WO2023208573A1 - Method for operating a high-voltage energy store, short-circuiting isolation element and high-voltage energy store - Google Patents

Method for operating a high-voltage energy store, short-circuiting isolation element and high-voltage energy store Download PDF

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WO2023208573A1
WO2023208573A1 PCT/EP2023/059396 EP2023059396W WO2023208573A1 WO 2023208573 A1 WO2023208573 A1 WO 2023208573A1 EP 2023059396 W EP2023059396 W EP 2023059396W WO 2023208573 A1 WO2023208573 A1 WO 2023208573A1
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voltage
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fuse
short
energy storage
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Heiko Witzenhausen
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Mercedes-Benz Group AG
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    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage device according to patent claim 1.
  • the invention further relates to a short-circuit separating element for a high-voltage energy storage device according to patent claim 5.
  • the invention relates to a high-voltage energy storage device according to patent claim 8.
  • a high-voltage energy storage device which is designed, for example, as a traction battery of a motor vehicle
  • high currents in particular direct currents (DC currents)
  • DC currents direct currents
  • fuses that are as slow as possible and have high nominal currents should be used.
  • a short-circuit current must be separated during the charging process before a specified melting integral is reached.
  • the potential for maximum charging current is not utilized and a fast-acting fuse with a low rated current is used.
  • the fuse can, for example, be installed in a housing that is accessible from the outside. Due to its limited service life, the fuse will then have to be replaced once or several times during the life of the vehicle. The limited service life depends on thermal cycles caused by rapid charging, which lead to degeneration of the fuse itself.
  • Another measure is to limit the charging power after a certain number of thermal cycles.
  • a vehicle could, for example, only be charged with a reduced current in the second half of its life.
  • contactors with significantly higher separation capabilities can be installed become.
  • these shooters are particularly large and/or particularly heavy and/or particularly expensive.
  • DE 102020 005248 shows a method with a multi-strand battery system, comprising several batteries connected in parallel, each with their own contactors and fuses to react in the event of a short circuit.
  • DE 11 2019 005683 T5 shows a battery system comprising: first and second fuses, each comprising a first electrical connection and a second electrical connection; first and second contactors, each including a first contactor terminal and a second contactor terminal; and one or more battery cells electrically coupled to a first battery module terminal and a second battery module terminal, wherein: the first battery module terminal is electrically coupled in parallel to the first electrical terminal of the first fuse and the first electrical terminal of the second fuse; the second electrical terminal of the first fuse is electrically coupled to the first contactor terminal of the first contactor; the second electrical terminal of the second fuse is electrically coupled to the first contactor terminal of the second contactor; and the second contactor terminal of the first contactor and the second contactor terminal of the second contactor are electrically coupled to one another.
  • a monolithic battery would have to be split into several parallel strands, which would have to enable twice the number of voltage measurements and/or current measurements.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating a high-voltage energy storage device, a short-circuit separating element and a high-voltage energy storage device, through which at least one battery of the high-voltage energy storage device can be charged with a particularly high current and at the same time protect the battery from short circuits is particularly advantageously guaranteed.
  • a first aspect of the invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage device.
  • the high-voltage energy storage device to be operated by the method comprises at least one battery, which is connected in series with a short-circuit isolating element, which has a first high-voltage path with a first fuse and at least one first contactor and a second high-voltage path with a second fuse and at least one second contactor and the first high-voltage path is connected in parallel with the second high-voltage path, with several steps being carried out by the method according to the invention in order to switch off the high-voltage energy storage in the event of a fault.
  • an overcurrent is detected in at least one of the high-voltage paths and/or in a path of the high-voltage energy storage device which is electrically connected to the two high-voltage paths. Detecting the overcurrent essentially serves to detect a short circuit, which may be the cause of the overcurrent.
  • the overcurrent is a current that flows through the high-voltage energy storage or the short-circuit isolating element and thereby exceeds a specified current intensity.
  • the first high-voltage path is opened by the at least one first contactor, whereby a current flow commutates to the second high-voltage path.
  • the current flow is essentially equally distributed over both high-voltage paths, especially if the two high-voltage paths have the same or similar structure.
  • a fuse characteristic curve is now actively switched, which characterizes the short-circuit isolating element in its entirety.
  • This fuse characteristic curve can serve as a replacement fuse characteristic curve or, depending on the type of fuse used, as a replacement fuse characteristic curve for the entire high-voltage energy storage device in the event of a short circuit.
  • the second high-voltage path is opened.
  • opening the second high-voltage path in particular due to the already opened first contactor Fuse characteristic curve, particularly advantageous and, for example, can be responded to quickly in the event of a fault, which occurs, for example, as a short circuit. This means that the high-voltage energy storage can be operated safely and protected at the same time.
  • a short-circuit isolating element comprising two parallel (high-voltage) paths, each with a fuse designed in particular as a fuse and at least one contactor, which are connected in series with the respective fuse within the respective (high-voltage) path, used.
  • the short-circuit isolating element is connected to one of the two battery poles, for example the positive pole.
  • the respective fuse can be designed in the same way as the fuse of the other respective high-voltage path. The same applies to the shooters.
  • both an operating current which can be viewed in particular as a charging current specified for the high-voltage energy storage device, as well as residual currents in the event of a short circuit or fault, can be distributed at least almost evenly between the two high-voltage paths.
  • the two high-voltage paths connected in parallel within the short-circuit isolating element can now react in a cascaded manner to the event of a fault or short circuit.
  • the first high-voltage path is opened as soon as a particularly very high overcurrent has been detected, for example using a current sensor.
  • the later separating path i.e. the second high-voltage path
  • the current or current flow increases suddenly as soon as at least one contactor of the first high-voltage path has been opened.
  • the replacement fuse characteristic curve is four times slower, especially when the short-circuit isolating element is completely switched on, provided that the two fuses are of the same design, than after opening the first high-voltage path, since the current is divided equally when the contactor is closed and a tripping time of a fuse is almost square the current increases.
  • the replacement fuse characteristic or replacement fuse characteristic can now be switched in such a way that, in the event of a detected overcurrent, the first of the two high-voltage paths is opened, in particular, very quickly.
  • the current commutates the entire system to the second path, so that the short-circuit isolating element can be switched on particularly quickly Short circuit reacts, especially in comparison if the at least one first contactor of the first high-voltage path were not opened when switched.
  • a pre-charging path which in particular has a pre-charging resistor and/or a pre-charging relay, is provided with a fuse and used in the method, with at least part of the current flow being commutated via the pre-charging path when the first high-voltage path is opened.
  • the securing of the precharging path is, in particular, a fuse.
  • an already existing precharging path of the high-voltage energy storage device can be expanded or supplemented by introducing a fuse to the cascade-switching short-circuit isolating element. This results in the advantage that the method can be operated particularly efficiently, for example.
  • At least one advantage of the method according to the invention is that, in comparison with a conventional contactor fuse design, a short circuit that can potentially occur when charging the high-voltage energy storage device can be responded to much more quickly, without sacrificing the charging current need to. Furthermore, the proposed method is particularly robust against incorrectly detected short circuits, for example due to a sensor error in an ammeter.
  • the second high-voltage path is opened in the third step depending on the type of current flow.
  • the first of the two paths in the short-circuit isolating element can only be deactivated for a brief moment, since due to the type of current flow after commutation, which cannot be detected, the second one cannot be opened High-voltage path needs to be done because the high-voltage energy storage is in a safe state.
  • the first opened high-voltage path is closed.
  • the second high-voltage path can be opened and/or, depending on the type of current flow, the first, opened high-voltage path can be closed.
  • the fuse is not triggered or activated or the second high-voltage path is opened in the third method step.
  • an incorrect detection of the current measuring device can be corrected.
  • the separated path is then simply reconnected, in particular without a user being able to detect a fault in the high-voltage energy storage device.
  • the second high-voltage path is opened, in particular in the third step, by the at least one second contactor and/or by the second fuse.
  • the high-voltage energy storage device is protected from a short circuit by switching the at least second contactor particularly quickly and/or triggering the second fuse, i.e., for example, melting in the case of a fuse. This has the advantage that the procedure can be carried out particularly safely.
  • a second aspect of the invention relates to a short-circuit isolating element for a high-voltage energy storage device comprising at least one battery.
  • the short-circuit isolating element has a first high-voltage path with a first fuse and at least one first contactor and a second high-voltage path connected in parallel to the first high-voltage path with a second fuse and at least one second contactor, the short-circuit isolating element being connected to the at least one battery of the high-voltage energy storage device Series can be switched.
  • At least one of the fuses is designed as a fuse and/or the fuse of the second high-voltage path has a faster response than the fuse of the first high-voltage path.
  • at least one fuse is used, which provides a particularly reliable fuse for the short-circuit isolating element.
  • two fuses that respond at different speeds are used, resulting in one Triggering time of the entire short-circuit isolating element after opening the first high-voltage path can be reduced, for example, up to a factor greater than four. This results in the advantage that the short-circuit isolating element can protect the high-voltage energy storage particularly advantageously.
  • At least one line resistor is arranged in one of the two high-voltage paths.
  • a distribution of the current in normal operation can be influenced similarly or additionally or alternatively by a suitable busbar geometry.
  • a property of the short-circuit isolating element can be influenced in a particularly advantageous manner.
  • a third aspect of the invention relates to a high-voltage energy storage device with at least one battery, which is connected in series with a short-circuit isolating element according to the second aspect of the invention and/or the high-voltage energy storage device is designed to carry out a method according to the first aspect of the invention.
  • the high-voltage energy storage is designed as a traction battery of a motor vehicle.
  • the at least one battery of the high-voltage energy storage device forms a traction battery for an at least partially electrically driven motor vehicle.
  • a current measuring device is provided, through which a current flow and/or the overcurrent are detected.
  • the high-voltage energy storage in particular has at least one current measuring sensor, through which, for example, a short-circuit current or the overcurrent can be detected, whereby, for example, a method according to the first aspect of the invention can be initiated.
  • Fig. 1 A schematic view of a high-voltage energy storage device comprising at least one battery connected in series with a short-circuit isolating element.
  • FIG. 1 shows a high-voltage energy storage device 10 comprising at least one battery 12, which is connected in series with a short-circuit isolating element 14.
  • the at least one battery 12 can be charged particularly advantageously with a particularly high current, for example by a charging device 16, short-circuit protection for the high-voltage energy storage device 10 must be designed to be correspondingly strong.
  • the short-circuit isolating element 14 for the at least one battery 12 includes a first high-voltage path 18 with a first fuse 20 and with at least one first contactor 22.
  • the short-circuit isolating element 14 further comprises a second high-voltage path 24 with a second fuse 26 and at least one second contactor 28, wherein the first high-voltage path 18 is connected in parallel with the second high-voltage path 24.
  • the charging device 16 which provides a direct voltage
  • the charging device 16 which provides a direct voltage
  • the high-voltage energy storage device 10 is connected to the high-voltage energy storage device 10 via the two connections 30 tied together.
  • an overcurrent is detected in at least one of the high-voltage paths 18 and 24 or in a charging circuit of the high-voltage energy storage device 10.
  • the detection or detection can be done, for example, by a current measuring device 32.
  • the first high-voltage path 18 is opened by the at least one associated contactor 22, whereby a current flow is commutated to the second of the two high-voltage paths 24.
  • a fuse characteristic curve in particular a replacement fuse characteristic curve, which characterizes the overall fuse of the short-circuit isolation element 14, is actively switched or changed in the short-circuit isolating element 14.
  • At least one and in particular both of the fuses 20 and 26 are designed as fuses.
  • the second high-voltage path 24 is opened.
  • FIG. 1 shows the short-circuit separating element 14 and the high-voltage energy storage 10 as well as a method for operating the high-voltage energy storage 10, one of the two battery poles, which are represented by the connections 30, being connected to the short-circuit separating element 14, which has at least two contactors 22 and 28 and the two fuses 20 and 26 are connected.
  • the respective fuses 20 or 26 are connected in series with the at least one contactor 22 or 28.
  • the two high-voltage paths 18 and 24 within the short-circuit isolating element 22 can react in a cascaded manner to a possible short circuit.
  • the opening of the first high-voltage path 18 due to the level of the transition current, which is detected with the help of the current measuring device 32, is carried out by the at least one first contactor 22. Even if a very high current flows, this can be done by the presented The method ensures that a requirement regarding the isolation capability of the first high-voltage path 18 is not too high. The reason for this is that the contactor 22 needs to separate almost no voltage difference, since the current or current flow instantaneously almost completely commutates to the second high-voltage path 24.
  • the replacement fuse characteristic curve of the entire system i.e. the high-voltage energy storage device 10 or the short-circuit isolating element 14, in the event of a short circuit.
  • the replacement fuse characteristic can be approximately four times as slow as after the first high-voltage path 18 has been opened.
  • the fuse 26 of the second path is selected to be faster than the fuse 20 of the first path, so the fuse 26 has a particularly fast response behavior.
  • the high-voltage energy storage device 10 shown can comprise a pre-charging path which has a pre-charging resistor and a pre-charging relay, wherein a further fuse can be introduced into this pre-charging path, so that the pre-charging path can be connected in cascade to the short-circuit isolating element 14 and/or the latter can be expanded to form the short-circuit isolating element 14.
  • the pre-charging relay should always remain switched on during normal operation, so that the pre-charging path always carries a certain proportion of the current strength or current flow, even with battery currents.
  • the high-voltage energy storage 10 is designed in particular from a traction battery for an electrically driven motor vehicle.
  • the at least one battery 12 can be formed from several interconnected battery cells.
  • the short-circuit separating element 14 and the method compared to a classic contactor fuse design, it is possible to react much more quickly to a short circuit without sacrificing charging current.
  • the proposed method is particularly robust against incorrectly detected short circuits, since one can advantageously react to a sensor error, for example of the current measuring device 32, by only deactivating or opening the first high-voltage path 18 for a short moment. If this reaction of opening does not trigger the fuse 26, the error detection detected thereby can be corrected by simply switching the separate high-voltage path 18 on again, without the error being noticeable from the outside, for example. Since no arc occurs when only one of the two high-voltage paths 18 and 24 is opened, wear on the short-circuit isolating element 14 is negligible.
  • the associated method for operating it and the short-circuit separating element 14 at least one battery 12, designed in particular as a traction battery, with a switchable fuse characteristic can be realized in a particularly advantageous manner.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a high-voltage energy store (10), comprising at least one battery (12) which is connected in series to a short-circuiting isolation element (14) which has a first high-voltage path (18) with a first fuse (20) and at least one first contactor (22) and has a second high-voltage path (24) with a second fuse (26) and at least one second contactor (28), and the first high-voltage path (18) is connected in parallel to the second high-voltage path (24) and the following steps are carried out in order to disconnect the high-voltage energy store (10) in the event of a fault: - detecting an overcurrent in at least one of the high-voltage paths (18, 24); - opening the first high-voltage path (18) using the at least one first contactor (22), as a result of which a current flow commutates to the second high-voltage path (24); and - the second high-voltage path (24) is opened depending on the type of current flow. The invention also relates to a short-circuiting isolation element (14) and to a high-voltage energy store (10).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichers, Kurzschlusstrennelement sowie Hochvolt-Energiespeicher Method for operating a high-voltage energy storage device, short-circuit separator and high-voltage energy storage device
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 5. Schließlich betrifft die Erfindung einen Hochvolt-Energiespeicher gemäß dem Patentanspruch 8. The invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage device according to patent claim 1. The invention further relates to a short-circuit separating element for a high-voltage energy storage device according to patent claim 5. Finally, the invention relates to a high-voltage energy storage device according to patent claim 8.
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.In order to charge at least one battery of a high-voltage energy storage device, which is designed, for example, as a traction battery of a motor vehicle, with high currents, in particular direct currents (DC currents), fuses that are as slow as possible and have high nominal currents should be used. At the same time, a short-circuit current must be separated during the charging process before a specified melting integral is reached.
Um dies zu erreichen, sollte eine flinke Schmelzsicherung verwendet werden, die jedoch bei hohen Ladeströmen eine eingeschränkte Lebensdauer aufweist. To achieve this, a fast-acting fuse should be used, which, however, has a limited service life at high charging currents.
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. To avoid this dilemma, there are several known solutions. In most cases, the potential for maximum charging current is not utilized and a fast-acting fuse with a low rated current is used. In order to allow high charging currents despite a fast fuse, the fuse can, for example, be installed in a housing that is accessible from the outside. Due to its limited service life, the fuse will then have to be replaced once or several times during the life of the vehicle. The limited service life depends on thermal cycles caused by rapid charging, which lead to degeneration of the fuse itself.
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. Another measure is to limit the charging power after a certain number of thermal cycles. In order to protect the fuse, a vehicle could, for example, only be charged with a reduced current in the second half of its life. Alternatively, contactors with significantly higher separation capabilities can be installed become. However, these shooters are particularly large and/or particularly heavy and/or particularly expensive.
Eine weitere Möglichkeit ist, wie in der DE 10 2021 004 146 A1 gezeigt, die Verwendung eines pyrotechnischen Trennelements. Ferner zeigt die DE 102020 005248 ein Verfahren mit einem Mehrstrangbatteriesystem, umfassend mehrere parallel geschaltete Batterien mit jeweils eigenen Schützen und Sicherungen zum Reagieren bei Kurzschluss. Another possibility, as shown in DE 10 2021 004 146 A1, is the use of a pyrotechnic separating element. Furthermore, DE 102020 005248 shows a method with a multi-strand battery system, comprising several batteries connected in parallel, each with their own contactors and fuses to react in the event of a short circuit.
Schließlich zeigt die DE 11 2019 005683 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. Finally, DE 11 2019 005683 T5 shows a battery system comprising: first and second fuses, each comprising a first electrical connection and a second electrical connection; first and second contactors, each including a first contactor terminal and a second contactor terminal; and one or more battery cells electrically coupled to a first battery module terminal and a second battery module terminal, wherein: the first battery module terminal is electrically coupled in parallel to the first electrical terminal of the first fuse and the first electrical terminal of the second fuse; the second electrical terminal of the first fuse is electrically coupled to the first contactor terminal of the first contactor; the second electrical terminal of the second fuse is electrically coupled to the first contactor terminal of the second contactor; and the second contactor terminal of the first contactor and the second contactor terminal of the second contactor are electrically coupled to one another.
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. A disadvantage of the stated prior art, for example, is that the complexity of a high-voltage energy storage device would have to be significantly increased in order to achieve increased short-circuit isolation capability. For example, a monolithic battery would have to be split into several parallel strands, which would have to enable twice the number of voltage measurements and/or current measurements.
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. The object of the present invention is to provide a method for operating a high-voltage energy storage device, a short-circuit separating element and a high-voltage energy storage device, through which at least one battery of the high-voltage energy storage device can be charged with a particularly high current and at the same time protect the battery from short circuits is particularly advantageously guaranteed.
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. This object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous designs with appropriate further training The invention is specified in the dependent claims, the description and the drawing.
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. A first aspect of the invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage device. The high-voltage energy storage device to be operated by the method comprises at least one battery, which is connected in series with a short-circuit isolating element, which has a first high-voltage path with a first fuse and at least one first contactor and a second high-voltage path with a second fuse and at least one second contactor and the first high-voltage path is connected in parallel with the second high-voltage path, with several steps being carried out by the method according to the invention in order to switch off the high-voltage energy storage in the event of a fault.
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. In a first step, an overcurrent is detected in at least one of the high-voltage paths and/or in a path of the high-voltage energy storage device which is electrically connected to the two high-voltage paths. Detecting the overcurrent essentially serves to detect a short circuit, which may be the cause of the overcurrent. The overcurrent is a current that flows through the high-voltage energy storage or the short-circuit isolating element and thereby exceeds a specified current intensity.
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. In a second step, the first high-voltage path is opened by the at least one first contactor, whereby a current flow commutates to the second high-voltage path. Before the first high-voltage path is opened, the current flow is essentially equally distributed over both high-voltage paths, especially if the two high-voltage paths have the same or similar structure. By opening the high-voltage path and commutation of the current flow, a fuse characteristic curve is now actively switched, which characterizes the short-circuit isolating element in its entirety. This fuse characteristic curve can serve as a replacement fuse characteristic curve or, depending on the type of fuse used, as a replacement fuse characteristic curve for the entire high-voltage energy storage device in the event of a short circuit.
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. In a third step, depending on the type of current flow, which now runs in particular completely via the second of the two high-voltage paths, the second high-voltage path is opened. By opening the second high-voltage path, in particular due to the already opened first contactor Fuse characteristic curve, particularly advantageous and, for example, can be responded to quickly in the event of a fault, which occurs, for example, as a short circuit. This means that the high-voltage energy storage can be operated safely and protected at the same time.
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. In other words, in the method according to the invention, a short-circuit isolating element comprising two parallel (high-voltage) paths, each with a fuse designed in particular as a fuse and at least one contactor, which are connected in series with the respective fuse within the respective (high-voltage) path, used. The short-circuit isolating element is connected to one of the two battery poles, for example the positive pole. The respective fuse can be designed in the same way as the fuse of the other respective high-voltage path. The same applies to the shooters. Thus, both an operating current, which can be viewed in particular as a charging current specified for the high-voltage energy storage device, as well as residual currents in the event of a short circuit or fault, can be distributed at least almost evenly between the two high-voltage paths.
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. Thanks to the method, the two high-voltage paths connected in parallel within the short-circuit isolating element can now react in a cascaded manner to the event of a fault or short circuit. The first high-voltage path is opened as soon as a particularly very high overcurrent has been detected, for example using a current sensor. In the later separating path, i.e. the second high-voltage path, the current or current flow increases suddenly as soon as at least one contactor of the first high-voltage path has been opened. This results in the second method step that a substitute fuse characteristic curve, which now characterizes the short-circuit isolating element, can be actively switched. The replacement fuse characteristic curve is four times slower, especially when the short-circuit isolating element is completely switched on, provided that the two fuses are of the same design, than after opening the first high-voltage path, since the current is divided equally when the contactor is closed and a tripping time of a fuse is almost square the current increases.
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. In the method according to the invention, due to the fact that the tripping time is related to the current strength, the replacement fuse characteristic or replacement fuse characteristic can now be switched in such a way that, in the event of a detected overcurrent, the first of the two high-voltage paths is opened, in particular, very quickly. The current commutates the entire system to the second path, so that the short-circuit isolating element can be switched on particularly quickly Short circuit reacts, especially in comparison if the at least one first contactor of the first high-voltage path were not opened when switched.
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. According to the invention, a pre-charging path, which in particular has a pre-charging resistor and/or a pre-charging relay, is provided with a fuse and used in the method, with at least part of the current flow being commutated via the pre-charging path when the first high-voltage path is opened. The securing of the precharging path is, in particular, a fuse. In other words, an already existing precharging path of the high-voltage energy storage device can be expanded or supplemented by introducing a fuse to the cascade-switching short-circuit isolating element. This results in the advantage that the method can be operated particularly efficiently, for example.
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. Thus, at least one advantage of the method according to the invention is that, in comparison with a conventional contactor fuse design, a short circuit that can potentially occur when charging the high-voltage energy storage device can be responded to much more quickly, without sacrificing the charging current need to. Furthermore, the proposed method is particularly robust against incorrectly detected short circuits, for example due to a sensor error in an ammeter. The second high-voltage path is opened in the third step depending on the type of current flow. If, in the second step, a reaction is made to a supposed overcurrent even though there is no short circuit, the first of the two paths in the short-circuit isolating element can only be deactivated for a brief moment, since due to the type of current flow after commutation, which cannot be detected, the second one cannot be opened High-voltage path needs to be done because the high-voltage energy storage is in a safe state.
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. Thus, in an advantageous embodiment of the invention, depending on the type of current flow, in particular instead of opening the second path, the first opened high-voltage path is closed. For example, in the third step of the method, depending on the type of current flow, the second high-voltage path can be opened and/or, depending on the type of current flow, the first, opened high-voltage path can be closed. In other words, due to the dependency on the type of current flow, the fuse is not triggered or activated or the second high-voltage path is opened in the third method step. For example, an incorrect detection of the current measuring device can be corrected. The separated path is then simply reconnected, in particular without a user being able to detect a fault in the high-voltage energy storage device. In particular, with the same design of the at least second contactors and in particular the two fuses, it results that when one of the two paths is opened, no arc occurs in the opening contactor, as a result of which wear on the short-circuit isolating element is negligible. This results in an advantage, particularly in contrast to the prior art, since an immediate failure of the high-voltage energy storage device and thus an immediate loss of drive when used in an electric vehicle can be avoided.
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. In a further advantageous embodiment of the invention, the second high-voltage path is opened, in particular in the third step, by the at least one second contactor and/or by the second fuse. In other words, upon detection and in response to the overcurrent, the high-voltage energy storage device is protected from a short circuit by switching the at least second contactor particularly quickly and/or triggering the second fuse, i.e., for example, melting in the case of a fuse. This has the advantage that the procedure can be carried out particularly safely.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kurzschlusstrennelement für einen wenigstens eine Batterie umfassenden Hochvolt-Energiespeicher. A second aspect of the invention relates to a short-circuit isolating element for a high-voltage energy storage device comprising at least one battery.
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. The short-circuit isolating element according to the invention has a first high-voltage path with a first fuse and at least one first contactor and a second high-voltage path connected in parallel to the first high-voltage path with a second fuse and at least one second contactor, the short-circuit isolating element being connected to the at least one battery of the high-voltage energy storage device Series can be switched.
Dabei sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des ersten Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Advantageous refinements and developments of the first aspect of the invention are to be viewed as advantageous refinements and developments of the second aspect of the invention and vice versa.
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. According to the invention, at least one of the fuses is designed as a fuse and/or the fuse of the second high-voltage path has a faster response than the fuse of the first high-voltage path. In other words, at least one fuse is used, which provides a particularly reliable fuse for the short-circuit isolating element. Additionally or alternatively, two fuses that respond at different speeds are used, resulting in one Triggering time of the entire short-circuit isolating element after opening the first high-voltage path can be reduced, for example, up to a factor greater than four. This results in the advantage that the short-circuit isolating element can protect the high-voltage energy storage particularly advantageously.
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. According to the invention, at least one line resistor is arranged in one of the two high-voltage paths. In other words, a distribution of the current in normal operation can be influenced similarly or additionally or alternatively by a suitable busbar geometry. However, it is important to ensure that the power distribution is not too asymmetrical. Since a highly asymmetrical current distribution in control operation or normal operation places a higher demand on the isolating ability of the first isolating element or at least one first contactor, since this then no longer switches without voltage and thus essentially without wear. However, there is the advantage that a property of the short-circuit isolating element can be influenced in a particularly advantageous manner.
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. A third aspect of the invention relates to a high-voltage energy storage device with at least one battery, which is connected in series with a short-circuit isolating element according to the second aspect of the invention and/or the high-voltage energy storage device is designed to carry out a method according to the first aspect of the invention.
Dabei sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des ersten beziehungswiese zweiten Aspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Advantageous refinements and developments of the first or second aspect are to be viewed as advantageous refinements and developments of the third aspect of the invention and vice versa.
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. In an advantageous embodiment, the high-voltage energy storage is designed as a traction battery of a motor vehicle. In other words, the at least one battery of the high-voltage energy storage device forms a traction battery for an at least partially electrically driven motor vehicle. This results in the advantage that the motor vehicle can be operated particularly advantageously in that it can be charged particularly quickly.
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. In a further advantageous embodiment of the invention, a current measuring device is provided, through which a current flow and/or the overcurrent are detected. In other words, the high-voltage energy storage in particular has at least one current measuring sensor, through which, for example, a short-circuit current or the overcurrent can be detected, whereby, for example, a method according to the first aspect of the invention can be initiated. This results in the advantage that the high-voltage energy storage can be operated particularly advantageously.
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. Further advantages, features and details of the invention result from the following description of a preferred exemplary embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the single figure can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without the frame of the invention.
Dabei zeigt: This shows:
Fig. 1 Eine schematische Ansicht eines Hochvolt-Energiespeichers umfassend wenigstens eine mit einem Kurzschlusstrennelement in Reihe geschaltete Batterie. Fig. 1 A schematic view of a high-voltage energy storage device comprising at least one battery connected in series with a short-circuit isolating element.
Die einzige Figur, Fig. 1 , zeigt einen Hochvolt-Energiespeicher 10 umfassend wenigstens eine Batterie 12, welche mit einem Kurzschlusstrennelement 14 in Reihe geschaltet ist. The only figure, Fig. 1, shows a high-voltage energy storage device 10 comprising at least one battery 12, which is connected in series with a short-circuit isolating element 14.
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. So that the at least one battery 12 can be charged particularly advantageously with a particularly high current, for example by a charging device 16, short-circuit protection for the high-voltage energy storage device 10 must be designed to be correspondingly strong.
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. To ensure this, the short-circuit isolating element 14 for the at least one battery 12 includes a first high-voltage path 18 with a first fuse 20 and with at least one first contactor 22. The short-circuit isolating element 14 further comprises a second high-voltage path 24 with a second fuse 26 and at least one second contactor 28, wherein the first high-voltage path 18 is connected in parallel with the second high-voltage path 24.
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: When charging, for example, the charging device 16, which provides a direct voltage, is connected to the high-voltage energy storage device 10 via the two connections 30 tied together. In order to be able to switch off the high-voltage energy storage device 10 particularly advantageously in the event of a fault, which is caused, for example, by a short circuit, a method with the following steps is proposed:
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. In a first step of the method, an overcurrent is detected in at least one of the high-voltage paths 18 and 24 or in a charging circuit of the high-voltage energy storage device 10. The detection or detection can be done, for example, by a current measuring device 32. In a second step of the method, the first high-voltage path 18 is opened by the at least one associated contactor 22, whereby a current flow is commutated to the second of the two high-voltage paths 24. By opening the first high-voltage path 18, a fuse characteristic curve, in particular a replacement fuse characteristic curve, which characterizes the overall fuse of the short-circuit isolation element 14, is actively switched or changed in the short-circuit isolating element 14. At least one and in particular both of the fuses 20 and 26 are designed as fuses. Finally, in a third step, depending on the current flow, i.e. depending on the commutated current flow, the second high-voltage path 24 is opened.
So zeigt Fig. 1 das Kurzschlusstrennelement 14 und den Hochvolt-EnergiespeicherlO 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. 1 shows the short-circuit separating element 14 and the high-voltage energy storage 10 as well as a method for operating the high-voltage energy storage 10, one of the two battery poles, which are represented by the connections 30, being connected to the short-circuit separating element 14, which has at least two contactors 22 and 28 and the two fuses 20 and 26 are connected. In the respective high-voltage path 18 or 24, the respective fuses 20 or 26 are connected in series with the at least one contactor 22 or 28. Thus, during operation, for example when charging, currents flowing through the high-voltage energy storage device 10, and thus the current flow, are divided at least substantially equally between the two high-voltage paths 18 and 24. For example, cross sections of the current-carrying parts used, in particular the two high-voltage paths 18 and 24, can be particularly small and high charging currents can still be achieved.
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 Strom messgeräts 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. In the method, the two high-voltage paths 18 and 24 within the short-circuit isolating element 22 can react in a cascaded manner to a possible short circuit. The opening of the first high-voltage path 18 due to the level of the transition current, which is detected with the help of the current measuring device 32, is carried out by the at least one first contactor 22. Even if a very high current flows, this can be done by the presented The method ensures that a requirement regarding the isolation capability of the first high-voltage path 18 is not too high. The reason for this is that the contactor 22 needs to separate almost no voltage difference, since the current or current flow instantaneously almost completely commutates to the second high-voltage path 24. As a result, no arc occurs in the contactor 22 and therefore no wear on the short-circuit isolating element 14. In the later separating path, the second high-voltage path 24, the current or current flow increases suddenly as soon as the contactor 22 of the first high-voltage path 18 has been opened. This circumstance can now be used to actively switch the replacement fuse characteristic curve of the entire system, i.e. the high-voltage energy storage device 10 or the short-circuit isolating element 14, in the event of a short circuit. In the case of the short-circuit isolating element 14 being completely switched on, the replacement fuse characteristic can be approximately four times as slow as after the first high-voltage path 18 has been opened. This is due to the fact that the current or current flow is divided equally when both paths are closed and the tripping time of a fuse decreases almost squarely with the current strength. In order to actively switch the replacement fuse characteristic curve, one of the two high-voltage paths 18 and 24, in the present example the high-voltage path 18, would be opened quickly in the event of a detected overcurrent. Due to the commutating current on the second high-voltage path 24, the entire system can now react particularly quickly to the short circuit.
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. Advantageously, the fuse 26 of the second path is selected to be faster than the fuse 20 of the first path, so the fuse 26 has a particularly fast response behavior.
Der gezeigte Hochvolt-EnergiespeicherlO 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. The high-voltage energy storage device 10 shown can comprise a pre-charging path which has a pre-charging resistor and a pre-charging relay, wherein a further fuse can be introduced into this pre-charging path, so that the pre-charging path can be connected in cascade to the short-circuit isolating element 14 and/or the latter can be expanded to form the short-circuit isolating element 14. For this purpose, the pre-charging relay should always remain switched on during normal operation, so that the pre-charging path always carries a certain proportion of the current strength or current flow, even with battery currents. In the event of a fault or short circuit, a (high-voltage) path of the short-circuit isolating element 14 is now opened and the short-circuit current commutates to the pre-charging path, with the pre-charging resistor clearly limiting a short-circuit current of the at least one battery 12 of the high-voltage energy storage 10. It should be noted that in the event of a short circuit or fault Voltage drop across the precharging resistor and the second fuse 26 must be separated by the primary contactor 22 and the opening of the contactor 22 is no longer completely wear-free.
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. The high-voltage energy storage 10 is designed in particular from a traction battery for an electrically driven motor vehicle. The at least one battery 12 can be formed from several interconnected battery cells.
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. Thanks to the presented high-voltage energy storage device 10, the short-circuit separating element 14 and the method, compared to a classic contactor fuse design, it is possible to react much more quickly to a short circuit without sacrificing charging current. The proposed method is particularly robust against incorrectly detected short circuits, since one can advantageously react to a sensor error, for example of the current measuring device 32, by only deactivating or opening the first high-voltage path 18 for a short moment. If this reaction of opening does not trigger the fuse 26, the error detection detected thereby can be corrected by simply switching the separate high-voltage path 18 on again, without the error being noticeable from the outside, for example. Since no arc occurs when only one of the two high-voltage paths 18 and 24 is opened, wear on the short-circuit isolating element 14 is negligible.
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. Through the high-voltage energy storage device 10 shown here, the associated method for operating it and the short-circuit separating element 14, at least one battery 12, designed in particular as a traction battery, with a switchable fuse characteristic can be realized in a particularly advantageous manner.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeicher (10), umfassend wenigstens eine Batterie (12), welche mit einem Kurzschlusstrennelement (14) in Reihe geschaltet ist, welches einen ersten Hochvoltpfad (18) mit einer ersten Sicherung (20) und wenigstens einem ersten Schütz (22) und einen zweiten Hochvoltpfad (24) mit einer zweite Sicherung (26) und wenigstens einem zweiten Schütz (28) aufweist und der erste Hochvoltpfad (18) mit dem zweiten Hochvoltpfad (24) parallel geschaltet ist und zum Abschalten des Hochvolt-Energiespeichers (10) im Fehlerfall folgende Schritte durchgeführt werden: Claims Method for operating a high-voltage energy storage device (10), comprising at least one battery (12), which is connected in series with a short-circuit isolating element (14), which has a first high-voltage path (18) with a first fuse (20) and at least one first Contactor (22) and a second high-voltage path (24) with a second fuse (26) and at least one second contactor (28) and the first high-voltage path (18) is connected in parallel with the second high-voltage path (24) and is used to switch off the high-voltage Energy storage (10) the following steps must be carried out in the event of an error:
Detektieren eines Überstroms in wenigstens einem der Hochvoltpfade (18, 24); Öffnen des ersten Hochvoltpfads (18) durch das wenigstens eine erste Schütz (22), wodurch ein Stromfluss auf den zweiten Hochvoltpfad (24) kommutiert; und in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses ein Öffnen des zweiten Hochvoltpfades (24) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorladepfad mit einer Sicherung verwendet wird und beim Öffnen des ersten Hochvoltpfades (18) zumindest ein Teil des Stromflusses über den Vorladepfad kommutiert wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Art des Stromflusses ein Schließen des ersten, geöffneten Hochvoltpfades (18) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des zweiten Hochvoltpfades (24) durch das wenigstens eine zweite Schütz (28) und/oder durch die zweite Sicherung (26) erfolgt. Kurzschlusstrennelement (14) für einen wenigstens eine Batterie (12) umfassenden Hochvolt-Energiespeicher (10) aufweisend einen ersten Hochvoltpfad (18) mit einer ersten Sicherung (20) und wenigstens einem ersten Schütz (22) und einen zu dem erste Hochvoltpfad (18) parallelgeschalteten, zweiten Hochvoltpfad (24) mit einer zweiten Sicherung (26) und wenigstens einem zweiten Schütz (28), wobei das Kurzschlusstrennelement (14) mit der wenigstens einen Batterie (12) des Hochvolt- Energiespeicher (10) in Reihe schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Sicherungen (20, 26) als Schmelzsicherung ausgebildet ist und/oder die Sicherung (20) des zweiten Hochvoltpfades (18) ein schnelleres Ansprechverhalten als die Sicherung (26) des ersten Hochvoltpfades (24) aufweist und/oder in einem der beiden Hochvoltpfade (18, 24) wenigstens ein Leitungswiderstand angeordnet ist. Hochvolt-Energiespeicher (10) umfassend wenigstens eine Batterie (12) und ein mit dieser in Reihe geschaltetes Kurzschlusstrennelement (15) nach Anspruch 4 und/oder dazu ausgebildet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen. Hochvolt-Energiespeicher (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvolt-Energiespeicher (10) als Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Hochvolt-Energiespeicher (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass detecting an overcurrent in at least one of the high-voltage paths (18, 24); Opening the first high-voltage path (18) through the at least one first contactor (22), whereby a current flow commutates to the second high-voltage path (24); and depending on the type of current flow, the second high-voltage path (24) is opened, characterized in that a pre-charging path with a fuse is used and when the first high-voltage path (18) is opened, at least part of the current flow is commutated via the pre-charging path. Method according to claim 1, characterized in that the first, opened high-voltage path (18) is closed depending on the type of current flow. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the second high-voltage path (24) is opened by the at least one second contactor (28) and/or by the second fuse (26). Short-circuit isolating element (14) for a high-voltage energy storage device (10) comprising at least one battery (12), having a first high-voltage path (18) with a first fuse (20) and at least one first contactor (22) and one to the first high-voltage path (18) parallel-connected, second high-voltage path (24) with a second fuse (26) and at least one second contactor (28), wherein the short-circuit isolating element (14) can be connected in series with the at least one battery (12) of the high-voltage energy storage (10), thereby characterized in that at least one of the fuses (20, 26) is designed as a fuse and / or the fuse (20) of the second high-voltage path (18) has a faster response than the fuse (26) of the first high-voltage path (24) and / or in At least one line resistor is arranged in one of the two high-voltage paths (18, 24). High-voltage energy storage (10) comprising at least one battery (12) and a short-circuit isolating element (15) connected in series therewith according to claim 4 and/or designed to carry out a method according to one of claims 1 to 3. High-voltage energy storage (10) according to claim 5, characterized in that the high-voltage energy storage (10) is designed as a traction battery of a motor vehicle. High-voltage energy storage (10) according to claim 5 or 6, characterized in that
Strommessgerät (32) vorgesehen, durch welches ein Stromfluss und/oder ein Überstrom erfassbar ist. Current measuring device (32) is provided, through which a current flow and / or an overcurrent can be detected.
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