WO2024020612A1 - Segmentiertes hochvolt-batteriesystem - Google Patents

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WO2024020612A1
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Reinhard Schmid
Felix Bayer
Christian MICHELET
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Definitions

  • the present invention relates to a high-voltage battery system for supplying several consumers of a vehicle, a vehicle with such a system and a method for controlling such.
  • the present invention is based on the fact that a trend in vehicle development is to integrate an ever larger number of electrical consumers into the vehicle and these consumers are connected to a common power distribution line.
  • One or more battery systems, each with several batteries, are also connected to this common power distribution line.
  • the power distribution line with batteries, consumers and possibly other electrical devices form the high-voltage battery system for powering the vehicle, also referred to below as the overall system.
  • Each of the consumers has a certain probability of failure and a certain probability of error and both can cause a malfunction in the overall system.
  • a failure or error can, under certain circumstances, cause a failure of the entire system or, as a system reaction, result in the consumer or a subsystem being switched off in order to ensure the safety of the entire system.
  • the probability of failure of the entire system increases with the number of consumers connected to the same high-voltage battery system.
  • a failure of a subsystem means that the subsystem no longer functions without necessarily drawing any conclusions about the overall system. If the non-failed parts of the overall system function without impairment despite the failure, switching off the failed subsystem would not be necessary, since switching off makes no difference in the result: the failed subsystem would not function in this case, the non-failed parts of the overall system would continue to operate function.
  • an error can occur where a subsystem changes a parameter unintentionally, but may still remain active because the subsystem cannot detect the parameter change or does not detect it for other reasons and the function of the subsystem is not immediately affected by the error. bar is influenced.
  • An example of a fault is the slow erosion of insulation in the subsystem. Since the subsystem does not have its own isolation monitoring, the subsystem will not detect this error, will remain active and, if necessary, continue to function. However, to ensure safety, the entire system monitors the insulation resistance of the entire system. However, this is affected by the error in the subsystem. Once the error is detected, the entire system will have to be shut down to ensure safety. In the prior art, even smaller errors regularly lead to larger failures. In principle, errors in the state of the art are more critical than failures.
  • ADR vehicles The transport of dangerous goods, so-called ADR vehicles, is a major safety-critical problem.
  • High-voltage battery system for supplying several consumers of a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising:
  • a control device connected to the insulation monitor, which is set up to disconnect at least one connection of the segments in the event of a malfunction.
  • the core idea of a high-voltage battery system according to the invention is that by segmenting the power distribution line and connecting the batteries to individual segments, it is possible to localize a malfunction by separating the connection between batteries to segments or between different segments, with other segments continuing to be supplied with power can stay.
  • a key advantage of the high-voltage battery system is that it enables increased reliability of safety-critical systems such as the power steering pump, especially in ADR vehicles.
  • the high-voltage battery system according to the invention also enables only part of the battery system to be switched off when a fault in the battery system is detected. This can result in a reduction in the maximum performance of the entire system, thereby avoiding a total failure.
  • high voltage and high-voltage mean a voltage U of voltage class B of
  • a consumer is an electrical component, an electrical device or an electrical system that can convert electrical energy into another form of energy.
  • a battery is a storage device for electrical energy on an electrochemical basis. The term battery includes cells, modules and packs. Switchable connections are created by voltage-matched switches. In the given case of high-voltage voltages, these can in particular be contactor switches and/or safety-related switches.
  • the control device is further set up to disconnect at least one connection of a consumer to the power distribution line and/or at least one connection of a battery to the power distribution line.
  • control device is also set up to close a separate connection between segments and/or a separate connection of a consumer to the power distribution line and/or a separate connection of a battery to the power distribution line.
  • the malfunction includes an undesirable operating state of the vehicle and/or a malfunction of a consumer, and/or a malfunction of a battery and/or a malfunction of a connecting line.
  • the high-voltage battery system also includes several consumers that are connected to different segments of the power distribution line.
  • Consumers can have an insulation monitor, a power steering pump, an inverter with an electric motor connected to it, a DC/DC low-voltage electrical system, a high-voltage heater, a high-voltage connection for a body, fuel cells, auxiliary consumers such as air compressors with inverters, air conditioning compressors with inverters, high-voltage chillers for cooling circuits, high-voltage -Cooler fan with inverter, brake resistors with brake chopper, on-board charger and DC charging cables.
  • the consumers are preferably assigned to the segments based on how critical a failure of the respective subsystem is for continued operation of the entire system. Consumers that are particularly critical for continued operation are generally located closer to the segments with direct connection of batteries than consumers that are less critical for continued operation.
  • the high-voltage battery system also comprehensively includes a battery management system for monitoring, regulating and protecting the batteries.
  • the battery management system can in particular monitor a charge status and/or a temperature of the batteries, connect or disconnect the batteries from the power distribution line and is preferably connected to the control device.
  • the battery management system serves as an interface between the vehicle and the electronic components installed in the batteries. It controls functions that are necessary for the current operating status of the vehicle.
  • the battery management system also controls measures to optimize the performance and service life of the batteries. This means, for example, ensuring a suitable temperature level through cooling and, if necessary, heating.
  • a command is sent from the vehicle's control unit to the battery management system, which then checks the status of at least one battery and closes contactors of the battery system in order to supply the engine with power. If an error occurs in the battery system during operation, it is processed by the battery management system and assigned to an error category.
  • the battery management system enables greater protection of the batteries, charge level control, load management and determination of battery aging. This makes it possible to increase the service life of the entire system.
  • a contactor is an electrically or electromagnetically operated switch for large electrical outputs and is similar to a relay.
  • the contactor has two switching positions and usually switches monostable without any special precautions.
  • the contactor can be designed as a closer.
  • An alternative to the contactor is the use of relays or semiconductor switches. Contactors enable particularly safe isolation of high voltages.
  • a hierarchical arrangement of the consumers on segments of the high-voltage distribution line enables a easier switching off of less safety-critical segments and thus continued operation of the vehicle in the event of a malfunction in a non-safety-critical segment.
  • a hierarchical arrangement which makes it easier to switch off vehicle functions, can be used to continue operating the structure in the event of a malfunction in the vehicle area.
  • Such an arrangement can be useful, for example, in the construction of cooling chambers in refrigerated transport vehicles. This can prevent interruptions in the cold chain. Other structures can also be protected in this way from interrupting operations.
  • the integration of the power steering pump into the high-voltage battery system makes it possible to maintain the vehicle's ability to steer even in the event of a malfunction and is therefore particularly relevant to safety.
  • the malfunction includes an incorrect value of the insulation resistance that can be detected by the insulation monitor.
  • the insulation monitor is set up to monitor the insulation status of the high-voltage battery system. It reports when the insulation resistance falls below a minimum and offers a particularly efficient and safe way to monitor a malfunction.
  • a second insulation monitor can be used to monitor the high-voltage battery system.
  • 2 insulation monitors with a changeover circuit can be used.
  • the transient response of the insulation monitors must be taken into account.
  • a certain amount of time is required until the first measured values of the insulation resistance are delivered.
  • the cyclic measurements of the two insulation monitors must be coordinated during operation in order to exclude incorrect measured values due to mutual influence.
  • the coordination can take place in software or in a downstream common control device.
  • the control device can be used as input in addition to the Measured values from the two insulation monitors can also be used to record a measurement time and use this to exclude from further processing those insulation resistance values that were recorded at similar or the same measurement times.
  • Connecting multiple batteries to a segment reduces the probability of failure of loads connected to that segment and enables more accurate testing of loads connected to that segment. Further details on this will be explained in connection with the method according to the invention.
  • the power distribution line has a star-shaped topology.
  • each segment can be separated individually, independently of the other segments.
  • areas in which no malfunction was detected in a test can be reconnected to the system after it has been disconnected and continued to operate. Even if a malfunction was found in a segment with a higher priority, segments with a lower priority can be used continue to be operated. For example, if a fault is found in the electrical machine set up for the drive and the segment containing the electrical machine has been disconnected, a less highly prioritized segment with a connection for high-voltage structures can then be reconnected.
  • a second aspect of the present invention provides a vehicle comprising a high-voltage battery system according to any one of claims 1 to 12.
  • the vehicle can in particular be a commercial vehicle, particularly preferably an ADR vehicle for transporting dangerous goods.
  • a third aspect of the present invention provides a method of controlling a high-voltage battery system according to any one of claims 1 to 12, comprising the steps of: a) monitoring a value of an insulation resistance of the high-voltage battery system; b) transmitting the value of the insulation resistance to the control device; c) determining the change in the value of the insulation resistance over time; d) Once the change in the value of the insulation resistance falls below a first threshold, performing the following steps until the value of the insulation resistance exceeds a second threshold: aa) Disconnecting loads from the power distribution line, in particular starting with low priority loads in a low priority segment ; and/or bb) separating segments of the power distribution line, in particular starting with low priority segments; and/or cc) disconnecting individual batteries from the power distribution line.
  • the method can provide that the first threshold value and the second threshold value are the same size.
  • the method further includes the steps: e) excluding the cause of the malfunction in connecting consumers and/or segments and/or batteries that were previously disconnected from the power distribution line,
  • the value of the insulation resistance is monitored cyclically, preferably by an insulation monitor.
  • an insulation monitor Several measuring principles are known from the prior art. In one of these measuring principles, a voltage is cyclically modulated and the value of the insulation resistance is determined based on the temporal behavior of the voltage.
  • This insulation resistance value is transmitted to the control device.
  • segments are preferably first separated from each other to isolate the error.
  • the consumers connected to this segment are shut down in advance via a shutdown request.
  • the insulation resistance value is too low, separation under load is also possible.
  • loads starting with the lowest priority loads, are shut down or switched off and disconnected from the rest of the power distribution line.
  • the value of the insulation resistance is determined. If the determined value of the insulation resistance is still below the second threshold value, the method is continued.
  • the control device informs the battery management system of a switch-off request.
  • a switch-off request with a waiting time during which a current falls below a threshold value before a corresponding switch is opened is common.
  • an emergency shutdown is possible, in which the switches connected to the battery are opened under load. The procedure is carried out until the value of the insulation resistance rises above the second threshold value or only that segment of the high-voltage distribution line remains connected which contains the highest priority component and the insulation monitor and two batteries are still connected. It is important to note that each of the remaining batteries can provide the required power of the highest priority component.
  • FIG. 1 shows a special embodiment of a high-voltage battery system according to the invention.
  • Fig. 2 shows a further special embodiment of a high-voltage battery system according to the invention with a star-shaped topology.
  • FIG 1 shows schematically a special embodiment of a high-voltage battery system 10 according to the invention.
  • the high-voltage battery system 10 is used to supply several consumers 12a-12g of a vehicle.
  • the vehicle is not explicitly shown and can in particular be a commercial vehicle, particularly preferably an ADR vehicle for transporting dangerous goods.
  • the high-voltage battery system 10 includes several batteries 14a-14d for supplying the consumers 12a-12g with electrical energy and a power distribution line 16.
  • the power distribution line 16 is divided into a first segment 18a, a second segment 18b, a third segment 18c and a fourth segment 18d divided.
  • the segments are switchably connected to one another by contactors 20.
  • Two batteries 14a, 14b can each be connected to the via their own connecting line 22a, 22b first segment 18a of the power distribution line 16 is connected.
  • Two further batteries 14c, 14d are connected to the second segment 18b of the power distribution line 16 in the same way. In other embodiments, more than two batteries can also be connected to a highest priority segment.
  • the first segment 18a and the second segment 18b thus have their own power supply.
  • the third segment 18c and the fourth segment 18d and the consumers 12e-12g connected to them rely on the power supply via the power distribution line.
  • the control device 24 is set up to disconnect at least one connection of the segments 18a-18c in the event of a malfunction or other error.
  • the connection of the segments 18a to 18c are contactors 20.
  • the connection is separated by opening at least one of the contactors 20.
  • the contactors can be designed as make or break contacts.
  • the control device 24 can receive information about a malfunction in various ways.
  • the illustrated embodiment includes an insulation monitor 12a for monitoring the insulation resistance of the power distribution line 16.
  • the insulation monitor 12a is connected to the control device 24 for signaling purposes (connection not explicitly shown for reasons of clarity).
  • the insulation monitor 12a detects a critical, ie too low, value of an insulation resistance, it sends a signal to the control device 24, which can then carry out a sequential separation of components of the high-voltage battery system in order to localize the source of the malfunction.
  • the high-voltage battery system 10 further includes a battery management system 26 with which the batteries 14a-14d can be monitored, regulated and protected.
  • the battery management system 26 is connected to the control device 24 in terms of signals.
  • the control device 24 can use this connection to send signals to the battery management system 26 to control the batteries 14a-14d.
  • the control device 24 can use these signals, among other things Disconnect batteries 14a-14d from the power distribution line 16 or connect batteries ad to the power distribution line 16.
  • a power steering pump 12b is connected to the first segment 18a.
  • a motor 12c is connected to the second segment 18b via an inverter 13 and an air compressor 12d.
  • the consumers connected to the third segment 18c are a DC/DC low-voltage vehicle electrical system 12e and a high-voltage heating device 12f.
  • the high-voltage connection 12g for vehicle bodies is connected to the fourth segment 18d. All consumers 12a-12g are switchably connected to a segment 18a-18d of the power distribution line 16 and can therefore be separated from it if necessary. The disconnection or connection of consumers 12a-12g takes place via the control device 16.
  • This division of the consumers into the segments shown is merely an example of a possible division in which the priority of the energy supply to the consumers 12a-12g decreases from left to right.
  • the insulation monitor 12a and the power steering pump 12b have the highest priority and are therefore connected to the first segment 18a.
  • the second segment 18b with high-priority consumers, the electric machine 12c and the air compressor 12d also has its own power supply via the batteries 14c and Md.
  • the third segment 18c with medium-priority consumers, the DC/DC low-voltage vehicle electrical system 12e and the high-voltage -Heating device 12f can only be connected indirectly via the second segment 18b with batteries.
  • the high-voltage connection 12g for superstructures has low priority and is easiest to separate from the power distribution line 16.
  • Figure 2 shows a high-voltage battery system in which the power distribution line 16 has a star-shaped topology.
  • the components of the high-voltage battery system are the same, regardless of its topology.
  • the explanations for Figure 1 therefore fundamentally also apply to Figure 2.
  • the segments 18a-18d point from a central node 30.
  • a particular advantage of the star-shaped topology is that the individual segments 18a-18d are not connected in series and can therefore be separated independently from other segments 18. This is, among other things Greater flexibility in locating the malfunction and continued operation of consumers from other segments is possible in the event of a malfunction.
  • a division into segments can be provided such that each consumer and each battery is connected to its own, separately separable segment. This can prevent several consumers and/or batteries from having to be disconnected from the power distribution line at the same time, thereby further reducing the probability of failure of the entire system and individual subsystems.
  • all switchable elements in all embodiments of the invention are fundamentally equipped with voltage measuring devices (not explicitly shown).
  • the voltages measured by the voltage measuring devices are transmitted to the control device 16, which is set up to close a switch, preferably only if the same voltage is present on both sides of the switch or a voltage difference is below a threshold value that is classified as safe.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem (10) zur Versorgung von mehreren Verbrauchern (12a-12g) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend: - mehrere parallel zueinander geschaltete Batterien (14a-14d), - eine durch schaltbar miteinander verbundene Segmente (18a-18d) unterteilte Stromverteilerleitung (16), wobei die mehreren Batterien (14a-14d) über eigene Verbindungsleitungen (22a-22d) schaltbar an verschiedene Segmente (18a-18d) der Stromverteilerleitung (16) angeschlossen sind; - einen Isolationswächter (12a) zur Überwachung des Isolationswiderstands der Stromverteilerleitung (16); und - eine mit dem Isolationswächter in Verbindung stehende Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindung der Segmente (18a-18d) im Fall einer Fehlfunktion zu trennen.

Description

Segmentiertes Hochvolt-Batteriesystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochvolt-Batteriesystem zur Versorgung von mehreren Verbrauchern eines Fahrzeugs, ein Fahrzeug mit einem solchen und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen.
Die vorliegende Erfindung beruht darauf, dass ein Trend der Fahrzeugentwicklung dahin geht, eine immer größere Anzahl von elektrischen Verbrauchern in das Fahrzeug integriert werden und diese Verbraucher an eine gemeinsame Stromverteilerleitung angeschlossen sind. An diese gemeinsame Stromverteilerleitung sind auch ein oder mehrere Batteriesysteme mit jeweils mehreren Batterien angeschlossen. Die Stromverteilerleitung mit Batterien, Verbrauchern und gegebenenfalls anderen elektrischen Einrichtungen bilden das Hochvolt-Batteriesystem zur Stromversorgung des Fahrzeugs, im Weiteren auch als Gesamtsystem bezeichnet.
Jeder der Verbraucher hat eine gewisse Ausfallwahrscheinlichkeit und eine gewisse Fehlerwahrscheinlichkeit und kann über beide eine Fehlfunktion im Gesamtsystem erzeugen. Ein Ausfall oder Fehler kann unter Umständen auch für einen Ausfall des Gesamtsystems sorgen oder als Systemreaktion eine Abschaltung des Verbrauchers oder eines Subsystems zur Folge haben, um die Sicherheit des Gesamtsystems zu gewährleisten. Mit der Anzahl der an das gleiche Hochvolt-Batteriesystem angeschlossenen Verbrauchern steigt somit eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems an.
Ein Ausfall eines Subsystems bedeutet, dass das Subsystem nicht mehr funktioniert, ohne dass notwendigerweise ein Rückschluss auf das Gesamtsystem gemacht werden kann. Falls die nicht ausgefallenen Teile des Gesamtsystems trotz des Ausfalls ohne Beeinträchtigung funktionieren, wäre eine Wegschaltung des ausgefallenen Subsystems nicht erforderlich, da ein Wegschalten im Ergebnis keinen Unterschied macht: Das ausgefallene Subsystem würde in diesem Fall nicht funktionieren, die nicht ausgefallenen Teile des Gesamtsystems würden weiterhin funktionieren.
Im Unterschied zum Ausfall kann bei einem Fehler vorkommen, dass ein Subsystem ungewollt einen Parameter ändert, aber unter Umständen noch aktiv bleibt, da das Subsystem die Parameteränderung nicht detektieren kann oder aus anderen Gründen nicht detektiert und die Funktion des Subsystems von dem Fehler nicht unmittel- bar beeinflusst wird. Ein Beispiel für einen Fehler ist das langsame Aufscheuern einer Isolierung im Subsystem. Da das Subsystem keine eigenen Isolationsüberwachung hat, wird das Subsystem diesen Fehler nicht detektieren, weiter aktiv bleiben und gegebenenfalls auch weiter funktionieren. Das Gesamtsystem überwacht aber, um Sicherheit zu gewährleisten, den Insolationswiderstand des Gesamtsystems. Dieser wird jedoch durch den Fehler im Subsystem beeinträchtigt. Nach Detektion des Fehlers wird das gesamte System abgeschaltet werden müssen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Im Stand der Technik führen daher auch kleinere Fehler somit regelmäßig zu größeren Ausfällen. Grundsätzlich sind Fehler im Stand der Technik kritischer als Ausfälle.
Dieses Problem besteht insbesondere bei Nutzfahrzeugen. Es ist bekannt, dass bei Fahrzeugen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen, oft parallele Batteriesysteme verwendet werden. Diese sind über eine elektrische Verteilerleitung miteinander verbunden und stellen elektrische Energie bereit. Als Verbraucher sind an der elektrischen Verteilerleitung beispielsweise Antriebsinverter oder Hilfseinrichtungen wie eine Lenkhilfepumpe oder ein Luftkompresser angeschlossen. Bei einer Vielzahl von Nutzfahrzeugen werden dazu außerdem Aufbauten wie Kühlkoffer, Kräne oder andere Einrichtungen von Aufbauherstellern dem Fahrzeug hinzugefügt. Viele dieser Aufbauten benötigen elektrische Energie, welche bei Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen oft über einen Hochvolt-Anschluss an der Stromverteilerleitung zur Verfügung gestellt wird. Durch zusätzliche Verbraucher sind zusätzliche Kabellängen verbunden, die die Ausfallswahrscheinlichkeit aufgrund eines Isolationsfehlers erhöhen.
Von Hochvolt-Batteriesystemen aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Isolationswiderstand im System zu überwachen. Dies geschieht üblicherweise durch einen Isolationswächter. Je nach Systemdesign kann das Unterschreiten eines Schwellwertes, oder auffällige Messwerte, zu einem unmittelbaren oder verzögerten Abschalten des gesamten Systems führen.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass bei einem detektierten Fehler, das gesamte System abgeschaltet wird.
Bei einer Abschaltung des Gesamtsystems können wesentliche Subsysteme wie die Lenkhilfepumpe nicht weiter betrieben werden. Ein solcher Ausfall ist bei normalen Fahrzeugen bereits ein Risiko, jedoch bei Nutzfahrzeugen, insbesondere bei Fahr- zeugen zur Beförderung gefährlicher Güter, sogenannter ADR-Fahrzeuge, ein größeres, weil sicherheitskritisches Problem.
Eine weitere Schwachstelle entsteht aus der Kombination unterschiedlicher Aufbauten durch Aufbauhersteller. Den das Fahrzeug konzipierenden Fahrzeugherstellern sind nicht sämtliche mögliche Aufbauten bekannt und können wegen ihrer sehr großen Zahl nicht vollumfänglich berücksichtigt werden. Hieraus ergeben sich zusätzliche Ausfallrisiken und Fehlerrisiken.
Eine den Aufbauten zur Verfügung gestellte Schnittstelle wird im Stand der Technik zwar abgesichert, eine Reduktion des Isolationswiederstandes der Aufbauten beeinflusst jedoch auf Grund der Parallelschaltung der Subsysteme maßgeblich den gesamten Isolationswiderstand, was zu einer Beeinflussung des Systems führt. Das Ausmaß der Beeinflussung hängt von der gewählten Implementierung ab.
Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, Signale über Schnittstellen zwischen Fahrzeug und Aufbauten auszutauschen, damit das Fahrzeug einem Steuergerät der Aufbauten Steuersignale, insbesondere für Abschaltanforderungen mitteilen kann. Diese Funktionen sind jedoch im Steuergerät der Aufbauten implementiert. Daraus folgt, dass das Fahrzeug selbst die Verbindung zur Hochvolt-Spannung nicht trennen kann, sondern auf die Steuergeräte der Aufbauten angewiesen ist. Dies kann sowohl bei Auftreten einem Isolationsfehler notwendig werden, aber auch bei bestimmten Betriebszuständen vorteilhaft werden - beispielsweise bei einem Limp-Home-Modus.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise ein Hochvolt-Batteriesystem zur Versorgung von mehreren Verbrauchern eines Fahrzeugs bereitzustellen, die das Ausfallrisiko einzelner elektrisch betriebener Komponenten des Fahrzeugs und das Ausfallrisiko des gesamten Hochvolt- Batteriesystems senkt.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Hochvolt-Batteriesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystem zur Versorgung von mehreren Verbrauchern eines Fahrzeugs beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Weiter ist zu beachten, dass der Begriff .umfassen' für jede der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen gemäß weiterer besonderer Ausführungsformen der Erfindung .bestehen aus' bedeuten kann.
Ein erfindungsgemäßes Hochvolt-Batteriesystem zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus:
Hochvolt-Batteriesystem zur Versorgung von mehreren Verbrauchern eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend:
- mehrere parallel zueinander geschaltete Batterien,
- eine durch schaltbar miteinander verbundene Segmente unterteilte Stromverteilerleitung, wobei die mehreren Batterien über eigene Verbindungsleitungen schaltbar an verschiedene Segmente der Stromverteilerleitung angeschlossen sind;
- einen Isolationswächter zur Überwachung des Isolationswiderstands der Stromverteilerleitung; und
- eine mit dem Isolationswächter in Verbindung stehende Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindung der Segmente im Fall einer Fehlfunktion zu trennen.
Der Kerngedanke eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems liegt darin, dass durch die Segmentierung der Stromverteilerleitung und den Anschluss der Batterien an einzelne Segmente eine Lokalisierung einer Fehlfunktion durch Trennung der Verbindung zwischen Batterien zu Segmenten oder zwischen unterschiedlichen Segmenten möglich ist, wobei andere Segmente weiter mit Strom versorgt bleiben können.
Das Hochvolt-Batteriesystem zur Versorgung von mehreren Verbrauchern eines
Fahrzeugs ermöglicht, einen elektrischen Fehler auf einfache Art und Weise zu loka- lisieren und andere, von dem Fehler nicht direkt betroffene Einrichtungen des Hochvolt-Batteriesystems weiter zu betreiben.
Ein wesentlicher Vorteil des Hochvolt-Batteriesystems ist die Ermöglichung einer erhöhten Ausfallssicherheit sicherheitskritischer Systeme wie der Lenkhilfepumpe, insbesondere bei ADR-Fahrzeugen.
Das erfindungsgemäße Hochvolt-Batteriesystem ermöglicht außerdem, dass bei Detektion eines Fehlers im Batteriesystem, nur einen Teil des Batteriesystems abzuschalten. Eine Verminderung der maximalen Leistung des Gesamtsystems kann eine Folge sein, wobei ein Totalausfall vermieden wird.
Bei einem Fehler im Gesamtsystem wird ermöglicht, das Hochvolt-Batteriesystem und/oder das Verbrauchersystem schrittweise abzuschalten und so zu verkleinern, um einzelne Elemente oder Segmente als Fehlerquelle auszuschließen. Der nichtabgeschaltete Teil des Fahrzeuges bleibt dadurch funktionstüchtig, sodass je nach Größe des Fehlers beispielsweise eine Weiterfahrt, ein Fahren aus einer Gefahrenzone oder zumindest ein Erhalt der Lenkkraftunterstützung bis zum Abbremsen des Fahrzeuges möglich bleibt.
Sowohl im Fehlerfall des Aufbaus als auch in besonderen Betriebszuständen des Fahrzeugs wie beispielsweise einem Limp-Home-Modus ist es möglich, die elektrische Verbindung zum Aufbau durch Öffnen eines Schalters zwischen zwei Segmenten zu unterbrechen.
Unter den Begriffen Hochvolt und Hochvolt-Spannung wird entsprechend der Norm ISO 6469-3.10 eine Spannung U der Spannungsklasse B von
30 V AC rms < U < 1000 V AC rms oder 60V DC < U < 1000 V DC verstanden. Als Verbraucher wird ein elektrisches Bauelement, ein Elektrogerät oder eine Elektroanlage verstanden, die elektrische Energie in eine andere Energieform umwandeln kann. Als Batterie wird ein Speicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis verstanden. Der Begriff Batterie umfasst dabei sowohl Zellen, Module als auch Packs. Schaltbare Verbindungen werden durch spannungsangepasste Schalter erzeugt. Im gegebenen Fall von Hochvolt-Spannungen können dies insbesondere Schütz-Schalter und/oder sicherheitsgerichtete Schalter sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindung eines Verbrauchers zur Stromverteilerleitung und/oder wenigstens eine Verbindung einer Batterie zur Stromverteilerleitung zu trennen.
Besondere Vorteile werden erreicht, wenn die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, eine getrennte Verbindung zwischen Segmenten und/oder eine getrennte Verbindung eines Verbrauchers zur Stromverteilerleitung und/oder eine getrennte Verbindung einer Batterie zur Stromverteilerleitung zu schließen.
Hierdurch können Bereiche, die für das Auslösen der Fehlfunktion nicht ursächlich sind, wieder an das Hochvolt-Batteriesystem angeschlossen und weiterbetrieben werden.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Hochvolt- Batteriesystem die Fehlfunktion einen unerwünschten Betriebszustands des Fahrzeugs und/oder eine Fehlfunktion eines Verbrauchers, und/oder eine Fehlfunktion einer Batterie und/oder eine Fehlfunktion einer Verbindungsleitung umfasst.
Eine derartige Einschränkung auf potenziell sicherheitsrelevante Fehlfunktionen begrenzen den Überwachungsaufwand für das Gesamtsystem.
Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn das Hochvolt-Batteriesystem ferner mehrere Verbraucher umfasst, die an unterschiedliche Segmente der Stromverteilerleitung angeschlossen sind.
Die Verbraucher können einen Isolationsmonitor, eine Lenkhilfepumpe, einen Inverter mit daran angeschlossenem Elektromotor, ein DC/DC Niederspannungsbordnetz, einen Hochvoltheizer, einen Hochvoltanschluss für einen Aufbau, Brennstoffzellen, Nebenverbraucher wie Luftkompressoren mit Inverter, Klimakompressoren mit Inverter, Hochvolt-Chiller für Kühlkreisläufe, Hochvolt-Kühlerlüfter mit Inverter, Bremswiderstände mit Bremschopper, On-Board-Charger und DC Ladeleitungen umfassen. Vorzugsweise werden die Verbraucher danach den Segmenten zugeordnet, wie kritisch ein Ausfall des jeweiligen Subsystems für einen Weiterbetrieb des Gesamtsystems ist. Für den Weiterbetrieb besonders kritische Verbraucher werden grundsätzlich näher an den Segmenten mit direktem Anschluss von Batterien angeordnet als Verbraucher, die weniger kritisch für den Weiterbetrieb sind. Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn das Hochvolt-Batteriesystem ferner umfassend ein Batteriemanagementsystem zur Überwachung, Regelung und zum Schutz der Batterien umfasst. Das Batteriemanagementsystem kann insbesondere einen Ladezustand und/oder eine Temperatur der Batterien überwachen, die Batterien zur Stromverteilerleitung zuschalten oder von dieser trennen und ist vorzugsweise mit der Steuerungseinrichtung verbunden. Das Batteriemanagementsystem dient in diesem Fall als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug und den in den Batterien verbauten elektronischen Komponenten. Es steuert dabei Funktionen, die für die aktuellen Betriebszustände des Fahrzeugs nötig sind. Ferner steuert das Batteriemanagementsystem Maßnahmen, um Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien zu optimieren. Das heißt beispielsweise: durch Kühlen und gegebenenfalls Beheizen für ein geeignetes Temperaturniveau zu sorgen. Wird das Fahrzeug gestartet, so wird ein Befehl vom Steuergerät des Fahrzeugs zum Batteriemanagementsystem geschickt, welches daraufhin den Zustand wenigstens einer Batterie kontrolliert und Schütze des Batteriesystems schließt, um den Motor mit Strom zu versorgen. Tritt während des Betriebs ein Fehler im Batteriesystem auf, so wird dieser vom Batteriemanagementsystem verarbeitet und einer Fehlerkategorie zugeordnet.
Das Batteriemanagementsystem ermöglicht einen höheren Schutz der Batterien, Ladestandkontrolle, Lastmanagement und eine Bestimmung der Batteriealterung. Damit ermöglicht es, die Lebensdauer des Gesamtsystems zu erhöhen.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn wenigstens zwei Segmente durch einen Schütz miteinander schaltbar verbunden sind.
Ein Schütz ist ein ist ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigter Schalter für große elektrische Leistungen und ähnelt einem Relais. Das Schütz kennt zwei Schaltstellungen und schaltet ohne besondere Vorkehrungen üblicherweise monostabil. Insbesondere kann der Schütz als Schließer ausgestaltet sein. Als Alternative zum Schütz kommt die Verwendung von Relais oder auch Halbleiterschaltern infrage. Schütze ermöglichen eine besonders sichere Trennung von hohen Spannungen.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Verbraucher hierarchisch angeordnet sind.
Beispielsweise ermöglicht eine hierarchische Anordnung der Verbraucher an Segmenten der Hochvolt-Verteilerleitung entsprechend ihrer Sicherheitsrelevanz ein ein- facheres Abschalten weniger sicherheitskritischer Segmente und dadurch den Weiterbetrieb des Fahrzeugs im Falle einer Fehlfunktion in einem nichtsicherheitskritischen Segment. Eine hierarchische Anordnung, die dagegen das Abschalten von Fahrzeugfunktionen erleichtert, kann dazu eingesetzt werden, den Aufbau im Fall einer Fehlfunktion im Fahrzeugbereich weiterzubetreiben. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise bei Aufbauten von Kühlkammern bei Kühltransportfahrzeugen sinnvoll sein. Hierdurch können Unterbrechungen der Kühlkette verhindert werden. Auch andere Aufbauten können auf diese Weise vor einer Unterbrechung des Betriebs geschützt werden.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Verbraucher eine Lenkhilfepumpe umfassen.
Die Integration der Lenkhilfepumpe in das Hochvolt-Batteriesystem ermöglicht die Aufrechterhaltung der Lenkfähigkeit des Fahrzeugs auch im Fall einer Fehlfunktion und ist damit in besonderer Weise sicherheitsrelevant.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Fehlfunktion einen von dem Isolationswächter detektierbarer fehlerhafter Wert des Isolationswiderstands umfasst.
Der Isolationswächter ist dazu eingerichtet, den Isolationszustand des Hochvolt- Batteriesystems zu überwachen. Er meldet die Unterschreitung eines minimalen Isolationswiderstandes und bietet eine besonders effiziente und sichere Möglichkeit zur Überwachung einer Fehlfunktion.
Zur weiteren Reduzierung der Ausfallswahrscheinlichkeit kann ein zweiter Isolationswächter zur Überwachung des Hochvolt-Batteriesystems eingesetzt werden. Da die Messung meist einer Überlagerung der Spannung und Messung des Zeitverhalten beruht, ist jedoch keine direkte Kombination möglich. Stattdessen können 2 Isolationswächter mit einer Wechselschaltung genutzt werden. In dieser besonderen Ausführungsform ist das Einschwingverhalten der Isolationswächter zu beachten. In Abhängigkeit einer Zwischenkreiskapazität wird eine gewisse Zeit bis zum Liefern der ersten Messwerte des Isolationswiderstands benötigt. Ferner müssen im Betrieb die zyklischen Messungen der beiden Isolationswächter koordiniert werden, um fehlerhafte Messwerte durch gegenseitige Beeinflussung auszuschließen. Die Koordinierung kann softwareseitig, oder auch in einer nachgeschalteten gemeinsamen Steuerungseinrichtung erfolgen. Die Steuerungseinrichtung kann als Input neben den Messwerten der beiden Isolationswächter auch einen Messzeitpunkt aufnehmen und mit diesem diejenigen Werten des Isolationswiderstands in der Weiterverarbeitung ausschließen, die zu ähnlichen oder gleichen Messzeiten aufgenommen wurden.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn mehrere Batterien über eigene Verbindungsleitungen an ein Segment schaltbar angeschlossen sind.
Der Anschluss mehrerer Batterien an ein Segment verringert die Ausfallwahrscheinlichkeit von an dieses Segment angeschlossenen Verbraucher und ermöglicht eine genauere Testung der an dieses Segment angeschlossenen Verbraucher. Weitere Details hierzu werden in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Stromverteilerleitung in genau 3 Segmente unterteilt ist.
Bei dieser Anzahl an Segmenten wird einerseits eine schnelle Lokalisierung einer Fehlerquelle und andererseits eine Abtrennmöglichkeit von Bereichen erreicht, die den Weiterbetrieb von wesentlichen Teilen des Fahrzeugs ermöglicht.
Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Stromverteilerleitung eine sternförmige Topologie aufweist.
Hierdurch lässt sich im Falle einer Fehlfunktion jedes Segment einzeln, unabhängig von den anderen Segmenten trennen. Bei Verwendung der sternförmigen Topologie lassen sich Bereiche, in welchen in einer Prüfung keine Fehlfunktion festgestellt wurde, nach dessen Trennung wieder an das System anschließen und weiter betreiben, selbst wenn eine Fehlfunktion in einem Segment mit höherer Priorität gefunden worden ist, können hierbei Segmente niedriger Priorität weiter betrieben werden. Beispielsweise kann, wenn ein Fehler in der für den Antrieb eingerichteten elektrischen Maschine gefunden wird und das die elektrische Maschine beinhaltende Segment getrennt wurde anschließend ein weniger hoch priorisiertes Segment mit einem Anschluss für Hochvolt-Aufbauten wieder zugeschaltet werden. Beispielsweise wird hierdurch ermöglicht, dass Ware in einem an diesen Hochvoltanschluss angeschlossenen Kühlkoffer nicht verdirbt, da dessen Kühlung besonders zuverlässig aufrechterhalten werden kann, obwohl der Antrieb des Fahrzeugs nicht mehr funktioniert. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Fahrzeug, umfassend ein Hochvolt-Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Das Fahrzeug kann insbesondere ein Nutzfahrzeug, besonders bevorzugt ein ADR- Fahrzeug zum Transport von gefährlichen Gütern sein.
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile sind bei einem Nutzfahrzeug und einem ADR-Fahrzeug zum Transport von gefährlichen Gütern besonders stark ausgeprägt.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zum Steuern eines Hochvolt-Batteriesystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: a) Überwachen eines Werts eines Isolationswiderstands des Hochvolt- Batteriesystems; b) Übermitteln des Werts des Isolationswiderstands an die Steuerungseinrichtung; c) Bestimmen der zeitlichen Änderung des Werts des Isolationswiderstands; d) Sobald die Änderung des Werts des Isolationswiderstands unter einen ersten Schwellwert fällt, Durchführen der folgenden Schritte, bis der Wert des Isolationswiderstand einen zweiten Schwellwert überschreitet: aa) Trennen von Verbrauchern von der Stromverteilerleitung, insbesondere beginnend mit Verbrauchern geringer Priorität in einem Segment geringer Priorität; und/oder bb) Trennen von Segmenten der Stromverteilerleitung, insbesondere beginnend mit Segmenten geringer Priorität; und/oder cc) Trennen von einzelnen Batterien von der Stromverteilerleitung.
Vorzugsweise kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert gleich groß sind.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner die Schritte umfasst: e) Ausschließen der Ursache der Fehlfunktion in einem Verbinden von zuvor von der Stromverteilerleitung getrennten Verbrauchern und/oder Segmenten und/oder Batterien,
Bei dem Verfahren wird der Wert des Isolationswiderstand, vorzugsweise durch einen Isolationswächter, zyklisch überwacht. Mehrere Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einem dieser Messprinzipien wird eine Spannung zyklisch moduliert und anhand des zeitlichen Verhaltens der Spannung der Wert des Isolationswidertand ermittelt.
Dieser Wert des Isolationswiderstands wird an die Steuerungseinrichtung übermittelt.
Wird eine Abnahme des Werts Isolationswidertands festgestellt, werden zur Fehlereingrenzung vorzugsweise zunächst Segmente voneinander getrennt.
Je nach Abnahmegeschwindigkeit und Wert des Isolationswiderstands werden vorab die mit diesem Segment verbundenen Verbraucher über eine Abschaltanforderung heruntergefahren. Bei einem zu niedrigen Wert des Isolationswiderstands ist jedoch auch eine Trennung unter Last möglich.
Im weiteren Verlauf des Verfahrens werden Verbraucher, beginnend von den Verbrauchern mit niedrigster Priorität, heruntergefahren oder abgeschaltet und von der restlichen Stromverteilerleitung getrennt.
Nach jeder Abschaltung und jeder Trennung wird der Wert des Isolationswidertands ermittelt. Liegt der ermittelte Wert des Isolationswiderstands weiter unter dem zweiten Schwellwert, wird das Verfahren fortgeführt.
Neben den Verbrauchern könnte die Ursache der Fehlfunktion auch im Bereich eines oder mehrerer Batterien liegen. Deswegen werden nach Abtrennen von Bereichen mit Verbrauchern und somit Reduktion der maximal möglichen Last und damit Sicherstellung, dass Batterien nicht überlastet werden, Batterien einzeln von der Stromverteilerleitung abgetrennt. Die Steuerungseinrichtung teilt dem Batteriemanagementsystem hierzu eine Abschaltanforderung mit. Üblich ist eine Abschaltanforderung mit Wartezeit, während der ein Strom unter einen Schwellwert fällt, bevor ein entsprechender Schalter geöffnet wird. Alternativ ist eine Notfallabschaltung möglich, bei der die mit der der Batterie verbundenen Schalter unter Last geöffnet werden. Das Verfahren wird so lange durchgeführt bis der Wert des Isolationswiderstands über den zweiten Schwellwert ansteigt oder lediglich dasjenige Segment der Hochvolt-Verteilerleitung angeschlossen bleibt, welches die am höchsten priorisierte Komponente enthält und der Isolationswächter sowie zwei Batterien noch angeschlossen sind. Hierbei ist zu beachten, dass jede der verbleibenden Batterien die erforderliche Leistung der am höchsten priorisierten Komponente bereitstellen kann.
Nun wird wechselseitig jeweils eine der zwei verbleibenden Batterien vom Segment und damit der Komponente getrennt, während die andere Batterie jeweils angeschlossen bleibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass möglichst viele Kombinationen in der Abschaltung berücksichtigt werden, damit die höchst priorisierte Komponente trotz des Auftretens von Fehlern oder der Verschlechterung von Werten des Isolationswiderstands funktionstüchtig bleibt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems; und
Fig. 2 eine weitere besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems mit sternförmiger Topologie.
Figur 1 zeigt schematisch eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Batteriesystems 10. Das Hochvolt-Batteriesystem 10 dient zur Versorgung von mehreren Verbrauchern 12a-12g eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist nicht explizit dargestellt und kann insbesondere ein Nutzfahrzeug, besonders bevorzugt ein ADR-Fahrzeug zur Beförderung gefährlicher Güter sein.
Das Hochvolt-Batteriesystems 10 umfasst mehrere Batterien 14a-14d zur Versorgung der Verbraucher 12a-12g mit elektrischer Energie und eine Stromverteilerleitung 16. Die Stromverteilerleitung 16 ist in ein erstes Segment 18a, ein zweites Segment 18b, ein drittes Segment 18c und ein viertes Segment 18d unterteilt. Die Segmente sind durch Schütze 20 schaltbar miteinander verbunden. Zwei Batterien 14a, 14b sind über jeweils eine eigene Verbindungsleitung 22a, 22b schaltbar an das erste Segment 18a der Stromverteilerleitung 16 angeschlossen. Zwei weitere Batterien 14c, 14d sind in gleicher Weise schaltbar an das zweite Segment 18b der Stromverteilerleitung 16 angeschlossen. In anderen Ausführungsformen können an ein am höchsten priorisiertes Segment auch mehr als zwei Batterien angeschlossen sein.
Das erste Segment 18a und das zweite Segment 18b haben somit eine eigene Stromversorgung. Das dritte Segment 18c und das vierte Segment 18d und die daran angeschlossenen Verbraucher 12e-12g sind auf die Stromversorgung über die Stromverteilerleitung angewiesen.
Zur Schaltung der Schütze 20 sind diese mit einer Steuerungseinrichtung 24 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 24 ist dazu eingerichtet, wenigstens eine Verbindung der Segmente 18a-18c im Falle einer Fehlfunktion oder eines anderen Fehlers zu trennen. Die Verbindung der Segmente 18a bis 18c sind in der hier gezeigten Ausführungsform Schütze 20. Die Trennung der Verbindung geschieht durch das Öffnen wenigstens einer der Schütze 20. Die Schütze können als Schließer oder Öffner ausgestaltet sein.
Die Steuerungseinrichtung 24 kann auf verschiedene Weise eine Information zu einer Fehlfunktion erhalten. Die dargestellte Ausführungsform umfasst einen Isolationswächter 12a zur Überwachung des Isolationswiderstands der Stromverteilerleitung 16. Der Isolationswächter 12a ist signaltechnisch mit der Steuerungseinrichtung 24 verbunden (Verbindung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt). Sobald der Isolationswächter 12a einen kritischen, d.h. zu niedrigen Wert eines Isolationswiderstands detektiert, sendet er ein Signal an die Steuerungseinrichtung 24, welche anschließend eine sequenzielle Trennung von Komponenten des Hochspanungs-Batteriesystems vornehmen kann, um die Quelle der Fehlfunktion zu lokalisieren. das Hochvolt-Batteriesystem 10 umfasst ferner ein Batteriemanagementsystem 26, mit dem die Batterien 14a-14d überwacht, geregelt und geschützt werden können. Das Batteriemanagementsystem 26 ist signaltechnisch mit der Steuerungseinrichtung 24 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 24 kann über diese Verbindung Signale an das Batteriemanagementsystem 26 zur Regelung der Batterien 14a-14d senden. Über diese Signale kann die Steuerungseinrichtung 24 unter anderem die Batterien 14a-14d von der Stromverteilerleitung 16 trennen oder die Batterien a- d mit der Stromverteilerleitung 16 verbinden.
An das erste Segment 18a ist neben dem Isolationswächter 12a eine Lenkhilfepumpe 12b angeschlossen. An das zweite Segment 18b ist ein Motor 12c über einen Inverter 13 und ein Luftpresser 12d angeschlossen. Die an das dritte Segment 18c angeschlossenen Verbraucher sind ein DC/DC-Niederspannungs-Bordnetz 12e und eine Hochvolt-Heizeinrichtung 12f . An das vierte Segment 18d ist der Hochvoltanschluss 12g für Aufbauten des Fahrzeugs angeschlossen. Alle Verbraucher 12a-12g sind schaltbar mit einem Segment 18a-18d der Stromverteilerleitung 16 verbunden, können also bei Bedarf von dieser getrennt werden. Die Trennung oder Verbindung von Verbrauchern 12a-12g erfolgt über die Steuerungseinrichtung 16.
Diese gezeigte Aufteilung der Verbraucher auf die Segmente ist lediglich ein Beispiel einer möglichen Aufteilung, bei dem die Priorität der Energieversorgung der Verbraucher 12a-12g von links nach rechts abnimmt. Bei der dargestellten Aufteilung haben der Isolationswächter 12a und die Lenkhilfepumpe 12b höchste Priorität und sind daher an das erste Segment 18a angeschlossen. Das zweite Segment 18b mit Verbrauchern hoher Priorität, der elektrischen Maschine 12c und dem Luftpresser 12d hat ebenfalls eine eigene Stromversorgung über die Batterien 14c und Md. Das dritte Segment 18c mit Verbrauchern mittlerer Priorität, dem DC/DC-Niederspannungs- Bordnetz 12e und der Hochvolt-Heizeinrichtung 12f ist lediglich indirekt über das zweite Segment 18b mit Batterien anschließbar. Der Hochvoltanschluss 12g für Aufbauten hat niedrige Priorität und ist am einfachsten von der Stromverteilerleitung 16 zu trennen.
Figur 2 zeigt ein Hochvolt-Batteriesystem, bei dem die Stromverteilerleitung 16 eine sternförmige Topologie aufweist. Grundsätzlich sind die Komponenten des Hochvolt- Batteriesystems gleich, unabhängig von dessen Topologie. Die Erläuterungen zu Figur 1 treffen daher grundsätzlich auch auf Figur 2 zu. Im Unterschied zum in Figur 1 dargestellten Hochvolt-Batteriesystem 10 zeigen bei dem Hochvolt-Batteriesystem 10 mit sternförmiger Topologie die Segmente 18a-18d von einem zentralen Knotenpunkt 30 ab. Ein besonderer Vorteil der sternförmigen Topologie besteht darin, dass die einzelne Segmente 18a-18d nicht in Reihe geschaltet sind und daher unabhängig von anderen Segmenten 18 getrennt werden können. Hierdurch ist unter anderem eine größere Flexibilität bei der Lokalisierung der Fehlfunktion und des Weiterbetriebs von Verbrauchern aus anderen Segmenten im Fall einer Fehlfunktion möglich.
Bei einem Hochvolt-Batteriesystem, bei dem die Stromverteilerleitung 16 eine sternförmige Topologie aufweist, kann eine Unterteilung in Segmente derart vorgesehen sein, dass jeder Verbraucher und jede Batterie an einem eigenen, separat trennbaren Segment angeschlossen ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass mehrere Verbraucher und/oder Batterien gleichzeitig von der Stromverteilerleitung getrennt werden müssen, wodurch eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems und einzelner Subsysteme weiter reduziert wird.
Für einen sicheren Betrieb und die Vermeidung von Schaltungen unter Last sind alle schaltbaren Elemente in allen Ausführungsformen der Erfindung grundsätzlich mit Spannungsmesseinrichtungen (nicht explizit dargestellt) ausgestattet. Die von den Spannungsmesseinrichtungen gemessenen Spannungen werden an die Steuerungseinrichtung 16 übertragen, die dazu eingerichtet ist, einen Schalter vorzugsweise nur dann zu schließen, wenn auf beiden Seiten des Schalter die gleiche Spannung anliegt oder ein Spannungsunterschied unterhalb eines als sicher eingestuften Schwellwerts liegt.
Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
Bezugszeichenliste
10 Hochvolt-Batteriesystem
12a-12g Verbraucher
12a Isolationswächter
12b Lenkhilfepumpe
12c elektrische Maschine
12d Luftpresser
12e DC/DC-Niederspannungs-Bordnetz
12f Hochvolt-Heizeinrichtung
12g Hochvoltanschluss für Aufbauten
14a-14d Batterie
16 Stromverteilerleitung
18a erstes Segment
18b zweites Segment
18c drittes Segment
18d viertes Segment
20 Schütz
22a-22d Verbindungsleitung
24 Steuerungseinrichtung
26 Batteriemanagementsystem
30 zentraler Knotenpunkt

Claims

Patentansprüche Hochvolt-Batteriesystem (10) zur Versorgung von mehreren Verbrauchern (12a-12g) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, umfassend:
- mehrere parallel zueinander geschaltete Batterien (14a-14d),
- eine durch schaltbar miteinander verbundene Segmente (18a-18d) unterteilte Stromverteilerleitung (16), wobei die mehreren Batterien (14a-14d) über eigene Verbindungsleitungen (22a-22d) schaltbar an verschiedene Segmente (18a-18d) der Stromverteilerleitung (16) angeschlossen sind;
- einen Isolationswächter (12a) zur Überwachung des Isolationswiderstands der Stromverteilerleitung (16); und
- eine mit dem Isolationswächter in Verbindung stehende Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Verbindung der Segmente (18a-18d) im Fall einer Fehlfunktion zu trennen. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 , wobei die Fehlfunktion einen unerwünschten Betriebszustands des Fahrzeugs und/oder eine Fehlfunktion eines Verbrauchers (12a-12g), und/oder eine Fehlfunktion einer Batterie (Ma- d) und/oder eine Fehlfunktion einer Verbindungsleitung (22a-22d) umfasst. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach Anspruch 1 , ferner umfassend mehrere Verbraucher (12a-12g), die an unterschiedliche Segmente (18a-18d) der Stromverteilerleitung (16) angeschlossen sind. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Batteriemanagementsystem (26) zur Überwachung, Regelung und zum Schutz der Batterien (14a- Md). Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Segmente (18a-18d) durch einen Schütz (20) miteinander schaltbar verbunden sind. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Schütz (20) als Schließer ausgestaltet ist. . Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbraucher (12a-12g) hierarchisch angeordnet sind. . Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbraucher (12a-12g) eine Lenkhilfepumpe (12b) umfassen. . Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fehlfunktion einen von dem Isolationswächter (12a) detektierbarer fehlerhafter Wert des Isolationswiderstands umfasst. 0. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Batterien (14a-14d) über eigene Verbindungsleitungen (22a- 22d) an ein Segment (18a-18d) schaltbar angeschlossen sind. 1 . Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromverteilerleitung (16) in genau 3 Segmente (18a-18d) unterteilt ist. 2. Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromverteilerleitung (16) eine sternförmige Topologie aufweist. 3. Fahrzeug, umfassend ein Hochvolt-Batteriesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 4. Verfahren zum Steuern eines Hochvolt-Batteriesystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Schritte: a) Überwachen eines Werts eines Isolationswiderstands des Hochvolt- Batteriesystems (10); b) Übermitteln des Werts des Isolationswiderstands an eine Steuerungseinrichtung (24); c) Bestimmen der zeitlichen Änderung des Werts des Isolationswiderstands; d) Sobald die Änderung des Werts des Isolationswiderstands unter einen ersten Schwellwert fällt, Durchführen der folgenden Schritte, bis der Wert des Isolationswiderstand einen zweiten Schwellwert überschreitet: aa) Trennen von Verbrauchern (12a-12g) von der Stromverteilerleitung (16), insbesondere beginnend mit Verbrauchern (12a-12g) geringer Priorität in einem Segment (18a-18d) geringer Priorität; und/oder bb) Trennen von Segmenten (18a-18d) der Stromverteilerleitung (16), insbesondere beginnend mit Segmenten (18a-18d) geringer Priorität; und/oder cc) Trennen von einzelnen Batterien (14a-14d) von der Stromverteilerleitung (16). Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert gleich groß sind.
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