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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichers gemäß dem Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kurzschlusstrennelement für einen Hochvolt-Energiespeicher gemäß dem Patentanspruch 4. Schließlich betrifft die Erfindung einen Hochvolt-Energiespeicher gemäß dem Patentanspruch 5.
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Um wenigstens eine Batterie eines Hochvolt-Energiespeichers, die beispielsweise als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, mit hohen Strömen, insbesondere Gleichströmen (DC-Ströme), zu laden, sollten möglichst träge Schmelzsicherungen mit hohen Nennströmen verwendet werden. Gleichzeitig muss ein Kurzschlussstrom während des Ladevorgangs getrennt sein, bevor ein vorgegebenes Schmelzintegral erreicht ist. Um dies zu erreichen, sollte eine flinke Schmelzsicherung verwendet werden, die jedoch bei hohen Ladeströmen eine eingeschränkte Lebensdauer aufweist.
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Um dieses Dilemma zu umgehen, gibt es mehrere bereits bekannte Lösungsansätze. Meist wird das Potential zur maximalen Ladestromstärke nicht ausgenutzt und es wird eine flinke Sicherung mit niedrigem Nennstrom verwendet. Um trotz flinker Sicherung hohe Ladeströme zuzulassen, kann die Sicherung beispielsweise in einem von außen zugänglichen Gehäuse verbaut werden. Die Sicherung wird dann, aufgrund eingeschränkter Lebensdauer, ein- oder mehrfach während einer Lebensdauer des Fahrzeugs getauscht werden müssen. So hängt die eingeschränkte Lebensdauer von thermischen Zyklen durch Schnellladung ab, welche zu einer Degeneration der Sicherung an sich führen.
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Eine andere Maßnahme ist die Einschränkung der Ladeleistung nach einer gewissen Anzahl thermischer Zyklen. So könnte, um die Sicherung zu schonen, ein Fahrzeug beispielsweise in seiner zweiten Lebenshälfte nur noch mit verringerter Stromstärke geladen werden. Alternativ können Schütze mit deutlich höherer Trennfähigkeit verbaut werden. Diese Schütze sind jedoch besonders groß und/oder besonders schwer und/oder besonders teuer.
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Eine weitere Möglichkeit ist, wie in der
DE 10 2021 004 146 A1 gezeigt, die Verwendung eines pyrotechnischen Trennelements. Ferner zeigt die
DE 10 2020 005 248 A1 ein Verfahren mit einem Mehrstrangbatteriesystem, umfassend mehrere parallel geschaltete Batterien mit jeweils eigenen Schützen und Sicherungen zum Reagieren bei Kurzschluss.
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Schließlich zeigt die
DE 11 2019 005 683 T5 ein Batteriesystem, umfassend: erste und zweite Sicherungen, die jeweils einen ersten elektrischen Anschluss und einen zweiten elektrischen Anschluss umfassen; erste und zweite Schütze, die jeweils einen ersten Schützanschluss und einen zweiten Schützanschluss umfassen; und eine oder mehrere Batteriezellen, die elektrisch mit einem ersten Batteriemodulanschluss und einem zweiten Batteriemodulanschluss gekoppelt sind, wobei: der erste Batteriemodulanschluss elektrisch parallel mit dem ersten elektrischen Anschluss der ersten Sicherung und dem ersten elektrischen Anschluss der zweiten Sicherung gekoppelt ist; der zweite elektrische Anschluss der ersten Sicherung elektrisch mit dem ersten Schützanschluss des ersten Schützes gekoppelt ist; der zweite elektrische Anschluss der zweiten Sicherung elektrisch mit dem ersten Schützanschluss des zweiten Schützes gekoppelt ist; und der zweite Schützanschluss des ersten Schützes und der zweite Schützanschluss des zweiten Schützes elektrisch miteinander gekoppelt sind.
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Ein Nachteil beim genannten Stand der Technik ist beispielsweise, dass für eine erhöhte Kurzschlusstrennfähigkeit die Komplexität eines Hochvolt-Energiespeichers signifikant erhöht werden müsste. So müsste eine monolithische Batterie beispielsweise in mehrere parallele Stränge aufgespalten werden, wodurch eine doppelte Anzahl Spannungsmessungen und/oder Strommessungen ermöglicht werden müsste.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichers, ein Kurzschlusstrennelement sowie einen Hochvolt-Energiespeicher bereitzustellen, durch welche mindestens eine Batterie des Hochvolt-Energiespeichers mit einem besonders hohen Strom geladen werden kann und gleichzeitig eine Sicherheit der Batterie vor Kurzschlüssen besonders vorteilhaft gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichers. Der durch das Verfahren zu betreibende Hochvolt-Energiespeicher umfasst wenigstens eine Batterie, welche mit einem Kurzschlusstrennelement in Reihe geschaltet ist, welches einen ersten Hochvoltpfad mit einer ersten Sicherung und wenigstens einem ersten Schütz und einen zweiten Hochvoltpfad mit einer zweite Sicherung und wenigstens einem zweiten Schütz aufweist und der erste Hochvoltpfad mit dem zweiten Hochvoltpfad parallel geschaltet ist, wobei zum Abschalten des Hochvolt-Energiespeichers im Fehlerfall durch das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Schritte durchgeführt werden.
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In einem ersten Schritt erfolgt ein Detektieren eines Überstroms in wenigstens einem der Hochvoltpfade und/oder oder in einem Pfad des Hochvolt-Energiespeichers, welcher elektrisch mit den beiden Hochvoltpfaden verbunden ist. Das Detektieren des Überstroms dient im Wesentlichen dazu, einen Kurzschluss, welcher dem Überstrom zugrunde liegen kann, zu erkennen. Dabei ist der Überstrom ein Strom, welcher durch den Hochvolt-Energiespeicher beziehungsweise das Kurschlusstrennelement fließt und dabei eine festgelegte Stromstärke überschreitet.
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In einem zweiten Schritt erfolgt ein Öffnen des ersten Hochvoltpfads durch das wenigstens eine erste Schütz, wodurch ein Stromfluss auf den zweiten Hochvoltpfad kommutiert. Vor dem Öffnen des ersten Hochvoltpfads ist der Stromfluss über beide Hochvoltpfade im Wesentlichen paritätisch verteilt, insbesondere wenn die beiden Hochvoltpfade gleich oder ähnlich aufgebaut sind. Durch das Öffnen des Hochvoltpfads und das Kommutieren des Stromflusses erfolgt nun ein aktives Umschalten einer Sicherungskennlinie, welche das Kurzschlusstrennelement in seiner Gesamtheit charakterisiert. Diese Sicherungskennlinie, kann als Ersatzsicherungskennlinie beziehungsweise, in Abhängigkeit von einem verwendeten Sicherungstyp, als Ersatz-Schmelzsicherungskennlinie des gesamten Hochvolt-Energiespeichers für einen Kurzschlussfall dienen.
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In einem dritten Schritt erfolgt, in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses, welcher nun insbesondere vollständig über den zweiten der beiden Hochvoltpfade verläuft, ein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades. Durch das Öffnen des zweiten Hochvoltpfades kann, insbesondere aufgrund der durch das bereits geöffneten ersten Schütz veränderten Sicherungskennlinie, besonders vorteilhaft und beispielsweise schnell auf den Fehlerfall, welcher beispielsweise als Kurzschluss auftritt, reagiert werden. So kann der Hochvolt-Energiespeicher sicher betrieben und dabei geschont werden.
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Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kurzschlusstrennelement, umfassend zwei parallele (Hochvolt-)Pfade mit jeweils einer insbesondere als Schmelzsicherung ausgebildeten Sicherung und wenigstens einem Schütz, welcher mit der jeweiligen Sicherung innerhalb des jeweiligen (Hochvolt-)Pfades in Serie geschaltet sind, verwendet. Das Kurzschlusstrennelement ist mit einem der beiden Batteriepole, beispielsweise dem Pluspol, verschaltet. Die jeweilige Sicherung kann gleich ausgebildet sein zu der Sicherung des jeweiligen anderen Hochvoltpfades. Gleiches gilt für die Schütze. Somit können sich dann sowohl ein Betriebsstrom, welcher insbesondere als für den Hochvolt-Energiespeicher spezifizierter Ladestrom betrachtet werden kann, als auch Fehlströme im Kurzschluss- beziehungsweise Fehlerfall, zumindest nahezu gleichmäßig auf die beiden Hochvoltpfade aufteilen.
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Durch das Verfahren können nun die beiden parallel geschalteten Hochvoltpfade innerhalb des Kurzschlusstrennelements kaskadiert auf den Fehlerfall beziehungsweise Kurzschluss reagieren. So wird der erste Hochvoltpfad geöffnet, sobald ein insbesondere sehr hoher Überstrom beispielsweise mithilfe eines Stromsensors detektiert worden ist. Im später trennenden Pfad, also dem zweiten Hochvoltpfad, steigt damit der Strom beziehungsweise Stromfluss sprunghaft an, sobald das wenigstens eine Schütz des ersten Hochvoltpfades geöffnet wurde. Somit ergibt sich durch den zweiten Verfahrensschritt das eine Ersatzschmelzsicherungskennlinie, welche das Kurzschlusstrennelement nun charakterisiert, aktiv geschaltet werden kann. Die Ersatzsicherungskennlinie ist insbesondere bei einem komplett zugeschalteten Kurzschlusstrennelement, unter der Voraussetzung, dass die beiden Sicherungen gleich ausgebildet sind, viermal träger, als nach dem Öffnen des ersten Hochvoltpfads, da der Strom bei geschlossenem Schützen paritätisch aufgeteilt ist und eine Auslösezeit einer Schmelzsicherung nahezu quadratisch mit der Stromstärke steigt.
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Bei dem erfindungsgemäße Verfahren kann durch die Tatsache, dass die Auslösezeit derart mit der Stromstärke zusammenhängt, nun die Ersatzsicherungskennlinie beziehungsweise Ersatz-Schmelzsicherungskennlinie derart umgeschaltet werden, dass im Falle eines detektierten Überstroms der erste der beiden Hochvoltpfade insbesondere sehr schnell geöffnet wird. Der Strom kommutiert auf den zweiten Pfad das Gesamtsystem, sodass das Kurzschlusstrennelement besonders schnell auf den Kurzschluss reagiert, insbesondere im Vergleich dazu, wenn das wenigstens eine erste Schütze des ersten Hochvoltpfades nicht geschaltet geöffnet würde.
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Erfindungsgemäß wird ein Vorladepfad, welcher insbesondere einen Vorladewiderstand und/oder ein Vorladerelais aufweist, mit einer Sicherung versehen und bei dem Verfahren verwendet, wobei beim Öffnen des ersten Hochvoltpfades zumindest ein Teil des Stromflusses über den Vorladepfad kommutiert wird. Bei der Sicherung des Vorladepfads handelt es sich insbesondere um eine Schmelzsicherung. Mit anderen Worten kann ein bereits vorhandener Vorladepfad des Hochvolt-Energiespeichers durch Einbringen einer Sicherung zum kaskadiert-schaltenden Kurzschlusstrennelement erweitert beziehungsweise ergänzt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren beispielsweise besonders effizient betrieben werden kann.
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Somit ergibt sich als wenigstens ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass im Vergleich mit einer konventionellen Schütz-Sicherungsauslegung, sehr viel schneller auf einem Kurzschluss, welcher potenziell beim Laden des Hochvolt-Energiespeicher auftreten kann, reagiert werden kann, ohne dabei Einbußen bei der Ladestromstärke hinnehmen zu brauchen. Ferner ist das vorgeschlagene Verfahren besonders robust gegenüber fälschlicherweise erkannten Kurzschlüssen, beispielsweise aufgrund eines Sensorfehlers eines Strommessgeräts. So erfolgt das Öffnen des zweiten Hochvoltpfades im dritten Schritt in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses. Wird im zweiten Schritt auf einen vermeintlichen Überstrom reagiert, obwohl kein Kurzschluss vorliegt, kann der erste der beiden Pfade im Kurzschlusstrennelement lediglich für einen kurzen Moment deaktiviert werden, da aufgrund der Art des Stromflusses nach dem Kommutieren, welche erfasst werden kann, kein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades zu erfolgen braucht, da der Hochvolt-Energiespeicher in einem sicheren Zustand ist.
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Somit erfolgt in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses, insbesondere statt dem Öffnen des zweiten Pfades, ein Schließen des ersten geöffneten Hochvoltpfades. So kann beispielsweise im dritten Schritt des Verfahrens in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses ein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades und/oder in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses ein Schließen des ersten, geöffneten Hochvoltpfades erfolgen. Mit anderen Worten unterbleibt aufgrund der Abhängigkeit der Art des Stromflusses im dritten Verfahrensschritt ein Auslösen beziehungsweise ein Aktivieren der Sicherung beziehungsweise ein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades. So kann beispielsweise eine Fehlerkennung des Strommessgeräts korrigiert werden. Der getrennte Pfad wird somit einfach wieder zugeschaltet, insbesondere ohne dass für einen Benutzer ein Fehler am Hochvolt-Energiespeicher erkennbar gewesen wäre. So ergibt sich insbesondere bei gleicher Ausgestaltung der wenigstens zweiten Schütze und insbesondere der beiden Sicherungen, dass beim Öffnen eines der beiden Pfade kein Lichtbogen in dem öffnenden Schütz entsteht, wodurch eine Abnutzung des Kurzschlusstrennelements vernachlässigbar ist. Daher ergibt sich insbesondere im Gegensatz zum Stand der Technik ein Vorteil, da ein sofortiger Ausfall des Hochvolt-Energiespeicher und somit bei einer Anwendung im Elektrofahrzeug ein sofortiger Antriebsverlust vermieden werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Öffnen des zweiten Hochvoltpfades, insbesondere im dritten Schritt, durch das wenigstens eine zweite Schütz und/oder durch die zweite Sicherung. Mit anderen Worten wird beim Erkennen und als Reaktion auf den Überstrom, der Hochvolt-Energiespeicher dadurch vor einem Kurzschluss geschützt, dass das wenigstens zweite Schütz insbesondere schnell geschaltet wird und/oder die zweite Sicherung auslöst, also beispielsweise im Falle einer Schmelzsicherung schmilzt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren besonders sicher durchgeführt werden kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kurzschlusstrennelement für einen wenigstens eine Batterie umfassenden Hochvolt-Energiespeicher.
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Das erfindungsgemäße Kurzschlusstrennelement weist einen ersten Hochvoltpfad mit einer ersten Sicherung und wenigstens einem ersten Schütz und einem zweiten, zu dem ersten Hochvoltpfad parallelgeschalteten Hochvoltpfad mit einer zweiten Sicherung und wenigstens einem zweiten Schütz auf, wobei das Kurzschlusstrennelement mit der wenigstens einen Batterie des Hochvolt-Energiespeichers in Reihe schaltbar ist.
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Dabei sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des ersten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens eine der Sicherungen als Schmelzsicherung ausgebildet und/oder die Sicherung des zweiten Hochvoltpfads weist ein schnelleres Ansprechverhalten als die Sicherung des ersten Hochvoltpfads auf. Mit anderen Worten wird wenigstens eine Schmelzsicherung verwendet, wodurch eine besonders zuverlässige Sicherung für das Kurzschlusstrennelement bereitsteht. Zusätzlich oder alternativ werden zwei unterschiedlich schnell ansprechende Sicherungen verwendet, wodurch eine Auslöszeit des gesamten Kurzschlusstrennelements nach Öffnen des ersten Hochvoltpfades beispielsweise bis zu einem Faktor größer vier verringert werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kurzschlusstrennelement besonders vorteilhaft den Hochvolt-Energiespeicher schützen kann.
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Erfindungsgemäß ist in einem der beiden Hochvoltpfade mindestens ein Leitungswiderstand angeordnet. Mit anderen Worten kann eine Aufteilung des Stromes im Normalbetrieb, ähnlich beziehungsweise zusätzlich oder alternativ durch eine geeignete Stromschienengeometrie beeinflusst werden. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die Stromverteilung nicht zu asymmetrisch ausfällt. Da eine stark asymmetrische Stromverteilung im Regelbetrieb beziehungsweise Normalbetrieb eine höhere Anforderung an die Trennfähigkeit des ersten Trennelements beziehungsweise wenigstens einen ersten Schütz stellt, da dieses dann nicht mehr spannungsfrei und somit im Wesentlichen abnutzungsfrei schaltet. Jedoch ergibt sich der Vorteil, dass auf besonders vorteilhafte Weise eine Eigenschaft des Kurzschlusstrennelements beeinflusst werden kann.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Hochvolt-Energiespeicher mit wenigstens einer Batterie, welche in Reihe mit einem Kurzschlusstrennelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung geschalten ist und/oder der Hochvolt-Energiespeicher dazu ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durchzuführen.
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Dabei sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des ersten beziehungswiese zweiten Aspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Hochvolt-Energiespeicher als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Mit anderen Worten bildet die wenigstens eine Batterie des Hochvolt-Energiespeichers eine Traktionsbatterie für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft betrieben werden kann, indem es besonders schnell geladen werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Strommessgerät vorgesehen, durch welches ein Stromfluss und/oder der Überstrom erfasst werden. Mit anderen Worten weist der Hochvolt-Energiespeicher insbesondere wenigstens einen Strommesssensor auf, durch welchen beispielsweise ein Kurzschlussstrom beziehungsweise der Überstrom erfasst werden kann, wodurch beispielswiese ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eingeleitet werden kann. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Hochvolt-Energiespeicher besonders vorteilhaft betrieben werden kann.
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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.
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Dabei zeigt:
- 1 Eine schematische Ansicht eines Hochvolt-Energiespeichers umfassend wenigstens eine mit einem Kurzschlusstrennelement in Reihe geschaltete Batterie.
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Die einzige Figur, 1, zeigt einen Hochvolt-Energiespeicher 10 umfassend wenigstens eine Batterie 12, welche mit einem Kurzschlusstrennelement 14 in Reihe geschaltet ist.
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Damit die wenigstens eine Batterie 12 besonders vorteilhaft mit einem besonders hohen Strom beispielsweise durch eine Ladeeinrichtung 16 geladen werden kann, muss ein Kurzschlussschutz für den Hochvolt-Energiespeicher 10 entsprechend stark ausgebildet sein.
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Um dies zu gewährleisten umfasst das Kurzschlusstrennelement 14 für die wenigstens eine Batterie 12 einen ersten Hochvoltpfad 18 mit einer ersten Sicherung 20 und mit wenigstens einem ersten Schütz 22. Das Kurzschlusstrennelement 14 umfasst ferner einem zweiten Hochvoltpfad 24 mit einer zweiten Sicherung 26 und wenigstens einem zweiten Schütz 28, wobei der erste Hochvoltpfad 18 mit dem zweiten Hochvoltpfad 24 parallelgeschaltet ist.
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Beim Laden wird nun beispielsweise die Ladeeinrichtung 16, welche eine Gleichspannung bereitstellt, über die beiden Anschlüsse 30 mit dem Hochvolt-Energiespeicher 10 verbunden. Um nun im Fehlerfall, welcher beispielsweise durch einen Kurzschluss hervorgerufen wird, den Hochvolt-Energiespeicher 10 besonders vorteilhaft abschalten zu können, wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Detektieren eines Überstroms in wenigstens einem der Hochvoltpfade 18 und 24 beziehungsweise in einem Ladekreislauf des Hochvolt-Energiespeichers 10. Das Detektieren beziehungsweise ein Erfassen kann beispielsweise durch ein Strommessgerät 32 erfolgen. In einem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Öffnen des ersten Hochvoltpfades 18 durch das wenigstens eine zugehörige Schütz 22, wodurch ein Stromfluss auf den zweiten der beiden Hochvoltpfade 24 kommutiert wird. Durch das Öffnen des ersten Hochvoltpfades 18 wird somit in dem Kurzschlusstrennelement 14 eine Sicherungskennlinie, insbesondere eine Ersatzschmelzsicherungskennlinie, welche die Gesamtsicherung des Kurzschlusstrennelements 14 charakterisiert, aktiv umgeschaltet beziehungsweise geändert. Dabei ist wenigstens eine und insbesondere beide der Sicherungen 20 und 26 als Schmelzsicherung ausgebildet. Schließlich erfolgt in einem dritten Schritt in Abhängigkeit von dem Stromfluss, also abhängig von dem kommutierten Stromfluss, ein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades 24.
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So zeigt 1 das Kurzschlusstrennelement 14 und den Hochvolt-Energiespeicher10 sowie ein Verfahren zum Betreiben des Hochvolt-Energiespeichers 10, wobei einer der beiden Batteriepole, welche durch die Anschlüsse 30 dargestellt sind, mit dem Kurzschlusstrennelement 14, welches wenigstens zwei Schütze 22 und 28 sowie die beiden Sicherungen 20 und 26 umfasst, verschaltet ist. In dem jeweiligen Hochvoltpfad 18 oder 24 sind die jeweiligen Sicherungen 20 oder 26 in Reihe mit dem wenigstens jeweils einem Schütz 22 oder 28 geschaltet. Somit teilen sich im Betrieb, beispielsweise beim Laden, durch den Hochvolt-Energiespeichers 10 fließende Ströme, und somit der Stromfluss, zumindest im Wesentlichen paritätisch auf die beiden Hochvoltpfade 18 und 24 auf. So können beispielsweise verwendete Querschnitte der stromführenden Teile, insbesondere der beiden Hochvoltpfade 18 und 24, besonders gering ausfallen und trotzdem hohe Ladeströme realisiert werden.
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Bei dem Verfahren können die beiden Hochvoltpfade 18 und 24 innerhalb des Kurzschlusstrennelements 22 kaskadiert auf einen möglichen Kurzschluss reagieren. Das Öffnen des ersten Hochvoltpfads 18 aufgrund der Höhe des Übergangsstroms, welche mit Hilfe des Strommessgeräts 32 detektiert wird, erfolgt durch das wenigstens eine erste Schütz 22. Selbst wenn dabei ein sehr hoher Strom fließt, kann durch das vorgestellte Verfahren gewährleistet werden, dass eine Anforderung bezüglich einer Trennfähigkeit des ersten Hochvoltpfades 18 nicht zu hoch ist. Der Grund dafür ist, dass das Schütz 22 nahezu keine Spannungsdifferenz zu trennen braucht, da der Strom beziehungsweise Stromfluss instantan fast vollständig auf den zweiten Hochvoltpfad 24 kommutiert. Dadurch entsteht im Schütz 22 kein Lichtbogen und damit auch keine Abnutzung des Kurzschlusstrennelements 14. Im später trennenden Pfad, dem zweiten Hochvoltpfad 24, steigt der Strom beziehungsweise Stromfluss sprunghaft an, sobald das Schütz 22 des ersten Hochvoltpfades 18 geöffnet wurde. Dieser Umstand kann nun verwendet werden, um die Ersatz-Schmelzsicherungskennlinie des gesamten Systems, also des Hochvolt-Energiespeichers 10 beziehungsweise des Kurzschlusstrennelements 14 im Kurzschlussfall aktiv umzuschalten. Die Ersatzsicherungskennlinie kann im Falle vom komplett zugeschalteten Kurzschlusstrennelement 14 ungefähr viermal so träge sein, als nach dem Öffnen des ersten Hochvoltpfades 18. Dies ist darin begründet, dass sich der Strom beziehungsweise Stromfluss, wenn beide Pfade geschlossen sind, paritätisch aufteilt und die Auslösezeit einer Schmelzsicherung nahezu quadratisch mit der Stromstärke sinkt. Um nun die Ersatz-Schmelzsicherungskennlinie aktiv umzuschalten, würden im Falle eines detektierten Überstroms einer der beiden Hochvoltpfade 18 und 24, im vorliegenden Beispiel der Hochvoltpfad 18 insbesondere schnell geöffnet. Durch den kommutierenden Strom auf dem zweiten Hochvoltpfad 24 kann das Gesamtsystem nun besonders schnell auf den Kurzschluss reagieren.
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Vorteilhafterweise wird die Sicherung 26 des zweiten Pfades schneller gewählt als die Sicherung 20 des ersten Pfades, so weist die Sicherung 26 ein besonders schnelles Ansprechverhalten auf.
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Der gezeigte Hochvolt-Energiespeicher10 kann einen Vorladepfad umfassen, welcher einen Vorladewiderstand und ein Vorladerelais aufweist, wobei in diesem Vorladepfad eine weitere Schmelzsicherung eingebracht werden kann, sodass zum Kurzschlusstrennelement 14 der Vorladepfad kaskadiert geschaltet und/oder letzterer zum Kurzschlusstrennelement 14 erweitert werden kann. Dafür sollte das Vorladerelais im Normalbetrieb immer zugeschaltet bleiben, wodurch der Vorladepfad somit auch bei Batterieströmen immer einen gewissen Anteil der Stromstärke beziehungsweise des Stromflusses trägt. Im Fehler- beziehungsweise Kurzschlussfall wird nun ein (Hochvolt-)Pfad des Kurzschlusstrennelements 14 geöffnet und der Kurzschlussstrom kommutiert auf den Vorladepfad, wobei der Vorladewiderstand dabei einen Kurzschlussstrom der wenigstens einen Batterie 12 des Hochvolt-Energiespeichers 10 deutlich begrenzt. Dabei ist zu beachten, dass im Kurzschlussfall beziehungsweise Fehlerfall somit der Spannungsabfall über den Vorladewiderstand und die zweiten Sicherung 26 durch das primäre Schütz 22 zu trennen ist und das Öffnen des Schützes 22 dabei nicht mehr ganz abnützungsfrei erfolgt.
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Der Hochvolt-Energiespeicher 10 ist insbesondere aus Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet. Die wenigstens eine Batterie 12 kann aus mehreren, verschalteten Batteriezellen gebildet sein.
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Durch den vorgestellten Hochvolt-Energiespeicher 10, das Kurzschlusstrennelement 14 sowie das Verfahren kann verglichen mit einer klassischen Schützsicherungsauslegung sehr viel schneller auf einen Kurzschluss reagieren werden, ohne Einbußen bei einer Ladestromstärke hinzunehmen. Dabei ist das vorgeschlagene Verfahren besonders robust gegenüber fälschlicherweise erkannten Kurzschlüssen, da vorteilhafterweise auf einen durch einen Sensorfehler, beispielsweise des Strommessgeräts 32, reagiert werden kann, indem lediglich für einen kurzen Moment der erste Hochvoltpfad 18 deaktiviert beziehungsweise geöffnet wird. Folgt nun auf diese Reaktion des Öffnens kein Auslösen der Sicherung 26, kann die dadurch erkannte Fehlerkennung korrigiert werden, indem der getrennte Hochvoltpfad 18 einfach wieder zugeschaltet wird, ohne dass der Fehler beispielsweise von außen wahrnehmbar ist. Da bei dem Öffnen nur eines der beiden Hochvoltpfade 18 und 24 kein Lichtbogen entsteht, ist somit eine Abnutzung des Kurzschlusstrennelements 14 vernachlässigbar.
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Durch den hier gezeigten Hochvolt-Energiespeicher 10, das zugehörige Verfahren zu dessen Betreiben und das Kurzschlusstrennelement 14 kann auf besonders vorteilhafte Weise eine insbesondere als Traktionsbatterie ausgebildete wenigstens eine Batterie 12 mit umschaltbarer Sicherungskennlinie realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltenergiespeicher
- 12
- Batterie
- 14
- Kurzschlusstrennelement
- 16
- Ladestation
- 18
- Erster Hochvoltpfad
- 20
- Erste Sicherung
- 22
- Erstes Schütz
- 24
- Zweiter Hochvoltpfad
- 26
- Zweite Sicherung
- 28
- Zweites Schütz
- 30
- Anschluss
- 32
- Strommessgerät
