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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose von Ausgangsanschlüssen einer Batterie, die eine oder mehrere Batteriezellen zum Bereitstellen einer Batteriespannung und zumindest ein Schalterelement zum Verbinden der Batteriezellen mit den Ausgangsanschlüssen aufweist, wobei die Batterie dazu eingerichtet ist, über die Ausgangsanschlüsse mit einer Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden, Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Batteriesystem und ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Windkraftanlagen, in Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, als auch im Consumer-Bereich, beispielsweise bei Laptops und Mobiltelefonen, vermehrt Batteriesysteme, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriesysteme, zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit gestellt werden.
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Dabei werden, um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, oftmals eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, wodurch ein Batteriestrang gebildet wird, der eine Batteriespannung bereitstellt. Zur Erzielung eines hohen Batteriestroms werden häufig noch zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet.
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In Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden Batteriepacks durch Leistungsschütze mit den weiteren Komponenten wie Antrieb, Zusatzgenerator, Ladestecker und so weiter verbunden. Häufig werden diese Komponenten über eine Einrichtung, insbesondere einen Zwischenkreis, gespeist, die aus der Batteriespannung eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung oder getaktete Gleichspannung erzeugt.
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Aufgrund der dabei entstehenden Lastspitzen sind solche Einrichtungen mit einer Speichereinrichtung versehen. Die Speichereinrichtung ist üblicherweise ein Kondensator, der als Zwischenkreiskapazität in einem entsprechenden, mit Ausgangsanschlüssen der Batterie angeordneten Zwischenkreis angeordnet ist. Dieser Kondensator kann beträchtliche Werte annehmen.
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Sollen also die oben genannten Komponenten mit der Batterie verbunden werden, so muss zuerst die Zwischenkreiskapazität aufgeladen werden. Erst danach kann die Komponente selbst in Betrieb genommen werden. Die Aufladung der Zwischenkreisschaltung wird üblicherweise mit Hilfe eines Lastwiderstandes realisiert. In 1 ist ein entsprechendes Batteriesystem 10 gezeigt.
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Die durch eine Anordnung von in 1 nicht explizit dargestellten Batteriezellen erzeugte Batteriespannung wird mittels eines negativen Schaltungsasts und eines positiven Schaltungsasts einem in einem Zwischenkreis 12 angeordneten Kondensator beziehungsweise der Zwischenkreiskapazität 11 zugeführt. Der Zwischenkreis 12 wird über Anschlussklemmen 16, 17 an die Batterie angeschlossen, wobei in den entsprechenden Schaltungsästen ferner Schalterelemente 13, 14, 15, insbesondere Schütze, angeordnet sind. Bei geschlossenen Vorladeschütz (Schalterelement 13) und geschlossenem negativem Hauptschütz (Schalterelement 15) wird die Zwischenkreiskapazität 11 über den Vorladewiderstand 18 aufgeladen. Nach abgeschlossener Vorladung schließt das positive Hauptschütz (Schalterelement 14) und eine an dem Zwischenkreis 12 angeschlossene (in der Zeichnung nicht explizit dargestellte) Komponente, wie beispielsweise ein Verbraucher, kann in Betrieb gehen.
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Aus der
DE 10 2010 054 211 A1 ist ein beispielhaftes herkömmliches Batteriesystem bekannt, bei dem Anschlussklemmen einer Batterie mit einer Zwischenkreiskapazität aus zwei Kondensatoren verbunden sind. Ferner ist über den Zwischenkreis ein Verbraucher an die Batterie angeschlossen.
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Um eine Gefährdung durch Hochspannung zu vermeiden, muss das Batteriesystem 10 erkennen, wenn ein Fehlerfall vorliegt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Anschlussklemmen 16 und 17 offen sind oder aufgrund eines Fehlers eine Leitungsunterbrechung zwischen den batterieseitigen Ausgangsanschlüssen 25 und 26 der Anschlussklemmen 16 und 17 besteht. In diesem Fall ist die Zwischenkreiskapazität 11, hier ein Kondensator, elektrisch nicht vorhanden.
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In diesem Fall muss ein Schließen der Hauptschütze 14, 15 vermieden werden. Die Erkennung kann beispielsweise mittels einer Interlock-Verbindung beziehungsweise einer HVIL („Hochvolt-Interlock“)-Schleife erfolgen, was auf die im Folgenden anhand 2 beschriebene Art und Weise geschieht:
Nach 2 ist in dem Hochvoltstecker 21, der die Anschlussklemmen 16, 17 umfasst, zusätzlich ein zweites Kontaktpaar 22 und 23 verbaut. Das Kontaktpaar ist somit in dem Hochvoltstecker 21 mechanisch mit den Anschlussklemmen 16 und 17 verbunden. Das Kontaktpaar 22 und 23 ist ferner in dem Batteriesystem 20 mit der HVIL-Schleife 24 verbunden, mittels der die elektrische Verbindung des Kontaktpaares 22, 23 überwacht wird. Wird der Hochvoltstecker 21 getrennt, so wird auch das Kontaktpaar 22, 23 getrennt und eine Abschaltung hervorgerufen beziehungsweise eine Zuschaltung verhindert. In der 2 sind ferner die Ausgangsanschlüsse 25, 26 bezeichnet, die den batterieseitigen Teilen der Anschlussklemmen 16, 17 entsprechen.
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Nachteilig an dem oben genannten Verfahren ist, dass eine zusätzliche Leitung, die sogenannte Interlock Leitung, beziehungsweise die HVIL-Schleife benötigt wird. Dadurch verteuert sich die Verkabelung und die Steckersysteme werden aufwändiger.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Diagnose von Ausgangsanschlüssen einer Batterie zur Verfügung gestellt, die eine oder mehrere Batteriezellen zum Bereitstellen einer Batteriespannung und zumindest ein Schalterelement zum Verbinden der Batteriezellen mit den Ausgangsanschlüssen aufweist. Die Batterie ist dazu eingerichtet, über die Ausgangsanschlüsse mit einer Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist grundsätzlich Schritte auf, bei denen das zumindest eine Schalterelement für eine definierte Zeitdauer geschlossen wird, bestimmt wird, ob das Schließen des zumindest einen Schalterelements für eine definierte Zeitdauer eine Spannungsänderung einer Messspannung, die an den Ausgangsanschlüssen anliegt, zur Folge hat, und entschieden wird, dass die Zwischenkreiskapazität ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist, falls eine Spannungsänderung der Messspannung festgestellt wurde, und/oder entschieden wird, dass die Zwischenkreiskapazität nicht ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist, falls der ermittelte Spannungsanstieg einen vorbestimmten Schwellenwert oder ein Signalrauschen nicht überschreitet.
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Ferner wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, das eine Batterie mit einer oder mehreren Batteriezellen, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, und zumindest ein zwischen den Batteriezellen und Ausgangsanschlüssen der Batterie geschaltetes Schalterelement aufweist. Dabei ist die Batterie dazu eingerichtet, über die Ausgangsanschlüsse mit einer in einem Zwischenkreis angeordneten Zwischenkreiskapazität verbunden zu werden. Ferner weist das Batteriesystem eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Batteriemanagementsystem, auf, die dazu eingerichtet ist, die Batterie derart zu steuern, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass auf einfache und sichere Art und Weise festgestellt werden kann, ob eine Komponente, hier: eine Zwischenkreiskapazität ordnungsgemäß an die Batterie angeschlossen ist, ohne dabei beispielsweise auf eine Interlock-Verbindung oder ähnliche Maßnahmen angewiesen zu sein. Andererseits kann durch die Diagnose, ob eine Komponente angeschlossenen ist, ein fälschliches Zuschalten sicher verhindert werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Durchführung des Verfahrens ein erstes Schalterelement, das mit einem positiven Ausgangsanschluss gekoppeltes ist, verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zweites Schalterelement, das mit einem negativen Ausgangsanschluss gekoppelt ist, verwendet werden. Durch geeignete Wahl der Schalterelemente kann hiermit die Sicherheit des Verfahrens entsprechend erhöht werden.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei Schalterelemente verwendet. So kann das zumindest eine zu schließende Schalterelement besonders vorteilhaft ein in einem Vorlade-Schaltungszweig der Batterie angeordnetes Schalterelement aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest eine zu schließende Schalterelement ferner ein in einem Referenzspannungszeig der Batterie angeordnetes Schalterelement umfassen.
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Damit werden zumeist schon herkömmlich vorhandene Schalterelemente mit Vorteil für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt.
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Die Länge der definierten Zeitdauer kann anhand der Größe der Zwischenkreiskapazität und/oder der Größe von zur Ermittlung der Messspannung verwendeten Messwiderstände gewählt werden.
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Bevorzugt wird das Verfahren so angewandt, dass in dem Schritt der Bestimmung einer Spannungsänderung ein Spannungsanstieg festgestellt wird. Damit kann zuverlässig auf die Aufladung beispielsweise eines im Zwischenkreis angeordneten Kondensators geschlossen werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Bestimmung der Spannungsänderung ein Vergleich eines nach Ablauf der definierten Zeitdauer gemessenen zweiten Wertes der Messspannung mit einem vor dem Schließen des Schalterelements gemessenen ersten Wert der Messspannung vorgenommen.
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Es kann aber auch ein bereits während der definierten Zeitdauer auftretender Spannungsanstieg festgestellt werden. Mit anderen Worten, es wird bei manchen Ausführungsformen ein Spannungsanstieg festgestellt, bevor das zu schließende Schalterelement wieder geöffnet wurde. Dadurch kann eine besonders hohe Flexibilität erreicht werden.
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Bevorzugt kann ein Alarmsignal ausgegeben werden, falls entschieden wurde, dass die Zwischenkreiskapazität nicht ordnungsgemäß mit der Batterie verbunden ist.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Ausgangsanschlüsse einen positiven Ausgangsanschluss und einen negativen Ausgangsanschluss umfassen. Ferner kann die Batterie eine Schaltung zu Spannungsmessung aufweisen, die einen positiven Messschaltungszweig zur Bestimmung eines an dem positiven Ausgangsanschluss vorliegenden elektrischen Potentials und einen negativen Messschaltungszweig zur Bestimmung eines an dem negativen Ausgangsanschluss vorliegenden elektrischen Potentials aufweist. Ferner kann die Batterie einen insbesondere im dem positiven Messschaltungszweig oder dem negativen Messschaltungszweig parallelgeschalten und eine Referenzspannungsquelle und einen Referenzwiderstand umfassenden Referenzspannungszweig aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor zur Verfügung gestellt, das die erfindungsgemäße Batterie aufweist, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, das Schütze zum Entkoppeln der Ausgangsanschlüsse einer Batterie, eine Vorladeschaltung, und eine Zwischenkreiskreiskapazität aufweist, nach dem Stand der Technik,
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2 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, das ferner mit einer Interlock-Schaltung versehen ist, nach dem Stand der Technik,
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3 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems, das ferner mit einer Diagnoseschaltung zur Bestimmung von Messspannungen ausgestattet ist, nach einer Ausführungsform der Erfindung, und
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4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm, das den Verlauf eines Spannungsanstiegs einer Messspannung während des geschlossenen Zustands eines erfindungsgemäßen Schalterelementes zeigt, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 3 wird ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 30 nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Batteriesystem 30 weist mehre Batteriezellen 40 auf, die in einem Batteriepack miteinander verschaltet sind und eine Batteriespannung UPack liefern. Wie in der 3 gezeigt wird, wird die Batteriespannung UPack über einen positiven Schaltungszweig 41 und einem negativen Schaltungszweig 42 einem positiven Batterieterminal beziehungsweise einem positiven Ausgangsanschluss 25 und einem negativen Batterieterminal beziehungsweise einem negativen Ausgangsanschluss 26 zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 sind die Ausgangsanschlüsse 25, 26 in einem batterieseitigem Teil eines Hochvoltsteckers angeordnet, der die Anschlussklemmen 16 und 17 aufweist. Über diesen Hochvoltstecker kann der Zwischenkreis 12, der hier als Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt ist, mit der Batterie verbunden werden. Mit anderen Worten, der Zwischenkreis 12 kann durch Öffnen des Hochvoltsteckers beziehungsweise durch Öffnen der Anschlussklemmen 16 und 17 von der Batterie getrennt werden, so dass die Anschlussklemmen 16 und 17 offen sind und die Batteriespannung UPack, die beispielsweise mehrere hundert Volt betragen kann, offen an den Ausgangsanschlüssen 25 und 26 anliegt.
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Dies kann eine Gefährdung beispielsweise für Wartungspersonal bedeuten. Ferner ist ein Fehlerfall denkbar, bei dem eine Anschlussleitung zwischen den Ausgangsanschlüssen 25 und 26 durchtrennt ist. Ferner ist auch ein Fehlerfall denkbar, bei dem der Hochvoltstecker mit den Anschlussklemmen 16 und 17 zwar geschlossen ist, jedoch die Zwischenkreiskapazität 11, hier ein Glättungskondensator, fehlt, so dass eine ordnungsgemäße Funktion des Batteriesystems 30 nicht gewährleistet ist und insbesondere auch eine angeschlossene Verbraucher-Komponente (in der Zeichnung nicht dargestellt) Schaden leiden kann.
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Um einen Fehlerfall und die Gefährdung durch Hochspannung zu vermeiden, muss das Batteriesystem 30 erkennen, ob ein Fehlerfall vorliegt.
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Ein Hochvoltsystem, wie das in 3 dargestellte Batteriesystem 30, verfügt ferner aus Sicherheitsgründen über zwischengeschaltete Schalterelemente 14, 15, hier zwei Hochvoltschalter. Ferner ist, wie in der 3 gezeigt, eine Schaltung zur Spannungsmessung integriert. Über die Messwiderstände 32 und 33 sowie die Widerstände 34 und 35 kann die an den Hochvoltanschlüssen beziehungsweise den Ausgangsanschlüssen 25, 26 anliegende Spannung gemessen werden. Hierzu sind ferner noch zusätzliche Schaltungsteile, wie das Schalterelement 37 und der Widerstand 38 vorhanden, die für Diagnosen verwendet werden. Die Messwiderstände 32 und 33 sind zwischen den positiven Schaltungszweig 41 der Batterie und Masse 39 geschaltet, und die Messwiderstände 34 und 35 sind zwischen den negativen Schaltungszweig 42 und Masse 39 geschaltet. Das Batteriesystem 30 verfügt in der hier gezeigten Ausführungsform ferner auch über eine Spannungsquelle 36 zur Erzeugung einer Referenzspannung Uref.
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Damit kann eine Bestimmung von batterieinternen Messspannungen Ulink_pos und Ulink_neg, die ein Maß für die an den Ausgangsanschlüssen 25 und 26 anliegende Spannung U sind, erfolgen. Die Erfindung ist aber nicht auf diese besondere Ausführungsform beschränkt. So kann die Spannung U an den Ausgangsanschlüssen 25, 26 auch auf eine andere geeignete Art und Weise bestimmt werden.
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Eine Aufladung der Zwischenkreiskapazität 11 erfolgt über die Vorladeschaltung mit einem weiteren Schalterelement 13, hier ein Vorladeschütz, und einem Vorladewiderstand 18.
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Erfindungsgemäß geschieht eine Diagnose der Ausgangsanschlüsse 25, 26 durch Spannungsmessungen, mit denen festgestellt werden kann, ob die Zwischenkreiskapazität 11 ordnungsgemäß angeschlossen ist oder nicht. Dabei wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine zusätzliche Leitung, insbesondere nicht eine sogenannte Interlock Leitung, und keine HVIL-Schleife, benötigt. Dadurch können das Batteriesystem erheblich einfacher gestaltet werden und Kosten eingespart werden.
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In einem ersten Schritt des Verfahrens werden einer oder mehrere Schalterelemente für eine definierte beziehungsweise vorbestimmte Zeitdauer geschlossen, so dass ein Stromkreis geschlossen wird, in dem die Batteriezellen 40 und die Zwischenkreiskapazität 11 angeordnet sind. Gemäß der hier diskutierten Ausführungsform werden dazu das Schalterelement 13, das als Vorladeschütz fungiert, sowie das Schalterelement 37, das in dem Referenzspannungszweig angeordnet ist, geschlossen.
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Hierdurch lädt sich der als Zwischenkreiskapazität 11 fungierende Kondensator über den Vorladewiderstand 18, über die Widerstände 34, 35, 38, und über den Innenwiderstand der Spannungsquelle 36 gemäß e1/τ auf, wobei mit τ die Zeitkonstante der Schaltung bezeichnet wird.
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Das Schließen des Schalterelements 37 und damit die Zuschaltung des Widerstands 38 und dem Innenwiderstand der Spannungsquelle 36 ist für das Verfahren nicht zwingend erforderlich, es beschleunigt jedoch die Aufladung des als Zwischenkreiskapazität 11 fungierenden Kondensators. Für die hier gezeigte Ausführungsform und das damit durchgeführte Verfahren ist es also auch möglich, dass die Spannungsquelle 36, das Schalterelement 37 und der Widerstand 38 nicht vorhanden sind.
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Nach Öffnen des Schalterelements 13, das heißt des Vorladeschützes kann eine höhere Spannung am Kondensator beziehungsweise der Zwischenkreiskapazität 11 und damit zwischen den Ausgangsanschlüssen 25, 26 nachgewiesen werden.
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Die Messwiderstände 32, 33, 34, 35 liegen üblicherweise im Bereich mehrerer hundert kΩ. Der daraus resultierende Strom ist daher so gering, dass in der erwarteten Expositionszeit keine Gefahr für den Mensch besteht.
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Die Zeitdauer, für die das Vorladeschütz beziehungsweise das Schalterelement 13 geschaltet werden muss, richtet sich hier im Wesentlichen nach der Größe der Zwischenkreiskapazität und der Größe der Messwiderstände 34 und 35. Üblicherweise werden Zwischenkreiskapazitäten im Bereich von 500 μF bis 1500 μF eingesetzt.
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Erfindungsgemäß kann eine Spannungsänderung an der Zwischenkreiskapazität 11 angenommen werden, wenn sie das Signalrauschen übersteigt.
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Der Spannungsanstieg kann für kleine Spannungsänderungen als linear angenommen werden. Dies zeigt anschaulich das in 4 dargestellte Diagramm, wobei in der 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm gezeigt wird, das den Verlauf eines Anstiegs einer erfindungsgemäßen Messspannung U während des geschlossenen Zustands eines erfindungsgemäßen Schalterelementes 13 und 37, wenn vorhanden, zeigt.
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Dabei ist die Erfindung nicht auf ein Schließen eines Vorladeschützes beschränkt. So gibt es auch Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen während der definierten Zeitdauer ein Hauptschütz, beispielsweise das Schalterelement 14, geschlossen wird.
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In einer beispielhaften Anwendung wird mit etwa mit 1,1 V/s gemessen. Damit kann bereits nach etwa 500 ms eine angeschlossene Zwischenkreiskomponente mit Zwischenkreiskapazität 11 erkannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054211 A1 [0008]
