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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatterie für ein Gleichspannungs-Hochvoltbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet sind, einer Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der Batteriezellen mit Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie, wobei die Schalteinheit ausgebildet ist, abhängig von einem Schaltsignal wenigstens einen Einschaltzustand, in dem die Batteriezellen mit den Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie elektrisch gekoppelt sind, und einen Ausschaltzustand einzunehmen, in dem die Batteriezellen von wenigstens einem der Hochvoltanschlüsse der Hochvoltbatterie elektrisch getrennt sind, einer Sensoreinheit zum Erfassen eines Betriebszustands der Hochvoltbatterie und einer an die Sensoreinheit angeschlossenen Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, ein von der Sensoreinheit bereitgestelltes Sensorsignal auszuwerten und abhängig von dem Auswerten des Sensorsignals das Schaltsignal an die Schalteinheit abzugeben. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterie für ein Gleichspannungs-Hochvoltbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die Hochvoltbatterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, die zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die Batteriezellen mittels einer Schalteinheit mit Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie elektrisch gekoppelt werden, wobei die Schalteinheit abhängig von einem Schaltsignal wenigstens einen Einschaltzustand, in dem die Batteriezellen mit den Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie elektrisch gekoppelt werden, und einen Ausschaltzustand einnimmt, in dem die Batteriezellen von wenigstens einem der Hochvoltanschlüsse der Hochvoltbatterie elektrisch getrennt werden, wobei mittels einer Sensoreinheit ein Betriebszustand der Hochvoltbatterie erfasst wird und wobei mittels einer an die Sensoreinheit angeschlossenen Auswerteeinheit ein von der Sensoreinheit bereitgestelltes Sensorsignal ausgewertet wird und abhängig von dem Auswerten des Sensorsignals das Schaltsignal an die Schalteinheit abgegeben wird.
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Gattungsgemäße Hochvoltbatterien werden bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen dazu genutzt, eine elektrische Antriebseinrichtung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie für einen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zu versorgen. Zu diesem Zweck ist die Hochvoltbatterie an die elektrische Antriebseinrichtung elektrisch angeschlossen.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, welches zumindest teilweise elektrische Energie für seinen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb nutzt. Darüber hinaus kann auch ein konventioneller Antrieb vorgesehen sein, der beispielsweise Energie durch Verbrennung fossiler Brennstoffe oder dergleichen gewinnt, zum Beispiel mittels einer Verbrennungskraftmaschine oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybrid-Fahrzeug oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen.
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Mittels der Hochvoltbatterie wird elektrische Energie gespeichert, die insbesondere der Antriebseinrichtung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann. Darüber hinaus kann die Energie natürlich auch weiteren Einrichtungen des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise Scheinwerfern, einem elektrischen Klimakompressor, eine elektrische Heizanlage und/oder dergleichen.
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Nicht nur, aber insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, besonders bei Elektrofahrzeugen sowie auch Hybrid-Fahrzeugen, ist eine elektrische Anlage, die zumindest die Hochvoltbatterie und die elektrische Antriebseinrichtung umfasst, in der Regel mit einer hohen elektrischen Gleichspannung, beispielsweise etwa 400 V oder auch mehr, beaufschlagt. Die Größe dieser elektrischen Spannung ist vor allem aus sicherheitstechnischen Gründen eine Herausforderung, weshalb hier zum Beispiel besondere Sicherheitsanforderungen zu beachten sind, die unter anderem auch durch die Normung vorgegeben sind. Beispielsweise ist durch die Norm ECE R 100 vorgegeben, dass bei einer elektrischen Gleichspannung von größer als 60 V besondere Maßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag vorzusehen sind. Aus diesem Grund ist zum Beispiel bei einer Hochvoltbatterie, die insbesondere als Traktionsbatterie genutzt werden kann, vorgesehen, dass die Hochvoltbatterie mit einer integrierten Schalteinheit, die in der Regel durch ein integriertes Schütz gebildet ist, ausgerüstet sein soll. Die Schalteinheit kann aufgrund entsprechender Ansteuerung mittels des Schaltsignals die Batteriezellen von Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie trennen oder mit diesen verbinden. Zu diesem Zweck kann die Schalteinheit ein oder auch mehrere Schaltelemente aufweisen, mittels dem die gewünschte Schaltfunktion realisiert werden kann. Die Schalteinheit wird mittels des Schaltsignals gesteuert. Ist das Schaltsignal ein Einschaltsignal, wird die elektrische Verbindung zwischen den Batteriezellen und den Hochvoltanschlüssen hergestellt. Ist das Schaltsignal dagegen ein Ausschaltsignal, wird wenigstens einer der Hochvoltanschlüsse von den Batteriezellen elektrisch getrennt, sodass ein Stromfluss durch die Hochvoltbatterie unterbrochen ist. Vorzugsweise werden jedoch sämtliche Hochvoltanschlüsse von den Batteriezellen getrennt, um eine galvanische Trennung oder zumindest eine vollständige elektrische Trennung der Batteriezellen von den Hochvoltanschlüssen zu ermöglichen.
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Die Sensoreinheit der Hochvoltbatterie dient dazu, wenigstens einen Betriebszustand der Hochvoltbatterie zu erfassen. Mittels der Sensoreinheit kann vorzugsweise ein Batteriestrom, eine Batteriespannung, eine Batterietemperatur und/oder dergleichen als Betriebszustand erfassen werden. Die Sensoreinheit stellt wenigstens ein Sensorsignal bereit, welches von dem jeweiligen erfassten Betriebszustand abhängig ist. Dieses Sensorsignal wird von der Auswerteeinheit ausgewertet. Die Auswerteeinheit stellt abhängig von einem Ergebnis der Auswertung des Sensorsignals das Schaltsignal für die Schalteinheit bereit.
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Aus der
DE 10 2014 218 011 A1 ist es bekannt, eine elektrische Einrichtung eines Kraftfahrzeugs auf Störlichtbögen zu überwachen. Zu diesem Zweck ist eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die einen Stromsensor zum Erfassen eines elektrischen Stroms der Einrichtung, eine integrierte Schaltung zum Auswerten des erfassten Stroms und eine Abschalteinrichtung aufweist. Diese Vorrichtung hat sich dem Grunde nach zwar bewährt, erfordert jedoch einen besonderen Aufwand und ist für jeden Stromkreis separat vorzusehen.
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Der Einsatz von Hochvoltbatterien erfordert jedoch die Berücksichtigung von besonderen technischen Anforderungen, die sich aufgrund der Konstruktion der Hochvoltbatterien und hierdurch möglicher Probleme ergeben können. Dies betrifft natürlich nicht nur die elektrische Antriebseinrichtung sowie die elektrische Anlage des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sondern insbesondere auch die Hochvoltbatterie selbst. Gerade bei Störungen, die die Hochvoltbatterie betreffen, sind die Erkennungsmöglichkeiten derzeit begrenzt. So können zum Beispiel Störlichtbögen, die in der Hochvoltbatterie selbst auftreten, nicht als der Hochvoltbatterie zugeordnet erkannt werden.
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Darüber hinaus offenbart die
DE 10 2015 015 796 A1 eine Vorrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeuges, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Verfahren zum Betreiben des Hochvoltbordnetzes.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit, insbesondere in Bezug auf eine Hochvoltbatterie, zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden mit der Erfindung eine Hochvoltbatterie sowie ein Verfahren zu deren Betrieb gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Bezüglich der Hochvoltbatterie wird insbesondere vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit ausgebildet ist, als Betriebszustand wenigstens einen Batteriestrom an wenigstens einem der Hochvoltanschlüsse und/oder eine Batteriespannung an den Hochvoltanschlüssen zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, das Sensorsignal, vorzugsweise für einen vorgebbaren Zeitraum, zu erfassen, durch Anwenden einer Fourier-Transformation spektrale Transformationsdaten zu ermitteln, wobei eine Vergleichseinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, in einem vorgegebenen Frequenzbereich wenigstens einen Wert der spektralen Transformationsdaten mit einem vorgegebenen ersten Vergleichswert zu vergleichen und, wenn der ermittelte Wert größer als der erste Vergleichswert ist, ein Ausschaltsignal als Schaltsignal abzugeben.
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Verfahrensseitig wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass mittels der Sensoreinheit als Betriebszustand wenigstens ein Betriebsstrom an wenigstens einem der Hochvoltanschlüsse und/oder eine Batteriespannung an den Hochvoltanschlüssen erfasst wird, wobei mittel der Auswerteeinheit das Sensorsignal, vorzugsweise für einen vorgebbaren Zeitraum, erfasst wird, durch Anwenden einer Fourier-Transformation spektrale Transformationsdaten ermittelt werden, wobei mittels einer Vergleichseinheit in einem vorgegebenen Frequenzbereich wenigstens ein Wert der spektralen Transformationsdaten mit einem vorgegebenen ersten Vergleichswert verglichen wird und, wenn der ermittelte Wert größer als der erste Vergleichswert ist, ein Ausschaltsignal als Schaltsignal abgegeben wird.
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Mit der Erfindung ist es somit möglich, eine Störlichtbogenerfassung zu realisieren, die auch zur Erfassung eines Störlichtbogens innerhalb der Hochvoltbatterie geeignet ist.
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Dabei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass ein Störlichtbogen hochfrequente Signalanteile bewirkt, die sich aus dem Batteriestrom beziehungsweise aus der Batteriespannung ermitteln lassen. Zu diesem Zweck wird das Sensorsignal einer Auswertung zugeführt, die eine Fourier-Transformation durchführt. Dadurch werden spektrale Transformationsdaten bereitgestellt, die einen oder auch mehrere Werte zur Verfügung stellen können, die mit einem vorgegebenen Vergleichswert verglichen werden können. Dabei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass Störlichtbögen bei Gleichspannungs-Hochvoltbordnetzen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen Signalanteile vorzugsweise in einem Bereich von etwa 200 Hz bis etwa 10 kHz erzeugen können. Dies bezieht sich insbesondere auf elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sowie deren elektrische Anlage.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Schalteinheit im ausgeschalteten Schaltzustand ist, wenn die entsprechende Messung durchgeführt wird. Wird nämlich batterieseitig weiterhin ein entsprechender Wert erfasst, kann somit festgestellt werden, dass sich der Störlichtbogen ausschließlich innerhalb der Hochvoltbatterie befindet. Es kann dann eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben werden, die es Fahrzeuginsassen des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs erlaubt, Maßnahmen zu deren Sicherheit zu ergreifen. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass ein Batteriealarmsignal abgegeben wird, wenn der ermittelte Wert erneut größer als der erste Vergleichswert ist, wenn das Verfahren nach Abgeben des Ausschaltsignals erneut durchgeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Blockschaltbildansicht für eine elektrische Anlage eines Elektrofahrzeugs;
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2 eine schematische Detailansicht der Darstellung gemäß 1 im Bereich einer Hochvoltbatterie mit der Darstellung eines Störlichtbogens zwischen Hochvoltanschlüssen der Hochvoltbatterie;
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3 eine schematische Ausschnittdarstellung aus 1 im Bereich der Hochvoltbatterie, wobei ein Störlichtbogen im Bereich einer Schalteinheit der Hochvoltbatterie auftritt;
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4 eine schematische Diagrammdarstellung eines normierten spektralen Batteriestroms der Hochvoltbatterie, wobei ein erster Graph eine normale Strombeanspruchung und ein zweiter Graph eine Beanspruchung unter Einwirkung eines Störlichtbogens darstellt;
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5 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der Hochvoltbatterie der Blockschaltbilddarstellung gemäß 1;
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6 eine schematische Diagrammdarstellung bezüglich einer Vergleichsfunktion; und
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7 eine schematische Blockschaltbilddarstellung eines Brennstoffzellenstapels, der an einem DC/DC-Wandler angeschlossen ist und der Bestandteil der elektrischen Anlage gemäß 1 ist.
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Die Erfindung befasst sich mit der Frage, Störlichtbögen an defekten Gleichspannungs-Hochvoltbordnetzen frühzeitig zu erkennen und abschalten zu können. Störlichtbögen können je nach Stärke weitere elektrische Komponenten beziehungsweise Einrichtungen der elektrischen Anlage schädigen und stellen eine potentielle Brandgefahr dar. 1 zeigt eine elektrische Anlage 12 beziehungsweise ein Bordnetz eines Elektrofahrzeugs 10 als elektrisch antreibbarem Kraftfahrzeug in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung. Die elektrische Anlage 12 umfasst einen Verteiler 14, an den über elektrische Leitungen 26 eine Hochvoltbatterie 18 angeschlossen ist. An den Verteiler 14 sind wiederum – ebenfalls über elektrische Leitungen 26 – elektrische Einrichtungen 16 angeschlossen, die unter anderem eine nicht weiter detaillierte elektrische Antriebseinrichtung des Elektrofahrzeugs 10 umfassen. Der Verteiler 14 dient somit dazu, die elektrischen Einrichtungen 16 elektrisch mit der Hochvoltbatterie 18 zu koppeln. Die Hochvoltbatterie 18 ist vorliegend für eine Betriebsspannung von 400 V ausgelegt. In anderen Ausgestaltungen kann sie auch für eine Betriebsspannung von 800 V oder dergleichen ausgebildet sein.
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In Fehlerfällen, in denen eine elektrische Isolation oder auch Kontakte von Leitungen innerhalb der elektrischen Einrichtungen 16 beziehungsweise innerhalb der Hochvoltbatterie 18 fehlerhaft oder beschädigt sind, können sich Störlichtbögen ausbilden, die eine beachtliche Leistung in Wärme umsetzen können und gegebenenfalls auch zu einem Brand führen können. Die Gefahr steigt mit der Systemspannung beziehungsweise der Bordnetzspannung beziehungsweise der Batteriespannung der Hochvoltbatterie 18 sowie mit den maximal auftretenden elektrischen Strömen, insbesondere dem Batteriestrom der Hochvoltbatterie 18. Zudem können durch Wechselrichter der elektrischen Einrichtungen 16 hervorgerufene Wechselspannungsanteile das Zünden eines Lichtbogens begünstigen.
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2 zeigt in einem schematischen Ausschnitt aus 1 den Anschluss der Hochvoltbatterie 18 an den Verteiler 14 mit den Leitungen 26, wobei die Hochvoltbatterie 18 Hochvoltanschlüsse 30 aufweist, an denen die elektrischen Leitungen 26 angeschlossen sind. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung, dass in einem Bereich in der Nähe der Hochvoltanschlüsse 30 der Hochvoltbatterie 18 ein paralleler Lichtbogen 20 auftritt.
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3 zeigt eine weitere vergrößerte Darstellung des Anschlussbereichs 22 der Hochvoltbatterie 18 an die Leitungen 26, wobei aus 3 ersichtlich ist, dass die Hochvoltanschlüsse 30 über eine batterieinterne Schalteinheit 24 an in 3 nicht weiter dargestellte Batteriezellen 28 angeschlossen sind. In 3 ist im Bereich der Schalteinheit 24 ein serieller Lichtbogen 20 schematisch dargestellt. Bei unzureichendem Kontakt in der Schalteinheit 24 besteht die Gefahr eines Lichtbogens zwischen den Kontakten, was im Kontaktbereich zu Korrosion und gegebenenfalls zum Verlust des elektrischen Kontaktes führen kann. Die Schalteinheit 24 kann dadurch zerstört werden.
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Jeder Lichtbogen 20 geht mit einem Wärmeeintrag einher. Je höher die elektrischen Spannungen beziehungsweise Störlichtbogenströme sind, desto höher ist die Leistung des Wärmeeintrags und führt unter Umständen zu einer Brandgefahr. Wenn Lichtbögen 20 in einem Strom-Bereich auftreten, die im erwarteten Strombereich liegen, können diese unbemerkt auftreten beziehungsweise mit herkömmlichen Schmelzsicherungen nur unzureichend abgesichert werden. 4 zeigt in einem schematischen Diagramm 54 eine Fourier-Transformierte eines Batteriestroms der Hochvoltbatterie 18 mit einem Graphen 62 im ungestörten Betrieb, das heißt, es ist kein Lichtbogen vorhanden. Eine Abszisse 56 des Diagramms 54 ist einer Frequenz zugeordnet, wohingegen eine Ordinate 58 des Diagramms 54 einem normierten Spektrum des Batteriestroms zugeordnet ist. Mit einem Graphen 60 ist eine spektrale Verteilung des Batteriestroms unter Einwirkung eines Störlichtbogens dargestellt. Der Störlichtbogen ist vorliegend ein serieller Störlichtbogen. Zu erkennen ist in Diagramm 54, dass der Störlichtbogen sich in einem Frequenzbereich zwischen 5 Hz bis 100 Hz auswirkt. Darüber hinaus ist ein Grundpegel des Graphen 60 oberhalb von 100 Hz deutlich höher als der Grundpegel des Graphen 62. Daran kann ein serieller Störlichtbogen spektral erkannt werden.
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Zur Überwachung auf schädliche Störlichtbögen wird mit der Erfindung eine frequenzselektive Überwachung des Batteriestroms und/oder der Batteriespannung vorgeschlagen. Dazu wird das Frequenzspektrum des Batteriestroms beziehungsweise der Batteriespannung analysiert und bewertet. Liegen Amplituden in einem Weitenbereich des Spektrums, beispielsweise zwischen 200 Hz und 10 kHz oberhalb eines vorgegebenen Vergleichswerts, der abhängig von der Frequenz sein kann, wird eine Abschaltung der elektrischen Energiequelle beziehungsweise der Hochvoltbatterie 18 veranlasst oder zumindest eine entsprechende Warnung ausgegeben.
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5 zeigt eine entsprechend ausgerüstete Hochvoltbatterie 18 in einem nicht weiter bezeichneten Gehäuse. Die Hochvoltbatterie 18 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 28 auf, die vorliegend in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus kann auch noch eine Parallelschaltung von Batteriezellen 28 vorgesehen sein. Die Batteriezellen 28 sind über eine zweipolige Schalteinheit 24 an Hochvoltanschlüsse 30 der Hochvoltbatterie 18 angeschlossen. Die Schalteinheit 24 weist hierfür zwei Schaltelemente 64 auf, die vorliegend durch Halbleiterschalter gebildet sind, die mittels eines Schaltsignals 40 einer Auswerteeinheit 38 hinsichtlich ihres Schaltzustands gesteuert werden.
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Die Auswerteeinheit 38 bildet ein Batteriemanagementsystem. Zwischen einem der Schaltelemente 64 und dem zugeordneten der Hochvoltanschlüsse 30 ist ein Stromsensor 32 als Sensoreinheit zwischengeschaltet. Der Stromsensor 32 liefert ein Sensorsignal 42 an die Auswerteeinheit 38. An den Hochvoltanschlüssen 30 ist ferner ein erster Spannungssensor 34 als Sensoreinheit angeschlossen, die ein Sensorsignal 44 an die Auswerteeinheit 38 liefert. Ferner ist parallel zu der Schaltung aus den Batteriezellen 28 ein zweiter Spannungssensor 36 als Sensoreinheit angeschlossen, der ein Sensorsignal 46 an die Auswerteeinheit 38 liefert.
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Die Schalteinheit 24 ist ausgebildet, abhängig von dem Schaltsignal 40 einen Einschaltzustand, in dem die Batteriezellen 28 mit den Hochvoltanschlüssen 30 der Hochvoltbatterie 18 elektrisch gekoppelt sind, und einen Ausschaltzustand einzunehmen, in dem die Batteriezellen 28 von den Hochvoltanschlüssen 30 der Hochvoltbatterie 18 elektrisch getrennt sind.
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Die Auswerteeinheit 38 ist ausgebildet, die Sensorsignale 42, 44, 46 für einen vorgebbaren Zeitraum zu erfassen, durch Anwenden einer Fourier-Transformation spektrale Transformationsdaten zu ermitteln. Ferner ist eine an die Auswerteeinheit 38 angeschlossene Vergleichseinheit 48 vorgesehen, die ausgebildet ist, in einem vorgegebenen Frequenzbereich wenigstens einen aus den spektralen Transformationsdaten ermittelten Wert mit einem vorgegebenen ersten Vergleichswert 50 zu vergleichen und, wenn der ermittelte Wert größer als der erste Vergleichswert 50 ist, ein Ausschaltsignal als Schaltsignal 40 abzugeben.
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6 stellt in einem schematischen Diagramm die Vergleichsfunktion der Vergleichseinheit 48 dar. 6 zeigt ein Diagramm 66, welches eine Abszisse 70 aufweist, die einer Frequenz zugeordnet ist, und die eine Ordinate 68 aufweist, die einer Stromamplitude zugeordnet ist. Aus 6 ist ersichtlich, dass der erste Vergleichswert 50 abhängig von der Frequenz unterschiedliche Werte aufweist. Darüber hinaus ist ein zweiter Vergleichswert 52 dargestellt, der einen kleineren Wert als der erste Vergleichswert 50 aufweist. Auch dieser zweite Vergleichswert 52 ist frequenzabhängig.
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Ist der ermittelte Wert der Transformationsdaten größer als der zweite Vergleichswert 52 wird lediglich ein Warnsignal abgegeben. Ist der Wert dagegen größer als der erste Vergleichswert 50 wird das Ausschaltsignal als Schaltsignal 40 abgegeben.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der Stromsensor 32 eine Rogowski-Spule aufweist. Vorzugsweise ist der Stromsensor 32 durch die Rogowski-Spule gebildet. Die Rogowski-Spule als Stromsensor hat den Vorteil, dass lediglich Wechselstromanteile erfasst werden, die für die erfindungsgemäße Überwachungsfunktion nötig sind. Die bei gattungsgemäßen elektrischen Anlagen wie der elektrischen Anlage 12 auftretenden hohen Gleichströme sind für die Funktion der Überwachung im Sinne der Erfindung nicht erforderlich. Die Nutzung der Rogowski-Spule hat deshalb den Vorteil, dass diese nicht die Gleichströme erfasst und deshalb nicht für die hohen Gleichströme ausgelegt zu sein braucht. Darüber hinaus kann mit der Rogowski-Spule eine weitgehend unverzerrte Stromerfassung erreicht werden. Dadurch können unerwünschte Auswirkungen auf die Auswertung weitgehend vermieden werden.
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In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Batteriegehäuse die Batteriezellen 28, die Hochvoltanschlüsse 30, die Schalteinheit 24, die Sensoreinheiten 32, 34, 36, die Auswerteeinheit 38 und die Vergleichseinheit 48 integriert aufnimmt.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensführung sieht ferner vor, dass nach Abgeben des Ausschaltsignals das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird mittels des zweiten Spannungssensors 36 die elektrische Spannung an den in Reihe geschalteten Batteriezellen 28 erfasst und ein entsprechendes Sensorsignal 46 an die Auswerteeinheit 38 abgegeben. Eine entsprechende Auswertung wird hier für die elektrische Spannung durchgeführt. Wird dabei festgestellt, dass der ermittelte Wert größer als der erste Vergleichswert 50 ist, kann somit festgestellt werden, dass sich der Störlichtbogen innerhalb der Hochvoltbatterie 18 befindet. Eine entsprechende Batteriealarmmeldung kann dann ausgegeben werden, sodass Fahrzeugnutzer des Elektrofahrzeugs 10 geeignete Maßnahmen einleiten können.
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Dem Grunde ist es ebenso denkbar, die erfindungsgemäße Sicherheitsfunktion zur Detektion von Störlichtbögen in einer zentralen Überwachungseinheit, zum Beispiel dem Verteiler 14, unterzubringen, möglicherweise mit zusätzlichen Sicherheitsfunktionen, zum Beispiel einer Leistungsverteilung, einer Isolations-Überwachung, einer aktiven Bordnetzentladung, einer Überstromabsicherung und/oder dergleichen. In diesem Fall ist eine sicherheitsrelevante Kopplung mit einer Abschaltvorrichtung der elektrischen Quelle, hier der Schalteinheit 24 der Hochvoltbatterie 18, und der zentralen Überwachungseinheit vorzusehen.
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Vorzugsweise ist eine Abschaltung beziehungsweise Warnung in wenigstens zwei Stufen realisiert. Wird eine nennenswerte Erhöhung der Strom-Amplitude des festgelegten Frequenzspektrums festgestellt, die noch unterhalb einer kritischen Auslöseschwelle, wie dem Vergleichswert 50 liegt, kann eine Warnung ausgegeben werden. Oberhalb des Vergleichswerts 50 wird unmittelbar oder mit einer festgelegten Verzögerung, beispielsweise verbunden mit einer Warnung oder dergleichen, mit einer Abschaltung der elektrischen Versorgung reagiert.
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Zur Identifikation der Vergleichswerte und relevanter Spektralbereiche für individuelle Gleichspannungs-Hochvoltbordnetze wird eine Vermessung kritischer Störlichtbögen empfohlen.
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Die unterschiedlichen Wertebereiche können im Sinne einer stabilen Fehlererkennung beziehungsweise Störlichtbogenerkennung logisch verknüpft werden. Da in einem elektrischen System mit jeder Stromänderung auch eine entsprechende Spannungsänderung verbunden ist, kann für eine erweiterte Verbesserung der Fehleridentifikation neben einer Strommessung analog eine frequenzselektive Spannungsmessung zum Einsatz kommen. Hierbei kann die Spannungsmessung die Strommessung ergänzen oder auch ersetzen.
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Die Bewertung einer Spannungsänderung kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, um Störlichtbögen in Komponenten zu erkennen, in denen eine Strommessung nur schwer oder nicht möglich ist, wie zum Beispiel in einem Hybridsystem bestehend aus einer Hochvoltbatterie und einem Brennstoffzellenstapel, wie es schematisch anhand des Blockschaltbildes in 7 dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
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7 zeigt in schematischer Blockschaltbilddarstellung einen Brennstoffzellenstapel 72, der über zwei nicht bezeichnete elektrische Leitungen an einen DC/DC-Wandler 74 angeschlossen ist. 7 bezieht sich also auf ein Hybridfahrzeug, dass im Vergleich zum Elektrofahrzeug 10 ergänzend den Brennstoffzellenstapel 72 umfasst. Diese Anordnung ist als elektrische Einrichtung 16 an die elektrische Anlage 12 gemäß 1 angeschlossen. Dadurch ist eine Identifikation von Störlichtbögen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 72 durch den angeschlossenen DC/DC-Wandler 74 möglich, wenn dieser eine entsprechende Spannungsmessung mit erfindungsgemäßer Auswertung und Vergleichsfunktion umfasst. Auf diese Weise kann eine außerhalb einer Quelle angeschlossene Komponente mit frequenzselektiver Spannungsüberwachung Fehler aufgrund von Störlichtbögen innerhalb der Quelle feststellen. Dies kann auch zum Beispiel für einen rückspeisenden Elektromotor als Quelle und einer angeschlossenen Überwachungseinheit realisiert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrofahrzeug
- 12
- elektrische Anlage
- 14
- Verteiler
- 16
- Einrichtung
- 18
- Hochvoltbatterie
- 20
- Lichtbogen
- 22
- Anschlussbereich
- 24
- Schalteinheit
- 26
- Leitungen
- 28
- Batteriezellen
- 30
- Hochvoltanschlüsse
- 32
- Stromsensor
- 34
- erster Spannungssensor
- 36
- zweiter Spannungssensor
- 38
- Auswerteeinheit
- 40
- Schaltsignal
- 42
- Sensorsignal
- 44
- Sensorsignal
- 46
- Sensorsignal
- 48
- Vergleichseinheit
- 50
- Vergleichswert
- 52
- Vergleichswert
- 54
- Diagramm
- 56
- Abszisse
- 58
- Ordinate
- 60
- Graph
- 62
- Graph
- 64
- Schaltelemente
- 66
- Diagramm
- 68
- Ordinate
- 70
- Abszisse
- 72
- Brennstoffzellenstapel
- 74
- DC/DC-Wandler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014218011 A1 [0007]
- DE 102015015796 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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