DE102011106855A1

DE102011106855A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz einer Traktionsbatterie

Info

Publication number: DE102011106855A1
Application number: DE102011106855A
Authority: DE
Inventors: Andreas Minke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: DE102011106855B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung (50) für eine Traktionsbatterie (10) eines Fahrzeugs (100), mit einer Abschalteinrichtung (1), einer mit der Abschalteinrichtung (1) in Reihe verbundene, selektive Abschalteinrichtung (2), die eingerichtet ist, um bei Überschreitung eines vordefinierten Stroms oder bei Vorliegen eines Schaltsignals (22) eine elektrische Verbindung zu trennen. Weiterhin vorgesehen ist ein Stromsensor (3), mit dem ein Stromsignal (13) bereitstellbar ist und ein Steuergerät (4), das die Abschalteinrichtung (1) und die selektive Abschalteinrichtung (2) in Abhängigkeit von Fahrzeugzuständen und dem Stromsignal (13) ansteuert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schutz einer Traktionsbatterie (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz einer Traktionsbatterie.
Elektro- oder Hybridfahrzeuge sind in der Regel mit mindestens einer Traktionsbatterie ausgestattet, die die für den Antrieb erforderliche Energie bereitstellen oder im Falle von bestimmten Hybridfahrzeugen, den Antrieb durch elektrische Energie unterstützen. Um die Traktionsbatterie im Fahrzeug sicher von dem Antriebsstrang und ggf. von vorhandenen, weiteren Verbrauchern zu trennen, werden beispielsweise batterienah angeordnete Schütze eingesetzt. Sind die Schütze geöffnet, kann keine gefährliche Spannung an den weiteren Bauteilen des geöffneten Stromkreises auftreten bzw. auch kein Strom fließen. Sofern im Betrieb ein unzulässig hoher Strom auftritt, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses im Antriebsstrang, sorgt eine mit der Batterie in Reihe geschaltete Schmelzsicherung für eine Auftrennung des Stromkreises und somit zu einer Abtrennung der Batterie von dem weiteren Stromkreis.
Die zur Trennung von Gleichstrom eingesetzten Schütze sind relativ teuer und benötigen einen gewissen Bauraum. Die weiterhin zum Einsatz kommenden Schmelzsicherungen weisen eine systembedingte Trägheit auf, die zu einer Auslöseverzögerung führt, die in vielen Fällen als zu lang angesehen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung für eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs vorzuschlagen, die im Betrieb eine effektive und schnelle Trennung der Traktionsbatterie von Verbrauchern erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzvorrichtung für eine Traktionsbatterie eines Fahrzeugs,

– mit einer Abschalteinrichtung, insbesondere einem Schütz, und
– eine mit dem Schütz in Reihe verbundene, selektive Abschalteinrichtung, insbesondere ein Sicherungsautomat, die bei Überschreitung eines durch die selektive Abschalteinrichtung fließenden, definierten Stroms abschaltet, wobei die selektive Abschalteinrichtung alternativ auch durch ein Schaltsignal abschaltbar ist und
– einem Stromsensor, mit dem ein Stromsignal bereitstellbar ist und
– einem Steuergerät, das die Abschalteinrichtung und die selektive Abschalteinrichtung in Abhängigkeit von Fahrzeugzuständen und dem Stromsignal ansteuert.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Schutz einer Traktionsbatterie gemäß Anspruch 7.
Die vorgeschlagene Schutzvorrichtung bietet den Vorteil, dass mit dem erfassten Stromsignal durch das Steuergerät entschieden werden kann, ob eine Trennung der Traktionsbatterie von Verbrauchern beispielsweise durch ein Schütz oder durch eine selektive Abschalteinrichtung vorgenommen werden soll. Die Entscheidung des Steuergeräts basiert dabei auf Algorithmen, die die entsprechende Fahrzeug und Bordnetzsituation berücksichtigen. So kann anhand von hinterlegten Abschaltkennlinien entschieden werden, ob ein über die Kontakte geführter Strom von der Abschalteinrichtung sicher abgeschaltet werden kann oder ob hierzu die selektive Abschalteinrichtung angesteuert werden muss. Die Abschalteinrichtung ist beispielsweise als Schütz ausgeführt, welches in der Regel auf einen niedrigen Übergangswiderstand im Betrieb ausgelegt, jedoch nicht auf eine Gleichstromtrennung optimiert ist. Die selektive Abschalteinrichtung ist beispielsweise auf eine einmalige, sichere Trennung ausgelegt, so dass das entsprechende Schaltsignal nur in entsprechend dringlichen Situationen oder Notsituation erzeugt wird. Sofern durch das Steuergerät entschieden wird, dass eine Abschaltung durch die Abschalteinrichtung erfolgen soll, so kann auch zusätzlich noch ein Schaltsignal für die selektive Abschalteinrichtung erzeugt werden. Dieses kann insbesondere notwendig werden, wenn die Abschalteinrichtung den entsprechenden Strom nicht abschalten kann. Die Abschalteinrichtung weist hierzu eine Spannungserfassung über den Schaltkontakten auf. Wenn das Steuergerät entscheidet, dass eine Abschaltung über die Abschalteinrichtung erfolgen soll, so besteht in der Regel eine große Wahrscheinlichkeit, dass die Wiedereinschaltung möglich ist. Erfolgt die Abschaltung über die selektive Abschalteinrichtung und ist diese auf eine einmalige Trennung des Stromkreises ausgelegt, so ist die Wiedereinschaltung nicht möglich. Dieses bedingt, dass der Traktionsstromkreis, der zumindestens die Traktionsbatterie enthält, die Traktionsumrichter und der oder die Antriebsmotoren durch Fachpersonal auf Fehlerfreiheit geprüft bzw. instandgesetzt werden muss. Im Falle eines Kurzschlusses ist dieses sehr sinnvoll, da ein Wiedereinschalten einen erneuten hohen Stromfluss zur Folge hat, mit der Gefahr, dass dieser ggf. nicht oder nur schwer abschaltbar ist. Als Abschalteinrichtungen können alternativ auch Halbleiterschalter oder Halbleiterschütze zum Einsatz kommen.
Wenn die Abschalteinrichtung an einem Batteriepol, insbesondere an dem Pluspol, und die selektive Abschalteinrichtung an dem anderen Batteriepol, insbesondere an dem Minuspol, angeordnet ist, kann in einem Kurzschluss- Überschlag- oder Crashfall des Fahrzeugs die Batterie durch die erfindungsgemäße Anordnung allpolig von dem nachfolgenden Stromkreis getrennt werden.
Im Gegensatz zu einer Schmelzsicherung, die aufgrund der thermischen Trägheit eine gewisse Zeit bis zur Auslösung benötigt, kann das Steuergerät unmittelbar bei Vorliegen einer Unterbrechungsanforderung des Stromkreises eine Auslösung veranlassen. Eine derartige Bedingung kann beispielsweise bei Detektion eines Crash- oder eines Überschlagsignals vorliegen. Dieses führt zu einer schnellen Reaktionszeit. Weiterhin erfolgt eine Abschaltung durch die selektive Abschalteinrichtung, sofern ein definierter Abschaltstrom erreicht ist. Durch diese Anordnung kann eine Abschalteinrichtung, beispielsweise ein Schütz, gegenüber den bisherigen Lösungen eingespart werden, da durch die selektive Abschalteinrichtung eine stromsensitive Abschaltung als auch eine gesteuerte Abschaltung erreichbar ist. Sollte eine Auftrennung des Stromkreises durch eine Abschalteinrichtung gefährdet oder nicht erfolgreich sein, ist weiterhin eine Abschaltredundanz durch die selektive Abschalteinrichtung gegeben. Eine Schmelzsicherung kann nicht durch ein Signal des Steuergeräts ausgelöst werden, sondern reagiert auf die vorliegende Stromkreissituation. Weiterhin nachteilig an Schmelzsicherungen ist in der Regel, dass diese toleranzbehaftet sind und dementsprechende Schwankungen in der Auslösung aufweisen.
Sofern das Steuergerät weiterhin die Spannung und/oder den Spannungsabfall über der Abschalteinrichtung überwacht, können beispielsweise verschmolzene Kontakte oder eine Spannung beim Abschalten (Lichtbogenspannung) der Abschalteinrichtung erfasst werden. Da für diesen Zustand die Abschalteinrichtung nicht mehr sicher abschalten kann, kann jederzeit eine durch das Steuergerät ausgelöste Abschaltung erreicht werden, indem die selektive Abschalteinrichtung durch ein Schaltsignal angesteuert wird.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist eine Verschaltung einer Traktionsbatterie mit zwei Abschalteinrichtungen, einer Sicherung sowie einem Steuergerät mit angeschlossenem Stromsensor dargestellt.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine Traktionsbatterie dargestellt, die eine Abschalteinrichtung, eine abschaltbare selektive Abschalteinrichtung und einen an einen Batteriemanager angeschlossenen Stromsensor zeigt.
3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine Traktionsbatterie mit der Möglichkeit eine allpolige Trennung der Traktionsbatterie zu erzielen.
4 zeigt ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung. In 1 sind die Abschalteinrichtungen (1, 11) beispielsweise als Schütze ausgeführt, die eine Traktionsbatterie (10) allpolig von einem an die Abschalteinrichtungen (1, 11) angeschlossenem Verbraucher oder einem Verbrauchernetz (nicht dargestellt) trennen können. Als ein Verbraucher gilt im Sinne dieser Anmeldung auch ein elektrischer Antrieb (50) des Fahrzeugs (100). Zum Schließen oder zur Trennung erhalten die Abschalteinrichtungen (1, 11) Schaltsignale (20, 21) von einem Steuergerät (4), das beispielsweise als Batteriemanager der Traktionsbatterie (10) fungiert. Der Batteriemanager übernimmt beispielsweise die Laderegelung und überwacht die Traktionsbatterie (10) auf ihren Energieinhalt und ihre Funktionsfähigkeit. Über einen in Reihe mit der Traktionsbatterie (10) angeschlossenen Stromsensor (3) erfasst das Steuergerät (4) den aus der Traktionsbatterie (10) fließenden Strom und leitet ein Stromsignal (13) zum Steuergerät (4).
In einem Fahrzeug (100), beispielsweise einem Elektrofahrzeug oder auch einem Hybridfahrzeug, wird die Traktionsbatterie (10) beispielsweise zugeschaltet, sobald der Fahrer das Antriebsbordnetz aktiviert. Das Fahrzeug kann dann über den entsprechenden Fahrwunsch, beispielsweise die Betätigung eines Gaspedals, über einen elektrischen Antrieb (10) bewegt werden.
Tritt ein Fehlerfall auf, bei dem die Traktionsbatterie (10) vom restlichen elektrischen Antriebskreis zu trennen ist, steuert das Steuergerät (4) die Abschalteinrichtungen (1, 11) über Schaltsignale (20, 21) zur Abschaltung der Traktionsbatterie (10) an. Sofern der Fehlerfall zu einem ansteigenden Strom aus der Traktionsbatterie (10) führt, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses im Verbrauchernetz oder dem elektrischen Antrieb (60), so löst die mit der Traktionsbatterie (10) in Reihe geschaltete Sicherung (5) bei Erreichen vordefinierter Stromwerte aus und trennt den Stromkreis durch Unterbrechung der Sicherung (5). Die Stromwerte sind durch die Dimensionierung und Auswahl der Sicherung (5) starr vorgegeben.
Damit die Sicherung (5) nicht im Normalbetrieb auslöst, ist eine Dimensionierung ausreichend entfernt vom maximalen Betriebsstrom vorzusehen. Bei der Auslegung sind ebenfalls alterungsbedingte Veränderungen der Auslöseeigenschaften der Sicherung (5) über der Fahrzeuglebens- oder Fahrzeugbenutzungsdauer zu berücksichtigen, die die Unsicherheit bezüglich des Auslösestroms erhöhen. Da die Sicherung (5) im Falle einer Schmelzsicherung eine thermische Trägheit aufweist, muss der Strom eine gewisse Zeit lang im Auslösebereich liegen, um ein Schmelzen des elektrischen Leiters in der Sicherung (5) hervorzurufen. Dieses führt wiederum dazu, dass leistungsfähigere Gleichstromschütze mit größerer Stromtragfähigkeit eingesetzt werden, die größere Kontakte und somit auch eine größere Masse aufweisen. Die Schmelzsicherung (5) weist daher systembedingt eine gewisse Trägheit auf.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine Traktionsbatterie (10) mit einer Abschalteinrichtung (1), einer abschaltbaren selektiven Abschalteinrichtung (2) und einen elektrisch in Reihe mit der Traktionsbatterie (10) befindlichen Stromsensor (3), der ein Stromsignal (13) an das Steuergerät (4) übermittelt. Die abschaltbare, selektive Abschalteinrichtung (2) kann dabei beispielsweise als Sicherungsautomat, auch Leitungsschutzschalter genannt, ausgeführt sein, wobei erfindungsgemäß zusätzlich eine Auslösung durch ein Schaltsignal (22) an der selektiven Abschalteinrichtung (2), in diesem Beispiel also am Sicherungsautomat, möglich ist. Dies bedeutet, dass durch das Anlegen eines Schaltsignals (22), beispielsweise durch Anlegen eines Spannungspegels von mindestens 5 V oder mindestens 12 V an dem Sicherungsautomaten eine Auslösung vorgenommen wird, d. h. eine Auftrennung der elektrischen Verbindung initiiert wird. Es ist auch denkbar, dass durch Bestromung einer in der selektiven Abschalteinrichtung installierten Spule ein Anker betätigt wird, der eine Auslösung, d. h. Trennung, der selektiven Abschalteinrichtung (2) bewirkt. Durch das Steuergerät (4) kann also je nach Fahrzeug- oder Fehlersituation eine aktive Abschaltung der Traktionsbatterie (10) erfolgen. Zusätzlich kann die Abschalteinrichtung (1), beispielsweise als Schütz ausgeführt, eine weitere Stromkreisunterbrechung herbeiführen. Eine in das Steuergerät (4) integrierte oder separat ausgeführte Spannungserfassung erfasst ein Spannungssignal (14), um zusammen mit den Fahrzeugzuständen und/oder dem Stromsignal (13) auf verschmolzene Schaltkontakte der Abschalteinrichtung (1) zu schließen. In diesem Fall ist eine kontrollierte Abschaltung mit der Abschalteinrichtung (1, 11) nicht mehr möglich. Als Fahrzeugzustände werden im Sinne dieser Anmeldung beispielsweise verstanden, ob das Fahrzeug (100) steht oder fährt oder ob sich das Fahrzeug (100) in einer Crash-Situation befindet, d. h. ob ein Crash-Signal ausgelöst wurde oder ob sich das Fahrzeug (100) in einer Überschlagssituation befindet oder ob sich das Fahrzeug (100) in einer Situation befindet, die eine Abschaltung der Traktionsbatterie (10) erfordert oder die als Abschaltsituation der Traktionsbatterie (10) definiert wurde. Die Spannungserfassung kann auch in den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 3 und 4 enthalten sein, ist jedoch zur Vereinfachung der Figuren nicht in 1, 3 und 4 dargestellt.
In 3 ist die selektive Abschalteinrichtung (2) beispielsweise am elektrischen Pluspol der Traktionsbatterie (10) angeschlossen und ein Schütz als Abschaltvorrichtung (1) an dem elektrischen Minuspol. Es ist auch möglich, die genannten Abschalteinrichtungen (1, 2), am jeweils anderen Batteriepol anzuordnen. Diese Anordnung erlaubt vorteilhaft, dass im Fehlerfall bei Bedarf auch eine allpolige Trennung durch das Steuergerät (4) möglich ist. Bei Vorliegen eines Crashsignals kann es beispielsweise in der vorliegenden Verschaltung sinnvoll sein, eine allpolige Trennung der Traktionsbatterie (10) vorzunehmen, um sämtliche Leitungen des Antriebsbordnetzes spannungsfrei zu schalten. Die Traktionsbatterie (10) ist dann von dem elektrischen Antrieb (60) als auch einem gegebenenfalls angeschlossenem Verbrauchernetz getrennt. Das Verbrauchernetz kann als ein konventionelles 12 V Kraftfahrzeugbordnetz ausgeführt sein. Das Crashsignal wird dem Steuergerät (4) durch im Fahrzeug (100) vorhandene und nicht in den Figuren dargestellte Datenbusverbindungen übermittelt.
4 zeigt ein Fahrzeug (100) mit einem elektrischen Antrieb (60). Der Antrieb (60) wird über eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung (50) an die Traktionsbatterie (10) des Fahrzeugs (100) angeschlossen. Zu dem in 4 dargestellten elektrischen Antrieb (60) gehört auch eine nicht dargestellte Leistungselektronik und Antriebsregelung des Fahrzeugs (100). Der elektrische Antrieb (60) des Fahrzeugs (100) kann über einzelne angetriebene Räder oder achsweise oder alle Räder des Fahrzeugs (100) antreiben. Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung (50) kann einmal im Fahrzeug (100) vorhanden sein oder sie kann pro einzelner Antriebsvorrichtung vorgesehen sein.
Mit der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung (50) für eine Traktionsbatterie (10) eines Fahrzeugs (100) mit einer Abschalteinrichtung (1) und einer selektiven Abschalteinrichtung (2) mit externer Abschaltmöglichkeit durch ein Schaltsignal (22) ist es somit vorteilhaft möglich, für Traktionsbatterien (10) eine Redundanz bei der Abschaltung bei gleichzeitig reduziertem Bauteileinsatz zu erreichen. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, die selektive Abschalteinrichtung (2) je nach Fahrsituation durch ein durch das Steuergerät (4) übermitteltes Schaltsignal (22) auszulösen.

Claims

Schutzvorrichtung (50) für eine Traktionsbatterie (10) eines Fahrzeugs, mit einer Abschalteinrichtung (1), eine mit der Abschalteinrichtung (1) in Reihe verbundene, selektive Abschalteinrichtung (2), eingerichtet um bei Überschreitung eines vordefinierten Stroms oder bei Vorliegen eines Schaltsignals (22) eine elektrische Verbindung zu trennen und mit einem Stromsensor (3), mit dem ein Stromsignal (13) bereitstellbar ist und einem Steuergerät (4), das die Abschalteinrichtung (1) und die selektive Abschalteinrichtung (2) in Abhängigkeit von Fahrzeugzuständen und dem Stromsignal (13) ansteuert.
Schutzvorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (1) eine Spannungserfassung über den Schaltkontakten aufweist.
Schutzvorrichtung (50) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschalteinrichtung (1) mit einem elektrischen Pol der Traktionsbatterie (10), insbesondere dem Batteriepluspol, und die selektive Abschalteinrichtung (2) mit dem anderen elektrischen Pol der Traktionsbatterie (10), insbesondere dem Minuspol, verbunden ist.
Schutzvorrichtung (50) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines Crash-, Überschlag- oder Kurzschlusssignals die Traktionsbatterie (10) durch die Abschalteinrichtung (1) und die selektive Abschalteinrichtung (2) allpolig von einem Stromkreis, insbesondere einem elektrischen Antrieb (60) des Fahrzeugs (100), trennbar ist.
Schutzvorrichtung (50) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) die Spannung über den Schaltkontakten der Abschalteinrichtung (1) überwacht und abhängig von der erfassten Spannung, das Schaltsignal (22) für die selektive Abschalteinrichtung (2) erzeugt.
Schutzvorrichtung (50) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (4) verschmolzene Kontakte der Abschalteinrichtung (1) in Abhängigkeit des Schaltsignals (22) und des Stromsignals (13) erkennt.
Verfahren zum Schutz einer Traktionsbatterie (10) eines Fahrzeugs (100), wobei ein durch eine Traktionsbatterie (10) fließender Strom durch einen Stromsensor (3) erfasst und ein Stromsignal an ein Steuergerät (4) bereitgestellt wird (13), wobei eine selektive Abschalteinrichtung (2), die eingerichtet ist, um sowohl bei Überschreiten eines vordefinierten Stroms als auch bei Vorliegen eines Schaltsignals (22) eine elektrische Verbindung der Traktionsbatterie (10) aktiv zu trennen, in Abhängigkeit von Fahrzeugzuständen des Fahrzeugs (100) und dem Stromsignal (13) durch das Steuergerät (4) angesteuert wird, um eine Verbindung der Traktionsbatterie (10) mit einem elektrischen Antrieb (60) des Fahrzeugs (100) aktiv zu unterbrechen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Abschalteinrichtung (1) angesteuert wird, wobei die Traktionsbatterie (10) durch die Abschalteinrichtung (1) und die selektive Abschalteinrichtung (2) allpolig von dem elektrischen Antrieb (60) des Fahrzeugs (100) getrennt wird.