DE102021004146A1

DE102021004146A1 - Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems und Hochvoltsystem

Info

Publication number: DE102021004146A1
Application number: DE102021004146.1A
Authority: DE
Inventors: Heiko Witzenhausen; Andreas Maier
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2021-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems (100), insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, wobei das Hochvoltsystem (100) wenigstens einen Hochvolt-Energiespeicher (10) mit einem internen Strompfad (24) umfasst, welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein Trennelement (16, 18), wenigstens eine Strommesseinrichtung (20), die einen elektrischen Strom durch den Strompfad (24) bestimmt, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung (22) aufweist, die eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems (100) bestimmt, wobei mittels des Trennelements (16, 18) der Strompfad (24) getrennt wird, wenn mittels der Strommesseinrichtung (20) ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung (22) eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.Die Erfindung betrifft ferner ein Hochvoltsystem (100), insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, sowie ein Hochvoltsystem, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, für ein solches Verfahren.
Insbesondere für Elektrofahrzeuge wird ein Hochvoltsystem benötigt, das im Regelbetrieb sehr hohe Ströme von z.B. 500 A in Laderichtung aufnehmen und je nach Anwendung bis zu 1500 A in Entladerichtung abgeben kann. Diese sehr hohen Stromstärken resultieren in sehr hohen Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik, aber auch an die Komponentenauswahl. Um die Verlustleistung und die damit verbundene Abwärme möglichst gering zu halten, sind niederohmige elektrische Verbindungen erforderlich und auch die elektrischen Komponenten wie Stromsensoren oder Trennelemente (z.B. Schütze, Sicherungen, Pyrosicherungen, Halbleiter) müssen ohne eine kritische Erwärmung die hohen Ströme tragen können. Gleichzeitig muss das Hochvoltsystem im Falle eines Überstroms oder eines Kurzschlussfehlers den Strom sehr schnell abschalten. So sieht zum Beispiel die ISO17409 vor, dass ein Kurzschluss getrennt werden soll, bevor ein Schmelzintegral von 2,5 Mio. A²s erreicht ist.
Das Grenzlastintegral, auch als Schmelzintegral und als i²t Wert bezeichnet, wobei i einen Stromwert und t eine Zeitdauer der Wirkung des Stroms angibt, ist ein Kriterium für die impulsförmige Kurzzeitüberlastbarkeit verschiedener elektrischer oder elektronischer Bauelemente wie beispielsweise eines Halbleiterbauelements oder einer Schmelzsicherung. Bei einer Schmelzsicherung wird die impulsartige Überlastung bewusst als Sicherungsfunktion eingesetzt und durch das Schmelzintegral die Auslösecharakteristik der Sicherung beschrieben.
Üblicherweise wird die Kurzschlussschutzfunktion in einem Hochvoltsystem durch eine Kombination aus Schmelzsicherung und Schützen abgebildet. Die Schmelzsicherung trennt sehr hohe Kurzschlussströme rechtzeitig und muss dafür vergleichsweise flink agieren. Mittlere und hohe Fehlerströme, üblicherweise z.B. bis 3000 A, werden durch eine Strommesseinrichtung erkannt und innerhalb von 200 ms durch aktive Trennelemente wie z.B. die Schütze getrennt.
Für Anwendungen mit besonders hohen Stromanforderungen kann jedoch in der Regel keine ausreichend flinke Schmelzsicherung gefunden werden. Flinke Sicherungen können prinzipbedingt keine hohen Ströme tragen, weil sowohl das Auslösen der Sicherung durch die Eigenerwärmung herbeigerufen wird, als auch die Eigenerwärmung im Normalbetrieb die Haupt-Schädigungsursache bei der Auslegung der Sicherung ist. Darum verschiebt sich der aktive Teil der Kurzschlussreaktion (z.B. die Reaktion mit den Schützen) immer weiter hin zu hohen Strömen und einer schnellen Auslösung.
Die DE 10 2020 004 737 A1 offenbart einen elektrischen Energiespeicher für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Pluspol des elektrischen Energiespeichers in einem ersten Hochvoltpfad und mit einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers in einem zweiten Hochvoltpfad und mit einer pyrotechnischen ersten Trenneinrichtung in dem ersten Hochvoltpfad zum Trennen des Pluspols von dem ersten Hochvoltpfad und mit einer zweiten Trenneinrichtung in dem zweiten Hochvoltpfad zum Trennen des Minuspols von dem zweiten Hochvoltpfad.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs anzugeben, welches das Hochvoltsystem im Fehlerfall schnell abschalten kann.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Hochvoltsystem für ein solches Verfahren anzugeben.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei das Hochvoltsystem wenigstens einen Hochvolt-Energiespeicher mit einem internen Strompfad umfasst, welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein Trennelement, wenigstens eine Strommesseinrichtung, die einen elektrischen Strom durch den Strompfad bestimmt, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung aufweist, die eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems bestimmt. Dabei wird mittels des Trennelements der Strompfad getrennt, wenn mittels der Strommesseinrichtung ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
Schütze mit immer höheren Trennfähigkeiten und besonders vorteilhafte Systemtopologien werden vermehrt eingesetzt. Es genügt jedoch nicht, ein aktives Trennelement mit sehr hoher Trennfähigkeit im System zu haben. Durch die Verschiebung des Schnittpunktes zwischen aktiver Reaktion (z.B. Schütze) und passiver Reaktion (z.B. Schmelzsicherung) hin zu höheren Strömen und zu einer schnellen Auslösereaktion, muss der Kurzschluss auch sehr schnell erkannt werden und auch die Trenngeschwindigkeit muss schneller sein als bei einem regulären Schütz. Liegt der Schnittpunkt z.B. bei 5000 A, muss zur Erfüllung der ISO17409 eine Trennung innerhalb von weniger als 100 ms erfolgen. Da ein klassisches Schütz allein bis zu 30 ms zum Trennen selbst benötigt, bleiben für die Sensierung (inkl. Kommunikation zwischen Stromsensor und Steuergerät), die Qualifizierung und die Reaktion nur noch 70 ms Zeit.
Nach dem Öffnen solch hoher Ströme darf ein Schütz üblicherweise nicht erneut zugeschaltet werden. Auch die Batteriezellen dürfen je nach Sicherheitskonzept nach solch hohen Belastungen nicht weiterverwendet werden. Dementsprechend würde eine falsch positive Kurzschlusserkennung inklusive Reaktion zu einem Austausch der Batterie und damit zu einem wirtschaftlichen Totalschaden führen. Eine falsch positive Erkennung muss also trotz der sehr anspruchsvollen Geschwindigkeitsanforderungen unbedingt vermieden werden.
Verwendet man zum Trennen des Kurzschlusses kein klassisches Schütz, sondern ein pyrotechnisches Trennelement, kann ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Zeit für eine Qualifizierung genutzt werden, da ein pyrotechnisches Trennelement schon in weniger als einer Millisekunde nach der Kommandierung eine Trennung herbeiführen kann. Dafür ist natürlich die Trennung mittels einer solchen sogenannten Pyrofuse noch weniger reversibel als die Trennung mittels eines Schützes. Selbst wenn im Nachgang eine falsch positive Erkennung als solche erkannt werden kann, muss die Hochvoltbatterie mit dem dazugehörigen hohen Aufwand geöffnet werden und das ausgelöste Trennelement muss getauscht werden. Aus diesen Gründen und auch weil die Wahrscheinlichkeit eines tatsächlichen Kurzschlusses, auf den reagiert werden muss, extrem gering ist, ist es von enormer Wichtigkeit, dass eine falsch positive Auslösung der Reaktion verhindert wird und dass das System beim Auslösen eine sehr hohe Konfidenz erreicht, dass der Kurzschluss auch tatsächlich anliegt.
Deshalb wird zur Lösung des beschriebenen Problems vorgeschlagen, dass zur Erkennung eines Kurzschlussstromevents nicht nur, wie im Stand der Technik beschrieben, der Strommesswert, sondern zusätzlich eine Spannungsmessung herangezogen werden soll. Dies kann beispielsweise die Summenspannung aller Zellen vor oder nach den Schaltschützen, die Summe eines Teils der Zellspannungen oder der Spannungsabfall über eine zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorhandene Induktivität sein.
Aufgrund des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erkennung eines Kurzschlussstromevents mithilfe zweier komplett voneinander unabhängigen Sensoreinrichtungen kann ohne zusätzliche Kosten (beide Sensoren sind im System üblicherweise schon vorhanden) die Reaktionszeit auf einen Kurzschluss erheblich gesenkt werden. Damit verschiebt sich der Schnittpunkt von passiver und aktiver Kurzschlussreaktion hin zu höheren Strömen und das passive Kurzschlusstrennelement (z.B. die Schmelzsicherung) kann weniger flink ausgelegt werden. Auf diese Weise kann z.B. eine Schmelzsicherung mit erheblich höherem Strom-Nennwert verwendet werden und das System kann eine höhere Ladeleistung erreichen. Des Weiteren sind mithilfe dieses Verfahrens auf dem gleichen Weg auch höhere Fahrleistungen erreichbar.
Geht man davon aus, dass der maximal mögliche Kurzschlussstrom im Ladepfad ungefähr 15 kA beträgt, so wird das in der ISO17409 geforderte Schmelzintegral dann erreicht, wenn ein Kurzschluss innerhalb von 10 ms getrennt werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass das passive Kurzschlusstrennelement (z.B. Schmelzsicherung) sogar ganz entfallen kann, wenn eine aktive Trennung innerhalb von 10 ms möglich ist. In diesem Fall wäre nicht nur eine Komponente mit vergleichsweise hoher Ausfallrate über Lebensdauer eingespart, auch die Stückkosten des Systems wären signifikant niedriger.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Strompfad mittels wenigstens eines pyrotechnischen Trennelements getrennt werden. Verwendet man zum Trennen des Kurzschlusses kein klassisches Schütz, sondern ein pyrotechnisches Trennelement, kann vorteilhaft ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Zeit für eine Qualifizierung genutzt werden, da ein pyrotechnisches Trennelement schon in weniger als einer Millisekunde nach der Kommandierung eine Trennung herbeiführen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels der Spannungsmesseinrichtung eine elektrische Spannung wenigstens einer der Größen des Hochvoltsystems bestimmt werden: einer Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers; einer Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers; einer elektrischen Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems; einer Spannung am Ausgang des Hochvolt-Energiespeichers; oder einem Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität. Mit einer solchen Spannungsmessung kann das vorgeschlagene Verfahren vorteilhaft umgesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung und der Spannungsmesseinrichtung bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung vorgenommen werden. Insbesondere kann eine Qualifizierung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen werden, welche Anzahl höchstens zehn, bevorzugt höchstens fünf, besonders bevorzugt höchstens drei beträgt. Obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass sowohl Strommessung als auch Spannungsmessung einen Defekt aufweisen, sehr gering ist, kann eine Qualifizierung der Messergebnisse über wenige Messzyklen möglich und sinnvoll sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen werden, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads eingehalten wird. Günstigerweise kann die Qualifizierung der Messwerte so schnell erfolgen, dass der geforderte Schmelzintegralwert beim Abschalten des Hochvoltsystems eingehalten werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hochvoltsystem, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, für ein Verfahren wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Hochvolt-Energiespeicher mit einem internen Strompfad, welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein Trennelement, wenigstens eine Strommesseinrichtung, mittels welcher ein elektrischer Strom durch den Strompfad bestimmbar ist, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung aufweist, mittels welcher eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems bestimmbar ist. Dabei ist mittels des Trennelements der Strompfad trennbar, wenn mittels der Strommesseinrichtung ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
Mit dem vorgeschlagenen Hochvoltsystem kann das oben beschriebene Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlussstromevents mithilfe zweier komplett voneinander unabhängigen Sensoreinrichtungen vorteilhaft umgesetzt werden. Auf diese Weise kann ohne zusätzliche Kosten (beide Sensoren sind im System üblicherweise schon vorhanden) die Reaktionszeit auf einen Kurzschluss erheblich gesenkt werden. Damit verschiebt sich der Schnittpunkt von passiver und aktiver Kurzschlussreaktion hin zu höheren Strömen und das passive Kurzschlusstrennelement (z.B. die Schmelzsicherung) kann weniger flink ausgelegt werden. Auf diese Weise kann z.B. eine Schmelzsicherung mit erheblich höherem Strom-Nennwert verwendet werden und das System kann eine höhere Ladeleistung erreichen. Des Weiteren sind mithilfe des Hochvoltsystems auf dem gleichen Weg auch höhere Fahrleistungen erreichbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochvoltsystems kann das wenigstens eine Trennelement als pyrotechnisches Trennelement ausgebildet sein. Verwendet man zum Trennen des Kurzschlusses kein klassisches Schütz, sondern ein pyrotechnisches Trennelement, kann vorteilhaft ein größerer Anteil der zur Verfügung stehenden Zeit für eine Qualifizierung genutzt werden, da ein pyrotechnisches Trennelement schon in weniger als einer Millisekunde nach der Kommandierung eine Trennung herbeiführen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochvoltsystems kann mittels der Spannungsmesseinrichtung eine elektrische Spannung wenigstens einer der Größen des Hochvoltsystems bestimmbar sein: einer Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers; einer Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers; einer elektrischen Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems; einer Spannung am Ausgang des Hochvolt-Energiespeichers; oder einem Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität. Mit einer solchen Spannungsmessung kann die Abschaltung des Hochvoltsystems im Fehlerfall vorteilhaft umgesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochvoltsystems kann eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung und der Spannungsmesseinrichtung bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung vornehmbar sein. Insbesondere kann eine Qualifizierung über eine Anzahl von Messzyklen vornehmbar sein, welche Anzahl höchstens zehn, bevorzugt höchstens fünf, besonders bevorzugt höchstens drei beträgt. Obwohl die Wahrscheinlichkeit, dass sowohl Strommessung als auch Spannungsmessung einen Defekt aufweisen, kann eine Qualifizierung der Messergebnisse über wenige Messzyklen möglich und sinnvoll sein
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochvoltsystems kann die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vornehmbar sein, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads eingehalten wird. Günstigerweise kann die Qualifizierung der Messwerte so schnell erfolgen, dass der geforderte Schmelzintegralwert beim Abschalten des Hochvoltsystems eingehalten werden kann.
Dabei zeigen:

1 eine Systemübersicht eines Hochvoltsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben eines Hochvoltsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine Systemübersicht eines Hochvoltsystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Hochvoltsystem 100, das insbesondere für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug vorgesehen sein kann, umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher 10, gekennzeichnet durch die Batteriespannung 12 und den Innenwiderstand 14, mit einem internen Strompfad 24, welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein, beispielsweise zwei Trennelemente 16, 18, wenigstens eine Strommesseinrichtung 20, mittels welcher ein elektrischer Strom durch den Strompfad 24 bestimmt werden kann, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung 22 aufweist, mittels welcher eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems 100 bestimmt werden kann. Dabei kann mittels wenigstens eines Trennelements 16, 18 der Strompfad 24 getrennt werden, wenn mittels der Strommesseinrichtung 20 ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
In 1 ist das Hochvoltsystem 100 während eines Kurzschlussereignisses dargestellt. Sobald der Kurzschluss anliegt, durch den Kurzschlusswiderstand 30 gekennzeichnet, kann über die Strommesseinrichtung 20 ein Überstrom gemessen werden. Üblicherweise wird der Strom sich außerhalb des Sensor-Messbereichs befinden, sodass keine Information über die Höhe des Stroms vorliegt. Die Strommesseinrichtung 20 liefert lediglich die Information, dass der Messbereich des Sensors überschritten wird. Normalerweise würde nun der Überstrom über eine gewisse Zeit qualifiziert werden, um auch sicher zu sein, dass es sich nicht nur um einen Messfehler handelt. Um das geforderte Schmelzintegral einzuhalten, muss insbesondere bei sehr hohen Strömen eine sehr schnelle Detektion und Reaktion eingehalten werden. Insbesondere in diesem Fall ist der Kurzschlusswiderstand 30 sehr viel kleiner als der Innenwiderstand 14 des Hochvoltenergiespeichers 10 und nahezu die komplette Batteriespannung 12 fällt über den Innenwiderstand 14 ab. Demnach fällt die mit der Spannungsmesseinrichtung 22 messbare Zwischenkreisspannung instantan mit dem Beginn des Kurzschlussereignisses auf einen sehr viel kleineren Wert als die Batteriespannung 12.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diese zweite Messgröße ebenfalls für die Identifikation eines Kurzschlussstromereignisses heranzuziehen. Auf diese Weise beruht die Erkennung des Kurzschlusses auf zwei voneinander komplett unabhängigen Messgrößen, sodass auf eine lange Qualifizierung des Fehlers verzichtet werden kann.
Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sowohl die Strommesseinrichtung 20 und die Spannungsmesseinrichtung 22 gleichzeitig einen solchen Defekt haben, dass beide unabhängigen Fehler fälschlicherweise auf einen Kurzschluss schließen lassen. Die vorgeschlagene Logik lautet: Wenn sowohl die Strommesseinrichtung 20 eine Überschreitung des Stroms anzeigt als auch die durch die Spannungsmesseinrichtung 22 gemessene Spannung so stark absinkt, dass ein Kurzschlussereignis stattfinden muss, sollen die Kurzschlusstrennelemente 16, 18 ohne lange Fehlerqualifizierungszeit geöffnet werden. Eine kurze Qualifizierung über wenige Messzyklen ist natürlich möglich.
Um auch bei der eigentlichen Trennung keine Zeit zu verlieren, wird hier vorgeschlagen als Trennelement 16, 18 ein pyrotechnisches Trennelement 16, 18 einzusetzen, das in deutlich unter einer Millisekunde den Strom trennen kann.
Mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 kann so vorteilhaft eine der folgenden elektrischen Spannungen bestimmt werden: eine Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 10 vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers 10; eine Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 10; eine elektrische Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems 100; eine Spannung am Ausgang 26, 28 des Hochvolt-Energiespeichers 10; oder einen Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität. Mit diesen Spannungen kann das vorgeschlagene Verfahren vorteilhaft umgesetzt werden.
Eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung 20 und der Spannungsmesseinrichtung 22 bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine geringe Anzahl von Messzyklen kann trotzdem vorgenommen werden.
Insbesondere kann die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen werden, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads 24 eingehalten wird.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben eines Hochvoltsystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Verfahren beruht darauf, dass bei einem in 1 dargestellten Hochvoltsystem 100 mittels wenigstens eines der Trennelemente 16, 18 der Strompfad 24 getrennt wird, wenn mittels der Strommesseinrichtung 20 ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
In Schritt S100 wird deshalb die Strommessung mittels der Strommesseinrichtung 20 in einem permanenten Zyklus durchgeführt, während parallel im Schritt S110 eine Spannungsmessung mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 durchgeführt wird.
In den Schritten S102, bzw. S112 wird nach jeder Strommessung, bzw. Spannungsmessung geprüft, ob der Stromgrenzwert überschritten oder der Spannungsgrenzwert unterschritten ist.
Sollte dieses nicht der Fall sein, wird die Strommessung, bzw. Spannungsmessung wieder gestartet.
Sollte eine dieser Bedingungen einer Grenzwertverletzung erfüllt sein, wird in Schritt S120 geprüft, ob im selben Zeitintervall auch der Grenzwert der jeweils anderen Messung, also bei einem verletzten Stromgrenzwert der Spannungsgrenzwert und umgekehrt, verletzt wird. Optional kann dieses Zeitintervall auch länger sein als das Zeitintervall eines Messzyklus.
Sollte dieses nicht der Fall sein, werden Strommessung und Spannungsmessung in den Schritten S100, bzw. S110 wieder gestartet.
Sollten beide Grenzwerte innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls verletzt sein, wird die Trennung des Strompfads 24 durch wenigstens eines der Trennelemente 16, 18, welche vorzugsweise als pyrotechnische Trennelemente 16, 18 ausgebildet sind, in Schritt S130 eingeleitet.
Zur Spannungsmessung mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren beispielsweise eine der folgenden elektrischen Spannungen bestimmt werden: einer Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 10 vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers 10; einer Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers 10; einer elektrischen Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems 100; einer Spannung am Ausgang 26, 28 des Hochvolt-Energiespeichers 10; oder einem Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität.
Eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung 20 und der Spannungsmesseinrichtung 22 bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine geringe Anzahl von Messzyklen kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren vorgenommen werden.
Insbesondere kann die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen werden, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads 24 eingehalten wird.
Bezugszeichenliste

10: Hochvolt-Energiespeicher
12: Batteriespannung
14: Innenwiderstand
16: Trennelement
18: Trennelement
20: Strommessung
22: Spannungsmessung
24: Strompfad
26: Ausgang
28: Ausgang
30: Kurzschlusswiderstand
100: Hochvoltsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020004737 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltsystems (100), insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, wobei das Hochvoltsystem (100) wenigstens einen Hochvolt-Energiespeicher (10) mit einem internen Strompfad (24) umfasst, welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein Trennelement (16, 18), wenigstens eine Strommesseinrichtung (20), die einen elektrischen Strom durch den Strompfad (24) bestimmt, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung (22) aufweist, die eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems (100) bestimmt, wobei mittels des Trennelements (16, 18) der Strompfad (24) getrennt wird, wenn mittels der Strommesseinrichtung (20) ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung (22) eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strompfad (24) mittels wenigstens eines pyrotechnischen Trennelements (16, 18) getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mittels der Spannungsmesseinrichtung (22) eine elektrische Spannung wenigstens einer der Größen des Hochvoltsystems (100) bestimmt wird: - einer Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers (10) vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einer Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einer elektrischen Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems (100); - einer Spannung am Ausgang (26, 28) des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einem Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung (20) und der Spannungsmesseinrichtung (22) bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung vorgenommen wird, insbesondere wobei eine Qualifizierung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen wird, welche Anzahl höchstens zehn, bevorzugt höchstens fünf, besonders bevorzugt höchstens drei beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vorgenommen wird, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads (24) eingehalten wird.
Hochvoltsystem (100), insbesondere eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens einen Hochvolt-Energiespeicher (10) mit einem internen Strompfad (24), welcher in Reihe geschaltet wenigstens ein Trennelement (16, 18), wenigstens eine Strommesseinrichtung (20), mittels welcher ein elektrischer Strom durch den Strompfad (24) bestimmbar ist, und wenigstens eine Spannungsmesseinrichtung (22) aufweist, mittels welcher eine elektrische Spannung des Hochvoltsystems (100) bestimmbar ist, wobei mittels des Trennelements (16, 18) der Strompfad (24) trennbar ist, wenn mittels der Strommesseinrichtung (20) ein Strom bestimmt wird, welcher einen vorgegebenen Stromgrenzwert überschreitet und wenn innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls mittels der Spannungsmesseinrichtung (22) eine Spannung bestimmt wird, welche einen vorgegebenen Spannungsgrenzwert unterschreitet.
Hochvoltsystem nach Anspruch 6, wobei das wenigstens eine Trennelement (16, 18) als pyrotechnisches Trennelement (16, 18) ausgebildet ist.
Hochvoltsystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei mittels der Spannungsmesseinrichtung (22) eine elektrische Spannung wenigstens einer der Größen des Hochvoltsystems (100) bestimmbar ist: - einer Summenspannung aller Zellen des Hochvolt-Energiespeichers (10) vor oder nach Schaltelementen des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einer Summenspannung eines Teils der Zellen des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einer elektrischen Spannung eines Zwischenkreises des Hochvoltsystems (100); - einer Spannung am Ausgang (26, 28) des Hochvolt-Energiespeichers (10); - einem Spannungsabfall über eine, insbesondere zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit, vorhandene Induktivität.
Hochvoltsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine Qualifizierung der mittels der Strommesseinrichtung (20) und der Spannungsmesseinrichtung (22) bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung vornehmbar ist, insbesondere wobei eine Qualifizierung über eine Anzahl von Messzyklen vornehmbar ist, welche Anzahl höchstens zehn, bevorzugt höchstens fünf, besonders bevorzugt höchstens drei beträgt.
Hochvoltsystem nach Anspruch 6 bis 9, wobei die Qualifizierung der bestimmten Werte von Strom und Spannung zum Ausschließen einer Fehlmessung über eine Anzahl von Messzyklen vornehmbar ist, die höchstens einer Zeitspanne entsprechen, sodass ein vorgegebener Schmelzintegralwert, insbesondere ein Schmelzintegralwert von 2,5 Mio. A²s, beim Trennen des Strompfads (24) eingehalten wird.