der Hochvolt-Batterie 12 sowie auch ein Schutz eines Fahrers und eines Beifahrers.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Insbesondere kann die Erfassung des für die Abschaltung der Hochvolt-Batterieschütze relevanten Stroms I1 an einer beliebigen Stelle innerhalb des Hochvolt-Netzes 10 erfolgen, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
Somit wurde vorstehend gezeigt, wie mittels einer Stromgradientenüberwachung im Batteriesteuergerät der Hochvolt-Batterie der Schutz von Fahrzeugkomponenten und auch von Fahrzeuginsassen verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Hochvolt-Netz
12: Hochvolt-Batterie
14: Hochvolt-Schütz
16: Batteriesteuergerät
18: Stromerfassungseinrichtung
22: Antriebsstromrichter
24: Antriebsmaschine
26: Elektrischer Turbolader
28: Elektrischer Kühlmittelverdichter
I1: Strom

Claims

Hochvolt-Netz (10) für ein Kraftfahrzeug mit – einer Schaltvorrichtung (14) zur elektrischen Freischaltung einer an das Hochvolt-Netz (10) anschließbaren Hochvolt-Batterie (12), – einem Batteriesteuergerät (16) zur Ansteuerung der Schaltvorrichtung (14), und – einer Stromerfassungseinrichtung (18) zur Erfassung eines in dem Hochvolt-Netz (10) fließenden Stroms, wobei das Batteriesteuergerät (16) dazu ausgelegt ist, mittels der Stromerfassungseinrichtung (18) eine Änderungsrate des Stroms zu ermitteln und in Abhängigkeit von der Änderungsrate die Schaltvorrichtung (14) anzusteuern.
Hochvolt-Netz (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Hochvolt-Netz (10) fließende Strom ein durch die Schaltvorrichtung (14) fließender Strom (I1) ist.
Hochvolt-Netz (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesteuergerät (16) dazu ausgelegt ist, die Schaltvorrichtung (14) derart anzusteuern, dass die Freischaltung der Hochvolt-Batterie (12) von des Hochvolt-Netzes (10) erfolgt, wenn die Änderungsrate einen vorgebbaren Schwellenwert übersteigt.
Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Netzes (10) in einem Kraftfahrzeug, umfassend: – Erfassen eines in dem Hochvolt-Netz (10) fließenden Stroms, – Ermitteln einer Änderungsrate des Stroms, und – Freischalten des Hochvolt-Netzes (10) von einer Hochvolt-Batterie (12) in Abhängigkeit von der Änderungsrate.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch – Reduzierung einer Leistungsanforderung zumindest eines Verbrauchers (22, 26, 28) in dem Hochvolt-Netz vor oder gleichzeitig mit dem Freischalten der Hochvolt-Batterie (12).