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Die Erfindung betrifft ein Hochvoltschutzsystem für eine Hochvolt-Batterie und ein Verfahren zum Überwachen der Hochvolt-Batterie
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Das Design bzw. Layout von Hochvoltkomponenten wird beispielsweise nach der Norm EC 60664 ausgeführt. Darin sind beispielsweise Mindestabstände zwischen den Hochvoltpotentialen und der Fahrzeugmasse bzw. der Gehäusemasse der Hochvoltkomponenten definiert. Die Berechnungen basieren dabei in der Regel auf einer maximalen Höhe über Normalnull. Ein Korrekturfaktor für eine Höhenanpassung sagt beispielsweise aus, dass ein Kraftfahrzeug nicht oberhalb von 2000 Hm betrieben werden sollte. Bei einer Höhe von 5000 m über Normalnull ist ebenfalls ein weiter Korrekturfaktor vorgesehen. So ergibt sich zum Beispiel bei einer definierten Höhe von 5000 m über Normalnull bei einer Isolierstoffgruppe mit einem Verschmutzungsgrad von 2 und einer Bemessungsstoßspannung von 2500 V eine Mindestluftstrecke beziehungsweise ein Mindestabstand von 2,4 mm.
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Dementsprechend werden häufig die Abstände zwischen einem Pluspol einer Hochvolt-Batterie und einem Minuspol der Hochvolt-Batterie gegen die Gehäusemasse ausgelegt. Dabei wird in der Regel von einer konstanten Luftzusammensetzung ausgegangen. Wenn beispielsweise ein Druckausgleichselement der Hochvolt-Batterie nicht mehr funktioniert, dann kann eventuell ein Luftaustausch zwischen einer Umgebung der Hochvolt-Batterie und dem Inneren der Hochvolt-Batterie nicht mehr wie vorgesehen funktionieren. In diesem Fall kann es sein, dass kein Feuchtigkeitstransfer nach außen mehr möglich ist und sich dadurch eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit innerhalb der Hochvolt-Batterie beziehungsweise der elektrischen Komponente anreichert. Dies kann im schlimmsten Fall dazu führen, dass über einen lonisationskanal zwischen zwei Kontakten ein Lichtbogen entsteht. Dies hätte unter Umständen einen harten Kurzschluss zur Folge und könnte elektrische Komponenten beziehungsweise Teile der Hochvolt-Batterie stark beschädigen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 198 54 780 A1 betrifft einen lonisationsrauchmelder. Darin wird ein Ionisationsrauchmelder zur Erfassung von Rauchaerosolen bei der Entstehung von Bränden mit wenigstens drei gegeneinander isolierten Elektroden beschrieben. Eine Elektrode ist als lonisierungselektrode und mindestens zwei Elektroden sind als hohlzylindrische Gegenelektroden ausgebildet. Die Gegenelektroden bilden gemeinsam mit den an ihren Grundflächen angeordneten Isolatoren eine einschließende Messkammer und eine Referenzkammer. Beide Kammern sind über eine Ausgleichsöffnung miteinander verbunden, welche insbesondere zum Gasaustausch und damit zur Herstellung gleicher Gasverhältnisse dient.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2016 004 253 A1 betrifft eine Hochvoltbordnetzanordnung und ein Verfahren zur Kurzschlussdetektion. Dazu kommen insbesondere eine elektrisch koppelbare Komponente und eine Kurzschlussdetektionsvorrichtung zur Detektion eines Kurzschlusses zum Einsatz. Die Kurzschlussdetektionsvorrichtung umfasst zumindest einen der Komponente zugeordneten Rauchsensor oder Luftsensor, wobei die Kurzschlussdetektionsvorrichtung ausgebildet ist, den Kurzschluss in Abhängigkeit von einem durch den Rauchsensor oder Luftsensor erfassten Signal zu ermitteln.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, schädigende Lichtbögen in elektrischen Komponenten rechtzeitig zu erkennen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen dieser Anmeldung gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Hochvoltschutzsystem für eine Hochvolt-Batterie vor. Das Hochvoltschutzsystem weist einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt auf. Dabei weisen beide Kontakte einen vorgegebenen Layout-Abstand zueinander auf. Insbesondere wird dieser Layout-Abstand in Abhängigkeit von der geometrischen Anordnung weiterer Kontakte in der Hochvolt-Batterie bestimmt. Der Layout-Abstand wird in der Regel derart ausgelegt, so dass ein Lichtbogen bei den beiden Kontakten zuerst auftritt. Die beiden Kontakte können als Teil eines Sicherheitskreises betrachtet werden. Deren Layout-Abstand wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine Störung beziehungsweise ein Lichtbogen an diesen beiden Kontakten zuerst auftritt. Das Hochvoltschutzsystem verfügt zudem über einen Stromsensor zum Messen eines Stromflusses über die beiden Kontakte. Mit Hilfe dieses Stromsensors kann ein Lichtbogen zuverlässig erkannt werden. Ferner verfügt das Hochvoltschutzsystem über eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromfluss über die beiden Kontakte ein Schutzsignal zu erzeugen. So kann ein Lichtbogen, der sich über die beiden Kontakte ausbildet, messtechnisch erfasst werden. Da der Layout-Abstand so gewählt ist, dass an den beiden Kontakten ein Lichtbogen zuerst auftritt, kann davon ausgegangen werden, dass betreffend alle weiteren elektrischen Komponenten noch kein Lichtbogen aufgetreten ist. Wird an den beiden Kontakten ein Lichtbogen detektiert, so kann ein entsprechendes Schutzsignal, welches eine Schutzmaßnahme einleiten kann, erzeugt werden. Das Schutzsignal kann beispielsweise ein Abtrennen sensibler Hochvoltkomponenten von einer Spannungsquelle der Hochvolt-Batterie bedeuten.
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Eine weitere Ausführungsvariante dieser Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltschutzsystem, einer Hochvolt-Batterie und mindestens einem Hochvoltschutz zum Trennen der Hochvolt-Batterie vom Bordnetzsystem. Wird beispielsweise über die beiden Kontakte ein schädigender Lichtbogen detektiert, so kann mit Hilfe des Hochvoltschutzes die Hochvolt-Batterie rechtzeitig von dem Bordnetzsystem des Kraftfahrzeugs abgetrennt werden. So kann vermieden werden, dass weitere Lichtbögen das Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs schädigen können.
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Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Überwachen einer Hochvolt-Batterie bereit, die einen ersten und zweiten Kontakt aufweist. Die beiden Kontakte weisen dabei einen vorgegebenen Layout-Abstand zueinander auf. Das Verfahren kennzeichnet sich durch einen Schritt a) und einen Schritt b). Im Schritt a) wird ein Stromfluss über die beiden Kontakte gemessen. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines entsprechenden Stromsensors. In einem Schritt b) wird ein Schutzsignal in Abhängigkeit von dem gemessenen Stromfluss erzeugt. Das Schutzsignal kann beispielsweise als eine Warnmeldung oder ein Fehlercode ausgebildet sein. So kann ein Fahrer eines Kraftfahrzeugs rechtzeitig vor weiteren schädigenden Lichtbögen gewarnt werden. Somit können die beiden Kontakte als „Opferbauteile“ betrachtet werden. Ein Lichtbogen an diesen Opferbauteilen hat zum einen keine allzu schädigende Wirkung, und zum anderen kann ein solcher Lichtbogen detektiert werden. Da die beiden Kontakte vorzugsweise in einem Sicherheitskreis angeordnet sind, ist sichergestellt, dass ein dort auftretender Lichtbogen nicht die komplette Hochvoltbatterie oder das Bordnetzsystem des Kraftfahrzeugs beschädigt.
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Eine weitere Variante dieser Erfindung sieht vor, dass infolge des Schutzsignals eine Leistungsreduktion der Hochvoltbatterie durchgeführt wird, ein Fehlercode erzeugt wird und/oder mindestens ein Hochvoltschütz der Hochvolt-Batterie geöffnet wird. Mit Hilfe der Leistungsreduktion kann die Wahrscheinlichkeit für ein Eintreten eines weiteren Lichtbogens gesenkt werden. Somit kann die Hochvolt-Batterie weiter betrieben werden. Eine komplette Abschaltung ist nicht immer zwingend nötig. Wird der Layout-Abstand sehr klein gewählt, so bedeutet dies, dass Lichtbögen bereits bei niedrigeren Stromstärken auftreten können. In diesem Fall kann die Erzeugung eines Fehlercodes bereits ausreichend sein. Somit können rechtzeitig weitere Maßnahmen ergriffen werden, welche keine drastischen Betriebsbeschränkungen der Hochvolt-Batterie nach sich ziehen. Ist jedoch ein weiterer Lichtbogen in der Hochvolt-Batterie oder im Bordnetzsystem des Kraftfahrzeugs zu befürchten, so kann das Hochvoltschütz geöffnet werden, um eine Schädigung sensibler Komponenten komplett auszuschließen. Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden einzigen Figur näher erläutert. Das Hochvoltschütz kann als Schaltelement oder elektronisches Schaltelement aufgefasst werden.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Zeichnung eines Hochvoltschutzsystems, welches an einen Hochvoltzwischenkreis sowie eine Hochvolt-Batterie angeschlossen ist.
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Die einzige Fig. zeigt schematisch eine Hochvolt-Batterie 10, einen Hochvoltzwischenkreis 12 sowie einen Sicherheitskreis 13. Der Sicherheitskreis 13 verfügt über ein Druckausgleichselement 14, eine Stromdrossel 16, eine Vorwarneinrichtung 15, einen Stromsensor 19, eine Auswerteeinheit 20, einen Anschluss zu einem Bordnetz 21, einen Anschluss zu einer elektrischen Maschine 23, einen DC-AC-Wandler 22 sowie einen ersten Kontakt 17 und einen zweiten Kontakt 18. Der erste Kontakt 17 und der zweite Kontakt 18 sind durch einen Layout-Abstand 24 voneinander beabstandet. Die beiden Kontakte 17 und 18 sind mit dem Hochvoltzwischenkreis 12 und somit indirekt mit der Hochvolt-Batterie 10 verbunden. Die Hochvolt-Batterie 10 verfügt über einen Zellstapel. Durch die Batteriezellen ergibt sich eine positive Hochspannungsquelle HV+ und eine negative Hochspannungsquelle HV-. Bewegt sich ein Kraftfahrzeug in unterschiedlichen Umgebungen, so kann die Gaszusammensetzung innerhalb des Sicherheitskreises 13 sich von der Gaszusammensetzung der Umgebung unterscheiden. Mit Hilfe des Druckausgleichselements 14 kann eine Angleichung dieser Gasverhältnisse ermöglicht werden. Jedoch kann nicht immer davon ausgegangen werden, dass die Funktion des Druckausgleichselements 14 stehts zur Verfügung steht. Dies kann eine massive Änderung der relativen Feuchtigkeit innerhalb des Sicherheitskreises 13 sowie zu einer Blockade des Druckausgleichselements 14 führen. Somit kann die relative Feuchtigkeit auch innerhalb des Hochvoltzwischenkreises 12 und der Hochvolt-Batterie 10 ansteigen. Dabei ist es nicht erwünscht, dass Lichtbögen innerhalb des Hochvoltzwischenkreises 12 und der Hochvolt-Batterie 10 auftreten.
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Daher schlägt diese Erfindung beispielsweise den Sicherheitskreis 13 mit dem ersten Kontakt 17 und dem zweiten Kontakt 18 vor. Die Quelle des Stromkreises des Sicherheitskreises 13 ist die Hochvoltspannung HV+, HV-, welche von der Hochvolt-Batterie 10 bereitgestellt wird. Innerhalb des Sicherheitskreises 13 kann der Stromsensor 19 Lichtbögen zwischen dem ersten und zweiten Kontakt 17 und 18 erfassen. Der Stromsensor 19 kann beispielsweise als Hall-Sensor oder Messhunt ausgebildet sein. Des Weiteren verfügt der Sicherheitskreis 13 über die Stromdrossel 16, welche den Strom im Sicherheitskreis 13 begrenzt. Die Stromdrossel 16 ist jedoch nicht als typischer Widerstand ausgebildet. Der erste Kontakt 17 und der zweite Kontakt 18 weisen zueinander den Layout-Abstand 24 auf. Im Beispiel der einzigen Fig. könnte dieser Layout-Abstand 24 2,4 mm sein.
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Steigt beispielsweise die Luftfeuchtigkeit innerhalb des Sicherheitskreises 13 massiv an, so wird die definierte Isolierstrecke durch Ionisation gebrückt. In diesem Fall ist jedoch im Sicherheitskreis 13 noch eine weitere Schutzvorrichtung vor den beiden Kontakten 17 und 18 vorgeschaltet. Dies betrifft die Vorwarneinrichtung 15, wobei der Abstand der Kontakte in der Vorwarneinrichtung 15 bevorzugt derart dimensioniert ist, dass dort zuerst der Lichtbogen auftritt und detektiert wird. Die Vorwarneinrichtung 15 verfügt ebenso über zwei Kontakte, welche zueinander einen vorgegebenen Abstand aufweisen. Dieser vorgegebene Abstand der beiden Kontakte zueinander in der Vorwarneinrichtung 15 ist bevorzugt geringer als der Layout-Abstand 24, der den Abstand zwischen dem ersten Kontakt 17 und dem zweiten Kontakt 18 angibt. Beispielsweise kann der Abstand der beiden Kontakte in der Vorwarneinrichtung 15 1,5 mm betragen. Steigt nun innerhalb des Sicherheitskreises 13 die relative Luftfeuchtigkeit massiv an, so würde zunächst in der Vorwarneinrichtung 15 ein Lichtbogen detektiert werden. Eine Ionisation würde demnach zunächst in der Vorwarneinrichtung 15 auftreten. Somit stellt die Vorwarneinrichtung ein weiteres elektrisches Bauteil dar, welches die Hochvoltsicherheit des Hochvoltschutzsystems erhöhen kann. Der Stromsensor 19 kann dabei ebenfalls den Stromfluss in der Vorwarneinrichtung 15 messen bzw. detektieren. Dieser Stromfluss kann insbesondere als ein Anzeichen gewertet werden, dass sich die Luftkonzentration innerhalb des Sicherheitskreises 13 geändert hat beziehungsweise dass das Druckausgleichselement 14 unter Umständen nicht korrekt funktioniert. Ebenso kann damit auf eine Änderung der Luftfeuchtigkeit innerhalb anderer Hochvoltkomponenten geschlossen werden.
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In diesem Fall wird umgehend ein Schutzsignal erzeugt, welches bevorzugt eine Ersatzreaktion einleitet. Zunächst könnte die elektrische Leistung reduziert werden. So kann beispielsweise die betreffende Hochvoltkomponente, die eine Änderung der Luftkonzentration detektiert hat, eigenmächtig die Leistung der Hochvolt-Batterie 10 reduzieren. Im Fall von der einzigen Fig. könnte dies mit Hilfe des Stromsensors 19 oder der Auswerteeinheit 20 geschehen. Somit kann die Stromstärke reduziert werden, und eine mögliche Schädigung kann somit eingedämmt beziehungsweise komplett verhindert werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass neben der Leistungsreduzierung ein Fehlercode gesetzt wird. Der Fehlercode kann eine spätere Diagnose erleichtern. Insbesondere kann der Fehlercode aussagen, welches Bauteil von einem Lichtbogen betroffen war. Die Ersatzreaktion infolge des Schutzsignals kann auch eine Warnmeldung des Fahrers nach sich ziehen. Mit Hilfe einer gelben oder roten Warnlampe könnte ein Fahrer über eine Fehlfunktion im Hochvoltsystem informiert werden. Zudem kann diese Information über ein Bordnetzsystem, welches beispielsweise als ein CAN-Netzwerk oder FlexRay-Netzwerk ausgebildet ist, an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt werden. Als finale Schutzreaktion als die Ersatzreaktion können die Hochvoltschütze 11 geöffnet werden. Dies hätte zur Folge, dass der Hochvoltzwischenkreis 12 entladen wird und somit die Gefahr eines Kurzschlusses abgewendet werden kann. Im Hochvoltzwischenkreis 12 würde keine Spannung mehr anliegen, was bedeutet, dass kein Stromfluss mehr vorhanden ist. Findet kein Stromfluss statt, so beträgt die Stromstärke 0 A, und eine elektrische Schädigung aufgrund eines Lichtbogens kann ausgeschlossen werden.
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Mit Hilfe dieses Hochvoltschutzsystems mit dem Sicherheitskreis 13 können Hochvoltkomponenten robuster gegenüber Schädigungen ausgestaltet werden. Mögliche Schäden aufgrund von Lichtbögen können rechtzeitig abgewendet werden. Dies hat zur Folge, dass ein Elektroantrieb bei einem Elektrofahrzeug zuverlässig vor Lichtbögen geschützt werden kann. Damit können schädigende Lichtbögen innerhalb von Hochvoltkomponenten vermieden werden, was sich positiv auf die Lebensdauer dieser Komponenten auswirkt. Zudem kann damit ebenfalls eine Kosteneinsparung erzielt werden, da die Hochvoltkomponenten nicht mehr so oft ausgetauscht werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvolt-Batterie
- 11
- Hochvoltschütz
- 12
- Hochvoltzwischenkreis
- 13
- Sicherheitskreis
- 14
- Druckausgleichselement
- 15
- Vorwarneinrichtung
- 16
- Begrenzungsdrossel
- 17
- erster Kontakt
- 18
- zweiter Kontakt
- 19
- Stromsensor
- 20
- Auswerteeinheit
- 21
- Bordnetz
- 22
- DC-AC-Wandler
- 23
- elektrische Maschine
- 24
- Layout-Abstand
- HV+
- positive Hochspannungsquelle
- HV-
- negative Hochspannungsquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19854780 A1 [0004]
- DE 102016004253 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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