DE102011121604A1

DE102011121604A1 - Kurzschluss- und Überstromsicherung

Info

Publication number: DE102011121604A1
Application number: DE102011121604A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lemke; Dirk Weber
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-12-17
Filing date: 2011-12-17
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-18
Also published as: DE102011121604B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schützen eines elektrischen oder elektronischen Systems, insbesondere eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, vor einem elektrischen Überstrom und/oder Kurzschluss. Vorgesehen werden zumindest ein Messmittel (1) zur Messung eines durch das System fließenden Betriebsstroms, ein Schutzschalter (2) zur Stromunterbrechung und ein Steuergerät (3) zum Auslösen des Schutzschalters (2). Mittels des Steuergerätes (3) wird ein vom Messmittel (1) oder/und vom Steuergerät (3) ermittelter Istwert eines Stromanstiegs des Betriebsstroms mit einem ersten Sollwert verglichen, wobei der erste Sollwert als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems entsprechend durch das Steuergerät (3) dynamisch eingestellt ist, und das Steuergerät (3) den Schutzschalter (2) zur Unterbrechung des Betriebsstroms auslöst, wenn der Istwert des Stromanstiegs den ersten Sollwert übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Verfahren zum Schützen eines elektrischen oder elektronischen Systems, insbesondere eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, vor einem elektrischen Überstrom und/oder Kurzschluss.
Hochvoltbatteriesysteme mit Lithium-Ionen-Batterien finden heutzutage in Elektro- oder Hybridfahrzeugen immer mehr Anwendungen. Die Hochvoltbatterie als eine Stromquelle könnte beim elektrischen Kurzschluss einen sehr hohen Überstrom erzeugen. Ein Optimierungsansatz für das Hochvoltbatteriesystem ist die Minimierung des Innenwiderstandes, um den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Dies erhöht in nachteiligerweise den Kurzschlussstrom. Ein Schutzelement, das das Hochvoltbatteriesystem vor einem Kurzschluss schützt, ist dann so zu dimensionieren bzw. konstruieren, dass das Schutzelement selber bei maximalem Kurzschlussstrom sicher funktioniert und nicht zerstört wird. Da durch die Optimierung des Innenwiderstandes der Kurzschlussstrom sehr hoch wird und ein Vielfaches des maximalen Betriebsstromes betragen kann, muss das Schutzelement aus Sicht des Betriebsstromes überdimensioniert werden. Das führt zu erheblichen Mehrkosten.
Um den Kurzschlussstrom beherrschen bzw. unterbrechen zu können, setzt ein Hochvoltbatteriesystem derzeit auf eine Kombination aus einer elektrischen Sicherung und einem oder mehreren elektrischen Schutzschaltern. Dabei wird im Regelfall ein höherer Kurzschlussstrom durch die Sicherung abgeschaltet und ein kleinerer Überstrom durch den oder die Schutzschalter abgeschaltet.
Die DE 41 11 831 A1 beschreibt ein Verfahren zur Auslösung eines elektrischen Schalters in einem Wechsel- und Drehstromnetz, um einen Überstrom rasch abzuschalten und vorzugsweise einen Kurzschlussstrom strombegrenzend abzuschalten. Dabei werden ein aktueller Strom und dessen Stromgradient in jedem Strompfad gemessen und dann jeweils durch einen Multiplizierer zu einem Wertepaar verknüpft. Das Wertepaar wird als ein Ausgangsignal des Multiplizierers an einen Rechner versandt und dort mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Einen Stromgradient so auszunutzen, dass ein Kurzschluss frühzeitig erkannt werden kann, ist hier nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Sicherheit eines elektrischen oder elektronischen Systems, insbesondere eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, zu verbessern, um eine potentielle Kurzschlussgefahr frühzeitig zu erkennen und dann zu unterbinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen ungewöhnlich hohen Stromanstieg (Stromgradient) als einen Indikator oder ein Anzeichen für einen kommenden Kurzschluss zu verwenden, weil der Stromanstieg anzeigt, wie schnell der Strom seinen maximalen Stromwert erreicht. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Schützen eines elektrischen oder elektronischen Systems, insbesondere eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, vor einem elektrischen Überstrom und/oder Kurzschluss vorgesehen. Zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Vorrichtung zumindest ein Messmittel, z. B. einen Stromsensor, zur Messung eines durch das System fließenden Betriebsstroms, einen Schutzschalter zur Stromunterbrechung und ein Steuergerät zum Auslösen des Schutzschalters. Mittels des Steuergerätes wird ein vom Messmittel oder/und vom Steuergerät ermittelter Istwert eines Stromanstiegs des Betriebsstroms, also eines Stromgradienten, mit einem ersten Sollwert verglichen, wobei der erste Sollwert als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms durch das Steuergerät dynamisch eingestellt wird und einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems entspricht. Ein Stromanstieg, der größer als dieser Wert ist, stellt einen Indikator für einen Kurzschluss oder einen Überstrom dar. Dadurch dass ein Stromanstieg des Betriebsstroms rechtzeitig erkannt wird, kann der Schutzschalter bereits geöffnet werden, bevor der Betriebsstrom dessen maximal zulässige Stromstärke erreicht. Da der erste Sollwert, nämlich der maximal zulässige Stromanstieg der Auslegung und/oder der aktuellen Stromanforderung des Systems entsprechend eingestellt wird, können Bauteile und Komponenten des Systems im Bezug auf deren Größe, Gewicht und Kosten ebenfalls optimiert bzw. konstruiert werden. Sind mehrere Schutzschalter im Hochvoltbatteriesystem verbaut, so ist ein Schutzschalter immer unabhängig von den anderen abschaltbar, wodurch die Bauteilbelastung beim Abschalten dann auf alle Schutzschalter verteilt wird.
Neben der dynamischen Anpassung an der Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems kann der erste Sollwert zusätzlich zur Fehlererkennung für das Messmittel entsprechend einer elektrischen Induktivität des Systems eingestellt werden. Hier kann der erste Sollwert gleichzeitig für die zwei Kriterien kombinierend angepasst werden. Alternative dazu, kann ein neuer Sollwert, der einen technisch möglichen Stromanstieg repräsentiert, zusätzlich zu dem ersten Sollwert separat eingestellt werden. Wird ein Stromanstieg erkannt, der noch größer liegt als dieser neue Sollwert, also der technisch mögliche Stromanstieg, bedeutet es, dass keine plausiblen Daten vom Messmittel gemessen werden, d. h., ein Fehler am Messmittel aufgetreten ist. Die Sicherheit für das Messmittel bzw. das System wird somit durch Überwachung der vom Messmittel gemessenen Daten über den Stromanstieg erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine elektrische Sicherung mit dem Schutzschalter elektrisch seriell verbunden. Übersteigt ein Istwert des Betriebsstroms einen zweiten Sollwert, der einem maximalen Betriebsstrom des Systems entspricht, wird die Sicherung zum Schützen des Systems unabhängig vom Schutzschalter geöffnet. Der maximale Betriebsstrom ist ein fester Wert und ergibt sich z. B. aus der Auslegung des Hochvoltbatteriesystems. Dieser Wert kann in die auf dem Steuergerät laufenden Funktionen integriert werden. Dabei kann eine Kurzschlussgefahr durch die Sicherung ebenfalls ausgeschlossen werden, auch wenn der Stromanstieg sehr groß ist, nämlich der Strom dramatisch steil steigt, oder der Schutzschalter nicht mehr funktioniert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Sicherung für den Schutz des Systems vor einem Kurzschluss und der Schutzschalter vor einem Überstrom vorgesehen werden, wobei der erste Sollwert kleiner als der zweite Sollwert eingestellt ist. D. h., ein sehr hoher Kurzschlussstrom wird durch die Sicherung abgeschaltet, während ein keineren Überstrom durch den Schutzschalter abgeschaltet wird. Dies kann funktionell mittels des Steuergeräts z. B. durch Strommessung und Schwellwertwertvergleich gesteuert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen des Ausführungsbeispiels anhand einer Figur näher dargestellt. Es zeigt:
1: die schematische Darstellung eines elektrischen Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine Vorrichtung, die bspw. zum Schützen eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug vor einem elektrischen Überstrom und/oder Kurzschluss vorgesehen ist. Das Hochvoltbatteriesystem weist eine Stromquelle 4 – hier einen Fahrzeugakkumulator – und einen Antriebstrang (nicht dargestellt) auf, der im Fahrzeug das Drehmoment vom Fahrzeugmotor bis auf die Antriebsräder übertragen kann.
Die Vorrichtung weist einen Stromsensor 1, einen Schutzschalter 2 und ein Steuergerät 3 auf. Ein Istwert eines Stromanstiegs (Stromgradient) des Betriebsstroms, der das Hochvoltbatteriesystem betreibt, wird vom Stromsensor 1 aktuell ermittelt. Durch das Steuergerät 3 wird dieser Istwert des Stromanstiegs mit einem ersten Sollwert verglichen. Der erste Sollwert, als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms, wird durch das Steuergerät 3 dynamisch eingestellt und entspricht einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Hochvoltbatteriesystems. Der maximal zulässige Stromanstieg ergibt sich in der Regel aus den Dynamikanforderungen des elektrischen Antriebsstranges, d. h., der Auslegung des Umrichters und der elektrischen Maschine. Der erste Sollwert kann ebenfalls zur Fehlererkennung für den Stromsensor 1 hinsichtlich einer elektrischen Induktivität des Hochvoltbatteriesystems bzw. des Antriebstrangs zusätzlich eingestellt werden, der einen technischen möglichen Stromanstieg darstellt. Hierbei können entweder zwei Kriterien gemeinsam für den ersten Sollwert vorgeschrieben werden oder ein neuer Sollwert separat zu dem ersten Sollwert eingestellt werden. Falls ein Stromanstieg vom Stromsensor 1 bzw. vom Steuergerät 3 erkannt wird, der noch größer als dieser technisch mögliche Stromanstieg ist, wird darauf hingewiesen, dass der Stromsensor 1 keine plausiblen Daten misst und folglich defekt sein könnte. Durch diese Überwachung des Stromsensors 1 kann die Sicherheit des Hochvoltbatteriesystems noch weiter erhöht werden.
Ein Stromanstieg, der größer ist als der erste Sollwert, ist ein Indikator für einen potentiellen Kurzschluss oder einen Überstrom im Hochvoltbatteriesystem. Durch den Stromsensor 1 und das Steuergerät 3 wird der Istwert des Stromanstieges des Betriebsstroms ermittelt und mit dem maximal zulässigen Stromanstieg verglichen. Liegt dieser Istwert oberhalb des maximal zulässigen Stromanstiegs, wird der Schutzschalter 2 abgeschaltet und somit der Strompfad geöffnet, welcher aus der Stromquelle 4, dem Stromsensor 1, dem Steuergerät 3, dem Schutzschalter 2 und dem Antriebstrang besteht. Durch eine rechtzeitige Erkennung eines Stromanstiegs des Betriebsstroms wird der Schutzschalter 2 bereits geöffnet, bevor der Betriebsstrom aufgrund eines Kurzschlusses die maximal zulässige Stromstärke erreicht.
Zusätzlich kann eine elektrische Sicherung 6 mit dem Schutzschalter 2 elektrisch seriell verbunden werden. Die Sicherung 6 ist für Schutz vor einem Kurzschluss und der Schutzschalter 2 vor einem Überstrom vorgesehen. Sobald der Istwert des Betriebsstroms einen zweiten Sollwert übersteigt, der ein maximaler Betriebsstrom des Hochvoltbatteriesystems ist, kann die Sicherung 6 unabhängig vom Schutzschalter 2 separat geöffnet werden. Der maximale Betriebsstrom ist ein fester Wert und entspricht der Auslegung des Hochvoltbatteriesystems. Der erste Sollwert wird kleiner gesetzt als der zweite Sollwert, d. h., ein sehr hoher Kurzschlussstrom wird durch die Sicherung 6 unterbrochen und ein kleinerer Überstrom durch den Schutzschalter 2. Der Stromsensor 1, der Schutzschalter 2 und das Steuergerät 3 können entsprechend den aus maximalem Betriebsstrom und maximal zulässigem Stromanstieg resultierenden Bedingungen dimensioniert und optimiert werden. Sofern sie die notwendigen Sicherheitsanforderungen an das Hochvoltbatteriesystem erfüllen, kann die Sicherung 6 dann ggf. entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4111831 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Schützen eines elektrischen oder elektronischen Systems, insbesondere eines Hochvoltbatteriesystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, vor einem elektrischen Überstrom und Kurzschluss, wobei zumindest ein Messmittel (1) zur Messung eines durch das System fließenden Betriebsstroms, ein Schutzschalter (2) zur Stromunterbrechung und ein Steuergerät (3) zum Schalten des Schutzschalters (2) vorgesehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Steuergerätes (3) ein vom Messmittel (1) oder/und vom Steuergerät (3) ermittelter Istwert eines Stromanstiegs des Betriebsstroms mit einem ersten Sollwert verglichen wird, wobei der erste Sollwert als ein maximal zulässiger Stromanstieg des Betriebsstroms einer Auslegung und/oder einer aktuellen Stromanforderung des Systems entsprechend durch das Steuergerät (3) dynamisch eingestellt wird, und der Schutzschalter (2) durch das Steuergerät (3) zur Unterbrechung des Betriebsstroms ausgelöst wird, wenn der Istwert des Stromanstiegs den ersten Sollwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fehlererkennung für das Messmittel (1) der erste Sollwert zusätzlich hinsichtlich einer elektrischen Induktivität des Systems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrische Sicherung (6) mit dem Schutzschalter (2) elektrisch seriell verbunden wird, die zum Schützen des Systems unabhängig vom Schutzschalter (2) geöffnet werden kann, wenn ein vom Messmittel (1) gemessener Istwert des Betriebsstroms einen zweiten Sollwert übersteigt, wobei der zweite Sollwert als ein maximaler Betriebsstrom des Systems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung (6) für Schutz des Systems vor einem Kurzschluss und der Schutzschalter (2) vor einem Überstrom vorgesehen werden, wobei der erste Sollwert kleiner als der zweite Sollwert eingestellt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.