WO2020216556A1 - Verfahren zur ermittlung eines versorgungsstroms eines elektrischen energieversorgungssystems - Google Patents

Verfahren zur ermittlung eines versorgungsstroms eines elektrischen energieversorgungssystems Download PDF

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WO2020216556A1
WO2020216556A1 PCT/EP2020/058283 EP2020058283W WO2020216556A1 WO 2020216556 A1 WO2020216556 A1 WO 2020216556A1 EP 2020058283 W EP2020058283 W EP 2020058283W WO 2020216556 A1 WO2020216556 A1 WO 2020216556A1
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electrical
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controllable switch
electrical energy
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PCT/EP2020/058283
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Stefan Teusch
Juergen Paul
Ronny GROSCHKE
Christian Wilhelm
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Robert Bosch Gmbh
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a supply current of an electrical energy supply system.
  • the invention also relates to an electrical energy supply system which is set up to carry out the method according to the invention.
  • the invention also relates to a motor vehicle which is set up to carry out the method according to the invention and / or comprises the electrical energy supply system according to the invention.
  • Electric vehicles will be used.
  • Such electrically powered automobiles e.g. Electric vehicles and hybrid vehicles each include an electrical power supply system that includes at least one
  • the battery system includes a battery made up of one or more battery cells and a battery management system.
  • the battery is usually provided with a protective device, such as a fuse or a circuit breaker.
  • a protective device such as a fuse or a circuit breaker.
  • an emergency stop switch such as a pyrotechnic circuit breaker, which is also referred to as a pyrotechnic safety element, pyrotechnic safety switch or pyrotechnic isolating element, can be provided for the electrical energy supply system.
  • a supply current of the electrical energy supply system is determined to monitor the electrical energy supply system. This determination of the supply current can take place by means of a shunt connected in series with the battery.
  • the document DE 10 2016 007 947 A1 describes a test device for an electrical connection point of an electrical energy store.
  • Test device comprises a voltage pulse generator and a measuring unit. An electrical resistance of a fuse is determined by means of the
  • a battery system is known from the document DE 10 2012 224 223 A1.
  • the battery system comprises a suitable battery, a fuse to protect the battery from overload and a monitoring device for
  • Document DE 10 2007 054 297 A1 relates to a fuse switch disconnector with an integrated resistance measuring device which comprises a current generator for generating a test current.
  • the document DE 41 30 978 A1 describes a method for testing electrical, protected loads in a vehicle electrical system.
  • the electrical energy supply system includes a DC voltage source, an ohmic one
  • Component and an electrical load whose resistance is known and which is connected in series with a controllable switch.
  • the electrical consumer is preferably designed as an ohmic consumer. But it is also conceivable that the electrical consumer is designed as an inductance.
  • An ohmic consumer is understood to mean electrical components which consist of one or more ohmic resistors and which essentially generate heat or light.
  • An ohmic component is understood to mean electrical components that are essentially equated with an ohmic resistance, but are not defined as ohmic loads. For example, a fuse and a busbar fall under the term of an ohmic component in the context of this invention.
  • the electrical resistance of the ohmic component is typically given by technically induced parasitic resistances and is therefore smaller than the electrical resistance of the ohmic consumer.
  • a calibration current is specified with a first one
  • Frequency generated by a clocked activation of the controllable switch with the first predetermined frequency is activated in a clocked manner with the first predetermined frequency, so that a
  • the first specified frequency is to be selected so that the frequency component in
  • Supply current of the electrical power supply system is contained as little as possible.
  • a time profile of a first voltage is measured on the ohmic component.
  • the resistance value of the electrical consumer is the amplitude of the
  • the third voltage on the electrical consumer can be measured.
  • the amplitude of the calibration current can also be derived from the voltage of the
  • the resistance value of the ohmic component is negligible compared to the resistance value of the electrical consumer and thus the
  • Calibration current can be measured.
  • the amplitude of the calibration current can be determined by means of the measured time profile of the third voltage and the resistance value of the electrical consumer.
  • the resistance value of the ohmic component is then derived from the
  • Energy supply system from a voltage drop, which is measured on the ohmic component, and the determined resistance value of the ohmic component.
  • the clocked control of the controllable switch can be modulated with a second predetermined frequency so that the controllable switch is clocked with the first predetermined frequency in a first time span of a period given by the second predetermined frequency, and then in a second time span the period is turned off. Electrical energy can advantageously be saved in this way.
  • the second frequency is advantageously smaller than the first frequency by at least a factor of 10.
  • DC voltage source designed as an electrical energy store, such as a battery, in particular a lithium-ion battery (LIB), or as a capacitor, in particular a supercapacitor (SC, English:
  • LIB lithium-ion battery
  • SC supercapacitor
  • the battery is preferred as a starter battery of a motor vehicle
  • the battery preferably has a voltage of 12 V or 24 V.
  • SC supercapacitor
  • LIB lithium-ion batteries
  • lithium-ion batteries Power density and a lower energy density than lithium-ion batteries.
  • lithium-ion batteries are preferred for energy-intensive applications and supercapacitors for power-intensive applications.
  • Hybrid supercapacitors on the other hand, have a relatively high power density and a relatively high power density height
  • Hybrid supercapacitors therefore have the properties of lithium-ion batteries and supercapacitors.
  • DC voltage source as an energy converter, such as designed as a fuel cell.
  • DC machine or an AC machine is designed with a rectifier.
  • the controllable switch is preferably a semiconductor switch, in particular a power semiconductor.
  • a power semiconductor is a semiconductor component that is designed in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages, e.g. IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode, English: insulated-gate bipolar transistor) or MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor).
  • IGBT bipolar transistor with insulated gate electrode
  • MOSFET metal oxide semiconductor field-effect transistor
  • Further suitable controllable switches are thyristors and components derived therefrom such as GTO (gate turn-off thyristor), IGCT
  • the controllable switch is particularly preferably designed as a MOSFET.
  • the electrical energy supply system preferably has at least one further electrical consumer, which is designed as an electric motor.
  • the electrical consumer is preferably designed as a heating element, for example as a heating coil of a seat heater of a motor vehicle. However, it is also conceivable that the electrical consumer is designed as a lamp.
  • the ohmic component can be designed, for example, as a fuse or a pyrotechnic safety switch. But it is also conceivable that the ohmic component as a busbar or a
  • Circuit breaker is designed.
  • the procedure can be run through once or several times.
  • the method can in particular be repeated at regular time intervals in order to determine a change in the ohmic component, for example due to a temperature change.
  • a control device is also proposed. Here is the
  • Control device set up to carry out the method according to the invention.
  • the control device can monitor and control the DC voltage source and / or the electrical energy supply system.
  • the control device is preferably designed as a battery management control device which monitors and controls the direct voltage source designed as a battery, in particular a lithium-ion battery (LIB).
  • the control device can furthermore comprise measuring devices for voltage measurement and / or devices which are used, for example, for evaluation and filtering.
  • the electrical energy supply system comprises a DC voltage source, an ohmic one Component, an electrical load whose resistance is known and which is connected in series with a controllable switch, and a control device. It is a series circuit that connects the electrical
  • a motor vehicle is also proposed which, in order to carry out the method according to the invention and / or which comprises an electrical energy supply system mentioned above.
  • a supply current of an electrical energy supply system can be determined by means of a protective device provided for the electrical energy supply system in the form of a fuse.
  • Protection device can also be used a busbar or a pyrotechnic circuit breaker. A shunt used to measure the current in the electrical energy supply system is therefore not required.
  • a calibration of the measurement or the determination of the supply current can already be carried out by means of an in the electrical energy supply system
  • the method according to the invention can be used to obtain qualitative information about the state of the ohmic component on the basis of the determined resistance value of the ohmic component. A premature failure can thus be recognized.
  • Figure 1 is a schematic representation of an electrical
  • FIG. 2 is a schematic representation of the sequence of the invention
  • Figure 1 shows a schematic representation of an electrical
  • the electrical power supply system 100 includes a
  • DC voltage source 10 an ohmic component 20
  • an electrical consumer 30 the resistance value of which is known and which is connected in series with a controllable switch 40, and a further electrical consumer 90 which can be designed as an electric motor.
  • a series circuit which has the electrical consumer 30 and the controllable switch 40, and the further electrical consumer 90 are connected in parallel to one another and electrically connected to the DC voltage source 10 via the ohmic component 20.
  • the DC voltage source 10 can be designed as an electrical energy store, for example as a battery, in particular a lithium-ion battery (LIB), or as a capacitor, in particular a supercapacitor (SC).
  • the battery is preferably designed as a starter battery of a motor vehicle.
  • the battery preferably has a voltage of 12 V or 24 V.
  • the DC voltage source 10 can also be used as an energy converter, such as
  • DC machine or an AC machine is designed with a rectifier.
  • the controllable switch 40 is preferably a semiconductor switch, in particular a power semiconductor such as e.g. IGBT or MOSFET. Further suitable controllable switches 40 are thyristors and components derived therefrom such as GTO, IGCT and SiC switches.
  • the controllable switch 40 is particularly preferably designed as a MOSFET.
  • the electrical load 30 is preferably designed as a heating element, such as, for example, a heating winding of a seat heater of a motor vehicle. However, it is also conceivable that the electrical consumer 30 is designed as a lamp.
  • the ohmic component 20 can, for example, as a
  • a pyrotechnic safety switch be designed.
  • the ohmic component 20 is designed as a busbar.
  • a calibration current with a first predetermined frequency is generated by clocked activation of the controllable switch 40 with the first predetermined frequency.
  • the controllable switch 40 is activated in a clocked manner by a control device 80 at the first predetermined frequency, so that a rectangular current profile is created for the calibration current.
  • the first predefined frequency is to be selected so that the frequency component is contained in the supply current of the electrical energy supply system 100 as little as possible.
  • the clocked activation of the controllable switch 40 can be modulated with a second predetermined frequency so that the controllable switch 40 is activated in a clocked manner with the first predetermined frequency in a first time span of a period given by the second predetermined frequency and then in a second The period of the period is turned off. Electrical energy can advantageously be saved in this way.
  • Voltage measuring device 50 measured.
  • the third voltage that has been filtered out is also passed on to the control device 80 and can be stored there.
  • a third voltage is measured at the electrical load 30 by a second voltage measuring device 60.
  • a time profile of the first voltage can be recorded. This is particularly advantageous if the voltage at the electrical load 30 is not constant.
  • the measured third voltage is passed on to the control device 80 and can be stored there.
  • the amplitude of the calibration current is determined. In the event that the voltage at the electrical load 30 is constant, the amplitude of the calibration current can also be measured from the voltage of the
  • Load 30 are determined, since the resistance value of the ohmic component 20 compared to the resistance value of the electrical
  • the resistance value of the ohmic component 20 is determined from the amplitude of the second voltage and the amplitude of the calibration current.
  • Energy supply system 100 from a voltage drop, which is measured at the ohmic component 20, and the determined resistance value of the ohmic component 20 is determined.
  • the control device 80 is set up to determine the amplitude of the calibration current, the resistance value of the ohmic component 20 and the supply current.
  • Figure 2 shows a schematic representation of the sequence 200 of the
  • a calibration current with a first predetermined frequency is generated by clocked activation of the controllable switch 40 (cf. FIG. 1) with the first predetermined frequency.
  • a time profile of a first voltage at the ohmic component 20 (see FIG. 1) is measured.
  • a second voltage is applied to the ohmic
  • Component 20 which is caused by the calibration current with the first predetermined frequency, is filtered out of the first voltage.
  • a fourth step 204 the amplitude of the calibration current is determined from a third voltage at the electrical consumer 30 (see FIG. 1) and the resistance value of the electrical consumer 30.
  • Component 20 determined from the amplitude of the second voltage and the amplitude of the calibration current.
  • the supply current of the electrical energy supply system 100 (cf. FIG. 1) is determined from a voltage drop that is measured at the ohmic component 20 and that
  • Resistance value of the ohmic component 20 is determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Versorgungsstroms eines elektrischen Energieversorgungssystems (100), welches eine Gleichspannungsquelle (10), ein ohmsches Bauelement (20), und einen elektrischen Verbraucher (30), dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter (40) in Reihe geschaltet ist, aufweist, wobei eine Reihenschaltung, die den elektrischen Verbraucher (30) und den steuerbaren Schalter (40) umfasst, über das ohmsche Bauelement (20) mit der Gleichspannungsquelle (10) elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Energieversorgungssystem (100), welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist und/oder das das erfindungsgemäße elektrische Energieversorgungssystem (100) umfasst.

Description

Verfahren zur Ermittlung eines Versorgungsstroms eines elektrischen
Energieversorgungssystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Versorgungsstroms eines elektrischen Energieversorgungssystems.
Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Energieversorgungssystem, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist und/oder das erfindungsgemäße elektrische Energieversorgungssystem umfasst.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene
Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen werden. Solche elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie z.B. Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, umfassen jeweils ein elektrisches Energieversorgungssystem, das mindestens ein
Batteriesystem aufweist. Dabei umfasst das Batteriesystem eine Batterie aus einer oder mehreren Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem.
Zur Absicherung gegen Überströme wird die Batterie üblicherweise mit einer Schutzvorrichtung, wie beispielsweise einer Schmelzsicherung oder einem Leistungsschutzschalter, versehen. Darüber hinaus kann ein Notausschalter, wie beispielsweise ein pyrotechnischer Schutzschalter, der auch als pyrotechnisches Sicherungselement, pyrotechnischer Sicherheitsschalter oder pyrotechnisches Trennelement bezeichnet wird, für das elektrische Energieversorgungssystem vorgesehen werden.
Zur Überwachung des elektrischen Energieversorgungssystems wird ein Versorgungsstrom des elektrischen Energieversorgungssystems ermittelt. Diese Ermittlung des Versorgungsstroms kann mittels eines mit der Batterie in Reihe geschalteten Shunts erfolgen. Das Dokument DE 10 2016 007 947 Al beschreibt eine Prüfeinrichtung für eine elektrische Verbindungsstelle eines elektrischen Energiespeichers. Die
Prüfeinrichtung umfasst einen Spannungsimpulsgeber und eine Messeinheit. Ein elektrischer Widerstand einer Sicherung wird mittels des
Spannungsimpulsgebers und der Messeinheit in Verbindung mit einer
Filterschaltung ermittelt.
Aus dem Dokument DE 10 2012 224 223 Al ist ein Batteriesystem bekannt. Das Batteriesystem umfasst eine geeignete Batterie, eine Sicherung zum Schutz der Batterie vor einer Überlastung und eine Überwachungsvorrichtung zur
Überwachung eines Betriebszustands der Sicherung.
Das Dokument DE 10 2007 054 297 Al betrifft einen Sicherungslasttrennschalter mit einer integrierten Widerstandsmesseinrichtung, die einen Stromgenerator zum Erzeugen eines Prüfstroms umfasst.
Das Dokument DE 41 30 978 Al beschreibt ein Verfahren zum Prüfen von elektrischen, abgesicherten Verbrauchern in einem Fahrzeug-Bordnetz.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Versorgungsstroms eines elektrischen Energieversorgungssystems vorgeschlagen. Dabei umfasst das elektrische Energieversorgungssystem eine Gleichspannungsquelle, ein ohmsches
Bauelement und einen elektrischen Verbraucher, dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter in Reihe geschaltet ist.
Hierbei ist eine Reihenschaltung, die den elektrischen Verbraucher und den steuerbaren Schalter umfasst, über das ohmsche Bauelement mit der
Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden. Bevorzugt ist der elektrische Verbraucher als ein ohmscher Verbraucher ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass der elektrische Verbraucher als eine Induktivität ausgebildet wird.
Dabei ist unter dem Versorgungsstrom des elektrischen
Energieversorgungssystems ein gesamter Strom, der durch die
Gleichspannungsquelle fließt, zu verstehen. Unter einem ohmschen Verbraucher werden elektrische Komponenten verstanden, die aus einem oder mehreren ohmschen Widerständen bestehen und die im Wesentlichen Hitze oder Licht erzeugen. Unter einem ohmschen Bauelement werden elektrische Komponenten verstanden, die im Wesentlichen einem ohmschen Widerstand gleichgestellt werden, aber nicht als ohmscher Verbraucher definiert werden. Beispielsweise fallen eine Schmelzsicherung und eine Stromschiene unter dem Begriff eines ohmschen Bauelements im Sinne dieser Erfindung. Typischerweise ist der elektrische Widerstand des ohmschen Bauelements durch technisch bedingte parasitäre Widerstände gegeben und daher kleiner als der elektrische Widerstand des ohmschen Verbrauchers.
Erfindungsgemäß wird ein Kalibrierstrom mit einer ersten vorgegebenen
Frequenz durch eine getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters mit der ersten vorgegebenen Frequenz erzeugt. Hierzu wird der steuerbare Schalter mit der ersten vorgegebenen Frequenz getaktet angesteuert, so dass ein
rechteckiger Stromverlauf für den Kalibrierstrom entsteht. Dabei ist die erste vorgegebene Frequenz so zu wählen, dass der Frequenzanteil im
Versorgungsstrom des elektrischen Energieversorgungssystems möglichst wenig enthalten ist.
Bei der Erzeugung des Kalibrierstroms wird ein zeitlicher Verlauf einer ersten Spannung an dem ohmschen Bauelement gemessen.
Anschließend wird eine zweite Spannung an dem ohmschen Bauelement, die durch den Kalibrierstrom mit der ersten vorgegebenen Frequenz hervorgerufen wird, aus der ersten Spannung herausgefiltert.
Aus einer dritten Spannung am elektrischen Verbraucher und dem
Widerstandswert des elektrischen Verbrauchers wird die Amplitude des
Kalibrierstroms ermittelt. Die dritte Spannung am elektrischen Verbraucher kann gemessen werden. Im Falle, dass die dritte Spannung konstant ist, kann die Amplitude des Kalibrierstroms auch aus der Spannung der
Gleichspannungsquelle und dem Widerstandswert des elektrischen
Verbrauchers nach dem ohmschen Gesetz berechnet werden, da der
Widerstandswert des ohmschen Bauelements im Vergleich zum Widerstandswert des elektrischen Verbrauchers vernachlässigbar ist und somit kann der
Spannungsabfall am ohmschen Bauelement bei der Ermittlung der Amplitude des Kalibrierstroms auch vernachlässigt werden. Im Falle, dass die Spannung am elektrischen Verbraucher nicht konstant ist, kann ein zeitlicher Verlauf der dritten Spannung am elektrischen Verbraucher beim Erzeugen des
Kalibrierstroms gemessen werden. Mittels des gemessenen zeitlichen Verlaufs der dritten Spannung und der Widerstandswert des elektrischen Verbrauchers kann die Amplitude des Kalibrierstroms ermittelt werden.
Folgend wird der Widerstandswert des ohmschen Bauelements aus der
Amplitude der zweiten Spannung und der Amplitude des Kalibrierstroms ermittelt.
Anschließend wird der Versorgungsstrom des elektrischen
Energieversorgungssystems aus einem Spannungsabfall, der am ohmschen Bauelement gemessen wird, und dem ermittelten Widerstandswert des ohmschen Bauelements ermittelt.
Die getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters kann dabei mit einer zweiten vorgegebenen Frequenz so moduliert werden, dass der steuerbare Schalter in einer ersten Zeitspanne einer Periode, die durch die zweite vorgegebene Frequenz gegeben ist, mit der ersten vorgegebenen Frequenz getaktet angesteuert und anschließend in einer zweiten Zeitspanne der Periode ausgeschaltet wird. Vorteilhaft kann elektrische Energie damit gespart werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein dauerhafter getakteter Betrieb des elektrischen Verbrauchers nicht gewünscht ist oder wenn der elektrische
Verbraucher aufgrund dessen Nennleistung nicht dauerhaft getaktet betrieben werden kann. Vorteilhaftweise ist die zweite Frequenz um mindestens einen Faktor von 10 kleiner als die erste Frequenz.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Gleichspannungsquelle als ein elektrischer Energiespeicher ausgebildet, wie beispielsweise als eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB), oder als ein Kondensator, insbesondere ein Superkondensator (SC, engl.:
Supercapacitor).
Die Batterie ist bevorzugt als eine Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs
ausgebildet. Bevorzugt weist die Batterie eine Spannung von 12 V oder 24 V auf.
Ein Superkondensator (SC), der neben Lithium-Ionen-Batterien (LIB) eine immer größer werdende Rolle spielt, ist ein elektrochemischer Kondensator. Bereits auf dem Markt erhältliche Superkondensatoren werden sowohl für automobile Anwendungen als auch für stationäre Systeme verwendet. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich anhand ihrer Energie- und Leistungsdichte charakterisieren. Generell weisen Superkondensatoren eine höhere
Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Somit werden Lithium-Ionen-Batterien für energieintensive Anwendungen und Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen bevorzugt.
Generell unterteilen sich Superkondensatoren in "Electric Double Layer
Capacitors" (EDLC), "Pseudocapacitors" und hybride Superkondensatoren (HSC). "Electric Double Layer Capacitors" sowie "Pseudocapacitors" weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte, aber eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Hybride Superkondensatoren hingegen besitzen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und eine verhältnismäßig hohe
Energiedichtedichte. Hybride Superkondensatoren weisen somit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und von Superkondensatoren auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Gleichspannungsquelle als ein Energiewandler, wie beispielsweis als eine Brennstoffzelle ausgebildet.
Denkbar ist auch, dass die Gleichspannungsquelle als eine
Gleichstrommaschine oder eine Wechselstrommaschine mit einem Gleichrichter ausgebildet ist. Dabei arbeitet die Gleichstrommaschine oder die
Wechselstrommaschine als ein Generator.
Bevorzugt ist der steuerbare Schalter ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalbleiter. Ein Leistungshalbleiter ist ein Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind, wie z.B. IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode, engl.: insulated-gate bipolar transistor) oder MOSFET (Metal- Oxid- Halbleiter- Feldeffekttrangsistor, engl.: metal oxide semiconductor field- effect transistor). Weitere geeignete steuerbare Schalter sind Thyristoren und davon abgeleitete Bauelemente wie GTO (gate turn-off Thyristor), IGCT
(Integrated Gate-Commutated Thyristor) sowie SiC-Schalter.
Besonders bevorzugt wird der steuerbare Schalter als MOSFET ausgebildet. Vorzugsweise weist das elektrische Energieversorgungssystem mindestens einen weiteren elektrischen Verbraucher auf, der als ein Elektromotor ausgebildet ist.
Bevorzugt ist der elektrische Verbraucher als ein Heizelement ausgebildet, wie beispielsweise als eine Heizwicklung einer Sitzheizung eines Kraftfahrzeugs. Es ist aber auch denkbar, dass der elektrische Verbraucher als eine Lampe ausgebildet ist.
Das ohmsche Bauelement kann dabei beispielsweise als eine Schmelzsicherung oder ein pyrotechnischer Sicherheitsschalter ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass das ohmsche Bauelement als eine Stromschiene oder ein
Leistungsschutzschalter ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite
Spannung mittels einer diskreten Fourier-Transformation aus dem zeitlichen Verlauf der ersten Spannung herausgefiltert.
Das Verfahren kann einmalig oder mehrmalig durchlaufen werden. Das
Verfahren kann insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt werden, um eine Änderung des ohmschen Bauelements, beispielsweise durch eine Temperaturänderung zu bestimmen.
Es wird weiterhin eine Steuereinrichtung vorgeschlagen. Dabei ist die
Steuereinrichtung eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Steuereinrichtung kann dabei die Gleichspannungsquelle und/oder das elektrische Energieversorgungssystem überwacht und steuert. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung als ein Batteriemanagementsteuergerät ausgebildet, das die als Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB), ausgebildete Gleichspannungsquelle überwacht und steuert. Die Steuereinrichtung kann weiterhin Messeinrichtungen zur Spannungsmessung und/oder Einrichtungen, die beispielsweise zur Auswertung und Filterung dienen, umfassen.
Es wird ferner ein elektrisches Energieversorgungssystem vorgeschlagen, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das elektrische Energieversorgungssystem umfasst eine Gleichspannungsquelle, ein ohmsches Bauelement, einen elektrischen Verbraucher, dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter in Reihe geschaltet ist, und eine Steuereinrichtung. Dabei ist eine Reihenschaltung, die den elektrischen
Verbraucher und den steuerbaren Schalter umfasst, über das ohmsche
Bauelement mit der Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden.
Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder das ein oben erwähntes elektrisches Energieversorgungssystem umfasst.
Vorteile der Erfindung
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Versorgungsstrom eines elektrischen Energieversorgungssystems mittels einer für das elektrische Energieversorgungssystem vorgesehenen Schutzvorrichtung in Form einer Schmelzsicherung ermittelt werden. Anstelle einer oben erwähnten
Schutzvorrichtung kann auch eine Stromschiene oder ein pyrotechnischer Schutzschalter verwendet werden. Somit wird ein zur Strommessung im elektrischen Energieversorgungssystem eingesetzter Shunt nicht benötigt.
Eine Kalibrierung der Messung bzw. der Ermittlung des Versorgungsstroms kann dabei mittels eines im elektrischen Energieversorgungssystem schon
vorhandenen elektrischen Verbrauchers durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Messfehler, die beispielsweise durch Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstands der
Schutzvorrichtung, der Stromschiene oder des pyrotechnischen Schutzschalters verursacht werden, kompensiert werden. Folglich kann der Versorgungsstrom präzise ermittelt werden.
Die Kosten zur Ermittlung des Versorgungsstroms des elektrischen
Energieversorgungssystems werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert.
Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund des ermittelten Widerstandswerts des ohmschen Bauelements eine qualitative Information über den Zustand des ohmschen Bauelements gewonnen werden. Damit kann ein vorzeitiger Ausfall erkannt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen
Energieversorgungssystems und
Figur 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen
Verfahrens
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen
Energieversorgungssystems 100, welches zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Das elektrische Energieversorgungssystem 100 umfasst eine
Gleichspannungsquelle 10, ein ohmsches Bauelement 20, einen elektrischen Verbraucher 30, dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter 40 in Reihe geschaltet ist, und einen weiteren elektrischen Verbraucher 90, der als ein Elektromotor ausgebildet sein kann.
Dabei ist eine Reihenschaltung, die den elektrischen Verbraucher 30 und den steuerbaren Schalter 40 aufweist, und der weitere elektrische Verbraucher 90 parallel zueinander geschaltet und über das ohmsche Bauelement 20 mit der Gleichspannungsquelle 10 elektrisch verbunden.
Die Gleichspannungsquelle 10 kann als ein elektrischer Energiespeicher ausgebildet werden, wie beispielsweise als eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB), oder als ein Kondensator, insbesondere ein Superkondensator (SC). Die Batterie ist bevorzugt als eine Starterbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Bevorzugt weist die Batterie eine Spannung von 12 V oder 24 V auf.
Die Gleichspannungsquelle 10 kann auch als ein Energiewandler, wie
beispielsweise als eine Brennstoffzelle, ausgebildet werden.
Denkbar ist auch, dass die Gleichspannungsquelle 10 als eine
Gleichstrommaschine oder eine Wechselstrommaschine mit einem Gleichrichter ausgebildet ist. Dabei arbeitet die Gleichstrommaschine oder die
Wechselstrommaschine als ein Generator.
Bevorzugt ist der steuerbare Schalter 40 ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie z.B. IGBT oder MOSFET. Weitere geeignete steuerbare Schalter 40 sind Thyristoren und davon abgeleitete Bauelemente wie GTO, IGCT sowie SiC-Schalter.
Besonders bevorzugt wird der steuerbare Schalter 40 als MOSFET ausgebildet.
Bevorzugt ist der elektrische Verbraucher 30 als ein Heizelement ausgebildet, wie beispielsweise als eine Heizwicklung einer Sitzheizung eines Kraftfahrzeugs. Es ist aber auch denkbar, dass der elektrische Verbraucher 30 als eine Lampe ausgebildet ist.
Das ohmsche Bauelement 20 kann dabei beispielsweise als eine
Schmelzsicherung, ein pyrotechnischer Sicherheitsschalter ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass das ohmsche Bauelement 20 als eine Stromschiene ausgebildet ist.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kalibrierstrom mit einer ersten vorgegebenen Frequenz durch eine getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters 40 mit der ersten vorgegebenen Frequenz erzeugt. Hierzu wird der steuerbare Schalter 40 mit der ersten vorgegebenen Frequenz durch eine Steuereinrichtung 80 getaktet angesteuert, so dass ein rechteckiger Stromverlauf für den Kalibrierstrom entsteht. Dabei ist die erste vorgegebene Frequenz so zu wählen, dass der Frequenzanteil im Versorgungsstrom des elektrischen Energieversorgungssystems 100 möglichst wenig enthalten ist. Die getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters 40 kann mit einer zweiten vorgegebenen Frequenz so moduliert werden, dass der steuerbare Schalter 40 in einer ersten Zeitspanne einer Periode, die durch die zweite vorgegebene Frequenz gegeben ist, mit der ersten vorgegebenen Frequenz getaktet angesteuert und anschließend in einer zweiten Zeitspanne der Periode ausgeschaltet wird. Vorteilhaft kann elektrische Energie damit gespart werden.
Es ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein dauerhafter getakteter Betrieb des elektrischen Verbrauchers 30 nicht gewünscht ist oder wenn der elektrische Verbraucher 30 aufgrund dessen Nennleistung nicht dauerhaft getaktet betrieben werden kann.
Bei der Erzeugung des Kalibrierstroms wird ein zeitlicher Verlauf einer ersten Spannung an dem ohmschen Bauelement 20 durch eine erste
Spannungsmesseinrichtung 50 gemessen.
Anschließend wird eine zweite Spannung an dem ohmschen Bauelement 20, die durch den Kalibrierstrom mit der vorgegebenen Frequenz hervorgerufen wird, durch einen Frequenzfilter 70, wie beispielsweise in Form einer diskreten Fourier-Transformation, aus der ersten Spannung herausgefiltert. Die
herausgefilterte dritte Spannung wird hierbei auch an die Steuereinrichtung 80 weitergeleitet und kann dort gespeichert werden.
Bei der Erzeugung des Kalibrierstroms wird eine dritte Spannung an dem elektrischen Verbraucher 30 durch eine zweite Spannungsmesseinrichtung 60 gemessen. Dabei kann ein zeitlicher Verlauf der ersten Spannung erfasst werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Spannung am elektrischen Verbraucher 30 nicht konstant ist. Die gemessene dritte Spannung wird an die Steuereinrichtung 80 weitergeleitet und kann dort gespeichert werden.
Aus der dritten Spannung und dem Widerstandswert des elektrischen
Verbrauchers 30 wird die Amplitude des Kalibrierstroms ermittelt. Im Falle, dass die Spannung am elektrischen Verbraucher 30 konstant ist, kann die Amplitude des Kalibrierstroms auch ohne Messung aus der Spannung der
Gleichspannungsquelle 10 und dem Widerstandswert des elektrischen
Verbrauchers 30 ermittelt werden, da der Widerstandswert des ohmschen Bauelements 20 im Vergleich zum Widerstandswert des elektrischen
Verbrauchers 30 bei der Ermittlung vernachlässigt ist. Aus der Amplitude der zweiten Spannung und der Amplitude des Kalibrierstroms wird der Widerstandswert des ohmschen Bauelements 20 ermittelt.
Anschließend wird der Versorgungsstrom des elektrischen
Energieversorgungssystems 100 aus einem Spannungsabfall, der am ohmschen Bauelement 20 gemessen wird, und dem ermittelten Widerstandswert des ohmschen Bauelements 20 ermittelt.
Die Steuereinrichtung 80 ist dabei eingerichtet, die Ermittlung der Amplitude des Kalibrierstroms, des Widerstandswert des ohmschen Bauelements 20 und des Versorgungsstroms durchzuführen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs 200 des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt 201 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kalibrierstrom mit einer ersten vorgegebenen Frequenz durch eine getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters 40 (vgl. Figur 1) mit der ersten vorgegebenen Frequenz erzeugt.
In einem zweiten Schritt 202 wird ein zeitlicher Verlauf einer ersten Spannung am ohmschen Bauelement 20 (vgl. Figur 1) gemessen.
In einem dritten Schritt 203 wird eine zweite Spannung am ohmschen
Bauelement 20, die durch den Kalibrierstrom mit der ersten vorgegebenen Frequenz hervorgerufen wird, aus der ersten Spannung herausgefiltert.
In einem vierten Schritt 204 wird die Amplitude des Kalibrierstroms aus einer dritten Spannung am elektrischen Verbraucher 30 (vgl. Figur 1) und dem Widerstandswert des elektrischen Verbrauchers 30 ermittelt.
In einem fünften Schritt 205 wird der Widerstandswert des ohmschen
Bauelements 20 aus der Amplitude der zweiten Spannung und der Amplitude des Kalibrierstroms ermittelt. In einem sechsten Schritt 206 wird der Versorgungsstrom des elektrischen Energieversorgungssystems 100 (vgl. Figur 1) aus einem Spannungsabfall, der am ohmschen Bauelement 20 gemessen wird, und dem ermittelten
Widerstandswert des ohmschen Bauelements 20 ermittelt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung eines Versorgungsstroms eines elektrischen
Energieversorgungssystems (100), welches eine Gleichspannungsquelle
(10),
ein ohmsches Bauelement (20), und
einen elektrischen Verbraucher (30), dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter (40) in Reihe geschaltet ist, aufweist,
wobei eine Reihenschaltung, die den elektrischen Verbraucher (30) und den steuerbaren Schalter (40) umfasst, über das ohmsche Bauelement (20) mit der Gleichspannungsquelle (10) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Erzeugung eines Kalibrierstroms mit einer ersten vorgegebenen Frequenz durch eine getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters (40) mit der ersten vorgegebenen Frequenz;
- Messung eines zeitlichen Verlaufs einer ersten Spannung an dem ohmschen Bauelement (20);
- Herausfilterung einer zweiten Spannung, die durch den Kalibrierstrom mit der ersten vorgegebenen Frequenz hervorgerufen wird, aus der ersten Spannung;
- Ermittlung der Amplitude des Kalibrierstroms aus einer dritten
Spannung am elektrischen Verbraucher (30) und dem Widerstandswert des elektrischen Verbrauchers (30);
- Ermittlung des Widerstandswertes des ohmschen Bauelements (20) aus der Amplitude der zweiten Spannung und der Amplitude des Kalibrierstroms;
- Ermittlung des Versorgungsstroms des elektrischen
Energieversorgungssystems (100) aus einem Spannungsabfall, der am ohmschen Bauelement (20) gemessen wird, und dem ermittelten Widerstandswert des ohmschen Bauelements (20).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein zeitlicher Verlauf der dritten Spannung am elektrischen Verbraucher (30) bei der Erzeugung des Kalibrierstroms gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die getaktete Ansteuerung des steuerbaren Schalters (40) mit einer zweiten vorgegebenen Frequenz moduliert wird, wobei der steuerbare Schalter (40) in einer ersten Zeitspanne einer Periode, die durch die zweite vorgegebene Frequenz gegeben ist, mit der ersten
vorgegebenen Frequenz getaktet angesteuert und anschließend in einer zweiten Zeitspanne der Periode ausgeschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Gleichspannungsquelle (10) als eine Batterie, ein Kondensator, ein oder eine Brennstoffzelle ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass
der steuerbare Schalter (40) ein Leistungshalbleiter ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der steuerbare Schalter (40) als ein MOSFET ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energieversorgungsystem (100) mindestens einen weiteren elektrischen Verbraucher (90) aufweist, der als ein
Elektromotor ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Verbraucher (30) als ein Heizelement ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das ohmsche Bauelement (20) als eine Schmelzsicherung, ein pyrotechnischer Sicherheitsschalter oder eine Stromschiene ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Spannung mittels einer diskreten Fourier-Transformation herausgefiltert wird.
11. Steuereinrichtung (80), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
12. Steuereinrichtung (80) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (80) Messeinrichtungen zur Spannungsmessung und/oder Einrichtungen zur Auswertung und Filterung umfasst.
13. Steuereinrichtung (80) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Steuereinrichtung (80) als ein Batteriemanagementsteuergerät ausgebildet ist.
14. Elektrisches Energieversorgungssystem (100), umfassend
eine Gleichspannungsquelle (10),
ein ohmsches Bauelement (20),
einen elektrischen Verbraucher (30), dessen Widerstandswert bekannt ist und der mit einem steuerbaren Schalter (40) in Reihe geschaltet ist, und
eine Steuereinrichtung (80) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Reihenschaltung, die den elektrischen Verbraucher (30) und den steuerbaren Schalter (40) umfasst, über das ohmsche Bauelement (20) mit der Gleichspannungsquelle (10) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
das elektrische Energieversorgungssystem (100) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
15. Kraftfahrzeug, welches zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist und/oder das ein elektrisches Energieversorgungssystem (100) nach Anspruch 14 umfasst.
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