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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein das elektrische System
von elektrisch unterstützten
und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise hybride
Benzin-Elektro-, reine Elektro- und
brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge. Insbesondere betrifft diese
Erfindung eine Sicherheits- und Systemdiagnoseüberwachung elektrisch unterstützter und
elektrisch angetriebener Fahrzeuge.
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Gegenwärtig erhöhen Kraftfahrzeugfirmen die
Produktion von hybriden Benzin-Elektrofahrzeugen und forschen an
reinen Elektro- und brennstoffzellengetriebenen Fahrzeugen. Diese
elektrisch unterstützten
und elektrisch angetriebenen Fahrzeuge weisen das Potential für verringerte
Emissionen, eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine
verbesserte Leistungsfähigkeit
auf. Diese Vorteile sind möglich,
weil die elektrische Komponente der elektrischen oder hybriden Maschine
einen nahezu lautlosen Betrieb, eine Präzisionssteuerung, ein zusätzliches
Maschinendrehmoment und eine zusätzliche Leistung
mit einem Stoßpotential
und eine Energierückgewinnung
aus einem regenerativen Bremsen ermöglicht. Hinsichtlich des regenerativen
Bremsens können
Batterien und Doppelschichtkondensatoren wieder aufgeladen werden
und brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge weisen gewöhnlich Batterie- oder
Doppelschichtkondensatorkomponenten auf.
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Wenn
das Fahrzeug ausgeschaltet wird, trennen elektrisch unterstützte und
elektrisch angetriebene Fahrzeuge im Allgemeinen den Batteriestapel
von dem elektrischen Verdrahtungssystem des Fahrzeugs. Dies dient
einer Reihe von Zwecken, beispielsweise einer Isolierung des Batteriestapels
von den elektrischen Lasten des Fahrzeugs, um dadurch einen parasitären Leckstrom
zu verringern, welcher die Batterie entlädt. Die Isolierung verlängert auch die
Speicherung nutzbarer Energie und verbessert die Batterielebensdauer.
Da es sich bei dem Batteriesystem um Hochspannung handelt, verhindert
die Isolierung darüber
hinaus elektrische Gefährdungen, indem
die unzähligen
Drähte
und Kontakte ausgeschaltet werden, die gefährdet sein könnten.
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Das
elektrische Hochspannungssystem dieser elektrisch unterstützten und
elektrisch angetriebenen Fahrzeuge kann in zwei Hauptteile unterteilt werden:
die Hochspannungsenergiequelle, welche die Batterien, die Doppelschichtkondensatoren,
die Brennstoffzellen und den Batteriestapelcontroller umfasst; und
die Hochspannungsenergielast, welche die Elektromotoren, die Verdrahtung,
die Kabel, den elektrischen Bus, elektrische Kühlungen und Heizungen, Verbinder
mit dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler und viele
andere elektrische Einrichtungen umfasst. Zwischen der Hochspannungsenergiequelle
und der Hochspannungsenergielast befindet sich ein Verbindungssystem,
das deaktiviert werden kann, um die Hochspannungsenergiequelle von
der Hochspannungsenergielast zu isolieren.
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Die
Hochspannungsenergielast kann möglicherweise
mit der Fahrzeugkarosserie oder einem anderen Draht kurzgeschlossen
werden. Um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen, ist
es wünschenswert, über ein Überwachungssystem
der Hochspannungssystemverbindung zu verfügen, das zuverlässig dagegen
schützt,
dass der volle Strom versehentlich durch einen Kurschluss in dem
elektrischen Hochspannungsbus geleitet wird. Andere wünschenswerte
Eigenschaften und Merkmale von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden genau en Beschreibung und
den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden
technischen Gebiet und Hintergrund offensichtlich.
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Erfindungsgemäße Systeme
und Verfahren, wie sie hier beschrieben sind, können in einem Fahrzeug implementiert
werden, um eine Unterbrechung in dem Hochspannungsenergielastsystem
des Fahrzeugs zu detektieren. Die Technik führt zu Beginn einer Verbindung
einer Hochspannungsenergiequelle eine Überprüfung durch, um sicherzustellen,
dass eine Hochspannungsenergielast in dem elektrischen Hochspannungssystem
vollständig
verbunden ist, bevor sie einen vollen Strom an die Hochspannungsenergielast
und einen normalen Fahrzeugbetrieb zulässt. Die Technik schaltet einen
Widerstand dazwischen, um einen Stromfluss zwischen der Hochspannungsenergiequelle
und der Hochspannungsenergielast zu begrenzen, und misst eine Spannung
und eine Spannungsanstiegszeit an der Fahrzeuglast. Die Spannung
und die Spannungsanstiegszeit an der Fahrzeuglast werden verwendet,
um zu ermitteln, ob eine unterbrochene Fahrzeuglast vorhanden ist,
und, wenn dem so ist, wird das Hochspannungsenergiespeichersystem
deaktiviert, um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen.
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Die
voranstehenden und andere Aspekte der Erfindung können bei
einer ersten Ausführungsform der
Erfindung praktiziert werden, indem eine Spannungsanstiegsrate an
einem Knoten für
eine Hochspannungsenergielast überwacht
wird. Bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung aktiviert ein Controller eine Vorladungsschaltung,
um eine Spannung von der Hochspannungsenergiequelle an die Hochspannungsenergielast
anzulegen. Der Controller überwacht
eine Spannungsanstiegsrate an einem Knoten an der Hochspannungsenergielast
und trennt die Hochspannungsenergiequelle von der Hochspannungsenergielast,
wenn die Span nungsanstiegsrate schneller als eine Schwellenwertrate
ist. Andernfalls kann ein Normalbetrieb des Fahrzeugs fortgesetzt
werden.
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Die
voranstehenden und andere Aspekte der Erfindung können bei
einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung praktiziert werden, indem ein Spannungsanstieg und eine
Spannungsanstiegszeit von einem Knoten an einer Hochspannungsenergiequelle
zu einem Knoten an einer Hochspannungsenergielast überwacht
wird. Bei der zweiten Ausführungsform
dieser Erfindung ermittelt ein Controller die Zeit, welche die Spannung
benötigt,
um bis zu einem vorbestimmten Prozentwert der Standardbetriebsspannung
oder mehr anzusteigen. Wenn die Zeit länger oder gleich einer schnellsten
zulässigen
Anstiegszeit für
eine an der Hochspannungsenergielast gemessene Spannung ist, dann
ist der Spannungsanstieg normal. Wenn die Zeit kürzer als die schnellste zulässige Anstiegszeit
ist, dann ist der Anstieg zu schnell, was einen Systemausfall impliziert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der:
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1 ein
Schaltplan eines Hochspannungsenergiespeichersystems gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 ein
Flussdiagramm eines Prozesses zur Überwachung einer Hochspannungsenergieverbindung
für das
Hochspannungsenergiespeichersystem gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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3 ein
Flussdiagramm des Prozesses zur Überwachung
der Hochspannungsenergieverbindung für das Hochspannungsenergiespeichersystem gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Die
nachfolgende genaue Beschreibung ist rein darstellender Natur und
ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen
der Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen
zu beschränken.
Darüber
hinaus besteht keine Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite
Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der nachfolgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung können hier
mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und
verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist zu
verstehen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige
Anzahl von Hardware-, Software- und/oder
Firmwarekomponenten realisiert sein können, welche ausgestaltet sind,
um die angegebenen Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine
Ausführungsform
der Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z.B.
Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente,
Nachschlagetabellen oder dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl
von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren
oder anderer Steuerungseinrichtungen ausführen können. Zusätzlich werden Fachleute verstehen,
dass Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl
von Fahrzeuganwendungen ausgeführt
werden können
und dass das hier beschriebene System nur eine beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Der
Kürze wegen
kann es sein, dass herkömmliche
Techniken und Komponenten, welche elektrische Fahrzeugteile und
andere funktionale Aspekte des Systems (und die einzelnen Betriebskomponenten
des Systems) betreffen, hier nicht genau beschrieben sind. Darüber hinaus
sind die Verbindungslinien, die in den verschiedenen hier enthaltenen
Figuren gezeigt sind, dazu gedacht, beispielhafte funktionale Beziehungen
und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darzustellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass viele alternative oder zusätzliche
funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen bei einer
Ausführungsform
der Erfindung vorhanden sein können.
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Die
nachfolgende Beschreibung kann sich auf Elemente oder Knoten oder
Merkmale beziehen, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Hier bedeutet "verbunden", sofern nicht ausdrücklich anders
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen
Element/Knoten/Merkmal verknüpft
ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Auf ähnliche
Weise bedeutet "gekoppelt", sofern nicht ausdrücklich anders
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt
mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verknüpft ist (oder direkt oder indirekt
damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch.
Daher können, obwohl
der in 1 gezeigte Schaltplan eine beispielhafte Anordnung
von Elementen darstellt, zusätzliche
dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
bei einer Ausführungsform
der Erfindung vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität des Systems
nicht nachteilig betroffen ist).
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Ausführungsformen
der Erfindung sind hier in dem Kontext einer praktischen Anwendung
beschrieben, nämlich
einer Verbindungsüberwachungstechnik
für ein
Hochspannungsenergiespeichersystem. In diesem Kontext kann die beispielhafte Technik
angewendet werden, um Schaltungsfehler an dem Fahrzeug zu detektieren.
Ausführungsformen
der Erfindung sind jedoch nicht auf derartige Fahrzeuganwendungen
beschränkt,
und die hier beschriebenen Techniken können auch bei anderen Überwachungssystemen
für Hochspannungssystemverbindungen
verwendet werden.
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1 ist
ein Schaltplan eines Hochspannungsenergiespeichersystems 100,
das geeignet ausgestaltet ist, um einen Prozess zur Überwachung einer
Hochspannungssystemverbindung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung auszuführen.
Die in 1 dargestellten verschiedenen Blöcke können durch
eine beliebige Anzahl physikalischer Komponenten oder Module realisiert
sein, die über
das System 100 verteilt angeordnet sind. Ein Hochspannungsenergiespeichersystem 100 aus
der Praxis kann eine andere Anzahl an elektrischen Komponenten,
Schaltungen und Controllereinheiten umfassen, als die in 1 gezeigte.
Herkömmliche Teilsysteme,
Merkmale und Aspekte des Hochspannungsenergiespeichersystems 100 werden
hier nicht genau beschrieben.
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Das
Hochspannungsenergiespeichersystem 100 umfasst allgemein
eine Hochspannungsenergiequelle 102, ein Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108,
das einen Controller 110 umfasst, eine Hochspannungsschaltung 112 und eine
Hochspannungsenergielast 134. In der Praxis können diese
Elemente unter Verwendung von Hochspannungsdrähten 136, Kabeln oder
dergleichen miteinander gekoppelt sein.
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Bei
Fahrzeuganwendungen in der Praxis kann die Hochspannungsenergiequelle 102 ohne eine
Einschränkung
sein: ein Batteriestapel, ein Doppelschichtkondensator und/oder
eine Brennstoffzelle. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform
ist die Hochspannungsenergiequelle 102 ein Batteriestapel, der
eine Spannung, einen Strom und andere Betriebsspezifikationen aufweist,
welche für
die beabsichtigte Fahrzeuganwendung geeignet sind. Die Hochspannungsenergiequelle 102 kann
Verdrahtungen, Kabel, elektrische Busse, elektrische Kühler und Heizungen
(da die Leistungsfähigkeit
von der Temperatur abhängen
kann), Verbinder zu dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler
und viele andere elektrische Einrichtungen aufweisen. Wie nachfolgend
beschrieben ist, ist die Hochspannungsenergiequelle 102 geeignet
ausgestaltet, um eine Hochspannung und/oder eine Hochspannungsladung
für die
Hochspannungsenergielast 134 bereitzustellen.
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Die
Ausgänge
der Hochspannungsenergiequelle 102 werden von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 gesteuert,
welches mit der Hochspannungsschaltung 112 gekoppelt ist. Die
Hochspannungsschaltung 112 wird verwendet, um die Hochspannungsladung
an die Hochspannungsenergielast 134 anzulegen. Kurz gesagt
ist das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 ausgestaltet,
um eine Unterbrechung in dem Hochspannungsenergiespeichersystem 100 auf
der Grundlage einer Spannungsanstiegszeit bei der Hochspannungsenergielast 134 anzuzeigen,
wobei die Spannungsanstiegszeit in Ansprechen auf ein Anlegen einer
Hochspannung von der Hochspannungsenergiequelle 102 an
die Hochspannungsenergielast 134 gemessen wird.
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Das
Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 führt die
hier beschriebenen Spannungsüberwachungsfunktionen
und Unterbrechungsprozesse aus. Das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 kann
eine beliebige Anzahl von verschiedenen Verarbeitungsmodulen oder
Komponenten umfassen, die ausgestaltet sind, um die hier genauer
beschriebenen Aufgaben, Prozesse und Operationen durchzuführen. Obwohl
in 1 nur ein Steuerungsmodul 108 gezeigt
ist, kann eine Implementierung in der Praxis eine beliebige Anzahl
von verschiedenen physikalischen und/oder logischen Steuerungsmodulen
verwenden, welche über
das System 100 verteilt sein können. In der Praxis können das
Steuerungsmodul 108 und/oder der Controller 110 mit
einem Allzweckprozessor, einem Speicher mit adressierbarem Inhalt,
einem digitalen Signalprozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten
Schaltung (ASIC), einem vor Ort programmierbaren Gatearray (FPGA)
oder einer beliebigen anderen geeigneten programmierbaren Logikeinrichtung,
einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten
oder einer beliebigen Kombination daraus, die entworfen sind, um
die hier beschriebenen Funktionen auszuführen, implementiert oder ausgeführt sein.
Das Steuerungsmodul 108 und/oder der Controller 110 können als
ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder eine Zustandsmaschine
realisiert sein.
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Bei
diesem Beispiel umfasst die Hochspannungsschaltung 112 einen
primären
Schützschalter 116,
einen Vorladungsschützschalter 120,
einen Vorladungswiderstand 124 und einen sekundären Schützschalter 130.
Diese Komponenten können
bei der beispielhaften Anordnung, die in 1 gezeigt ist,
miteinander gekoppelt sein.
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Der
primäre
Schützschalter 116 ist
mit einem ersten Pol 104 der Hochspannungsenergiequelle 102 gekoppelt.
Im geschlossenen Zustand verbindet der primäre Schützschalter 116 den
ersten Pol 104 mit der Hochspannungsenergielast 134.
Auf diese Weise ist der primäre
Schützschalter 116 ausgestaltet,
um einen Fluss des vollen Stroms an die Hochspannungsenergielast 134 zu
steuern. Der primäre Schützschalter 116 kann
von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 geschlossen werden,
um einen Betrieb der Hochspannungsenergiequelle 102 mit
dem Fahrzeug zu ermöglichen.
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Der
Vorladungswiderstand 124 weist ein erstes Ende 126,
das mit der Hochspannungsenergielast 134 gekoppelt ist,
und ein zweites Ende 128 auf, das mit dem ersten Pol 104 gekoppelt
ist, wenn der Vorladungsschützschalter 120 geschlossen
ist. Der Vorladungswiderstand 124 ist geeignet ausgestaltet, um
ein relativ langsames Aufladen der Kapazität an der Hochspannungsenergielast 134 zu
ermöglichen.
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Der
Vorladungsschützschalter 120 ist
zwischen den ersten Pol 104 der Hochspannungsenergiequelle 102 und
das zweite Ende 128 des Vorladungswiderstands 124 gekoppelt.
Wenn der Vorladungsschützschalter 120 geschlossen
wird, fügt
er den Vorladungswiderstand 124 in den Pfad zwischen dem
ersten Pol 104 und der Hochspannungsenergielast 134 ein.
Der Vorladungsschützschalter 120 ist daher
ausgestaltet, um einen Stromfluss durch den Vorladungswiderstand 124 an
die Hochspannungsenergielast 134 zu steuern. Der Vorladungsschützschalter 120 kann
durch das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 vor
einem Schließen
des primären
Schützschalters 116 geschlossen werden,
um die nachfolgend in Verbindung mit 2 und 3 beschriebene
Vorladungsoperation zu ermöglichen.
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Der
sekundäre
Schützschalter 130 ist
mit einem zweiten Pol 106 der Hochspannungsenergiequelle 102 gekoppelt.
Im geschlossenen Zustand koppelt der sekundäre Schützschalter 130 den
zweiten Pol 106 mit der Hochspannungsenergielast 134. Auf
diese Weise ist der sekundäre
Schützschalter 130 geeignet
ausgestaltet, um einen Stromfluss an die Hochspannungsenergielast 134 zu
steuern. Der sekundäre
Schützschalter 130 wird
von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 in Verbindung
mit dem primären
Schützschalter 116 und/oder
dem Vorladungsschützschalter 120 geschlossen,
um die Hochspannungsschaltung zu komplettieren oder zu unterbrechen.
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Die
Hochspannungsenergielast 134 kann Elektromotoren, Verdrahtung,
Kabel, einen elektrischen Bus, elektrische Kühler und Heizungen, Verbinder
zu dem elektrischen System des Fahrzeugs, Spannungsregler und viele
andere elektrische Einrichtungen aufweisen. In der Praxis kann die
Hochspannungsenergielast 134 eine wesentliche Kapazität aufweisen.
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Das
Hochspannungsverbindungs-Überwachungssystem 100 kann
jedes Mal ausgeführt
werden, wenn die Hochspannungsenergiequelle 102 mit dem
Fahrzeug verbunden wird, beispielsweise, wenn die Zündung eingeschaltet
wird. Bei der ersten Verbindung der Hochspannungsenergiequelle 102 führt das
System eine Überprüfung durch,
um sicherzustellen, dass die Hochspannungsenergielast 134 in dem
System 100 vollständig
verbunden und ohne Kurzschlüsse
ist, bevor ein voller Stromfluss an die Hochspannungsenergielast 134 und
ein normaler Fahrzeugbetrieb zugelassen wird. Das hier beschriebene
Verfahren schaltet den Vorladungswiderstand 124 dazwischen,
um einen Stromfluss zwischen der Hochspannungsenergiequelle 102 und
der Hochspannungsenergielast 134 zu begrenzen, und schaltet
den zweiten Schützschalter 130 ein,
und misst dann die an der Hochspannungsenergielast 134 anliegende
Spannung. Die an der Hochspannungsenergielast 134 anliegende
Spannung wird verwendet, um zu ermitteln, ob ein Kurzschluss oder
eine unterbrochene Schaltung vorliegt, und wenn dem so ist, wird
das Hochspannungsenergiespeichersystem unterbrochen, um das Fahrzeug
und seine Benutzer zu schützen.
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2 ist
ein Flussdiagramm des Prozesses 200 zur Überwachung
der Hochspannungsenergieverbindung, welcher durch das, wie voranstehend beschriebene,
System 100 ausgeführt
werden kann. Der Prozess 200 detektiert eine Unterbrechung
in dem System 100, in dem er eine Spannungsanstiegsrate
von einer Hochspannungsenergiequelle an eine Hochspannungsenergielast überwacht.
Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung mit dem Prozess 200 ausgeführt werden,
können
durch Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination
davon ausgeführt
werden. Zu Darstellungszwecken kann sich die nachfolgende Beschreibung des
Prozesses 200 auf Elemente beziehen, die voranstehend in
Verbindung mit 1 erwähnt wurden. Bei Ausführungsformen
in der Praxis können
Teile des Prozesses 200 von verschiedenen Elemente des Systems 100 ausgeführt werden,
z.B. das Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 und die Hochspannungsschaltung 112.
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Der
Prozess 200 zur Überwachung
der Hochspannungsenergieverbindung kann beginnen, indem eine beliebige
Anfangsspannung an der Hochspannungsenergielast 134 überprüft wird
(Abfrageaufgabe 202). Diese Überprüfung der Anfangsspannung wird
ausgeführt,
weil eine Kapazität
der Hochspannungsenergielast 134 eine Energie aufweisen
kann, die bei vorausgehenden Verbindungsversuchen angesammelt wurde.
Wenn bei der Hochspannungsenergielast 134 bereits eine
angesammelte Energie vorliegt, sind weniger Strom und Zeit notwendig,
um die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 zu
erhöhen.
Wenn die Hochspannungsenergielast 134 von der Hochspannungsenergiequelle 102 getrennt
wird, dann kann normalerweise noch eine kapazitive Energie in Komponenten
der Hochspannungsenergielast 134 vorhanden sein, welche
für eine
gewisse Zeit geladen bleiben, bis sie vollständig entladen sind. Beim nächsten Einschalten der
Fahrzeugzündung
wird das System messen, wie viel Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 bereits
vorhanden ist, und seine Berechnung auf der Grundlage der verfügbaren kapazitiven
Energie ausführen.
Als ein Ergebnis kann es weniger Zeit beanspruchen, die Kapazität zu laden,
wenn noch etwas kapazitive Energie vorhanden ist. Für jeweils 100
V werden beispielsweise etwa 10 ms benötigt. Die kalibrierte Zeit
wird nicht verändert,
aber das Verfahren wird auf eine kürzere Zeit nachgestellt, wenn bereits
etwas kapazitive Energie verfügbar
ist. Wenn beispielsweise bereits 100 V an dem System vorliegen,
wird ein Vorladen von zusätzlichen
200 V weniger Zeit beanspruchen als ein Vorladen von vollen 300
V von 0 V aus.
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Die
der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung
wird überprüft, um zu ermitteln,
ob sie größer als
eine Schwellenwertspannung ist (Abfrageaufgabe 202). Die
Schwellenwertspannung wird auf einen Pegel derart gesetzt, dass ein
beliebiger Spannungsbetrag über
der Schwellenwertspannung einen Fehler bei der Spannungsanstiegsrate
verursachen wird. Der Wert der Schwellenwertspannung kann für verschiedene
Fahrzeuge unterschiedlich sein. Wenn der Controller 110 ermittelt, dass
die der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung
größer als
die Schwellenwertspannung ist (Abfrageaufgabe 202), dann
kann der Prozess 200 fortfahren, indem er eine neue Schwellenwertrate
als eine Funktion einer anfänglichen
kapazitiven Energie der Hochspannungsenergielast 134 berechnet
(Aufgabe 206), und den Betrieb wieder aufnehmen, indem
er die Schwellenwertrate durch die neue Schwellenwertrate ersetzt (Aufgabe 208).
Diese Aufgabe wird ausgeführt,
um die Schwellenwertrate entsprechend einer Spannungsanstiegsrate
an der Hochspannungsenergielast 134 als eine Funktion der
anfänglichen
kapazitiven Energie der Hochspannungsenergielast 134 zu ermitteln.
Die Spannungsanstiegszeit kann umgekehrt proportional zu dem anfänglichen
Wert der kapazitiven Energie sein, die in der Hochspannungsenergielast 134 angesammelt
wurde. Die Schwellenwertrate kann beispielsweise auf einer schnellstmöglichen
zulässigen
Spannungsanstiegszeit für
die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 basieren
(welche etwa 20, 30 oder 40 ms sein kann, wenn keine anfängliche
angesammelte kapazitive Energie in der Hochspannungslast 134 vorhanden ist).
Die schnellstmögliche
zulässige
Spannungsanstiegszeit kann für
jeden Fahrzeugentwurf kalibriert werden und kann für jedes
Fahrzeug festgelegt werden. Die schnellstmögliche zulässige Spannungsanstiegszeit
kann jedoch durch die Existenz einer anfänglichen kapazitiven Energie
beeinflusst werden. Wenn beispielsweise der elektrische Verbinder
an die Hochspannungsenergielast 134 unterbrochen wird, ist
die effektive Kapazität
der Hochspannungsenergielast 134 bezüglich der Hochspannungsenergiequelle 102 gleich
Null. Wenn daher der Vorladungsschützschalter 120 und
der sekundäre
Schützschalter 130 geschlossen
werden, werden nahezu sofort beispielsweise etwa 300 V an der Hochspannungsenergielast 134 anliegen.
Die Schwellenwertrate kann auch eine Funktion einer variablen Fahrzeugkonfiguration
sein, wie in dem Kontext von 3 nachfolgend
erklärt
ist.
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Wenn
die der Hochspannungsenergielast 134 entsprechende Anfangsspannung
nicht größer als
die Schwellenwertspannung ist (Aufgabe 202), kann der Prozess 200 fortfahren,
indem er den Hochspannungsvorladungsprozess startet, ohne die Schwellenwertrate
durch die neue Schwellenwertrate zu ersetzen.
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Der
Prozess 200 fährt
dann mit dem Einleiten des Vorladungsprozesses fort, indem er den
Vorladungsschützschalter 120 schließt, wodurch
der Vorladungswiderstand 124 zwischen die Hochspannungsenergiequelle 102 und
die Hochspannungsenergielast 134 geschaltet wird, und indem
er den sekundären
Schützschalter 130 schließt, um einen Schaltkreis
zu komplettieren. Dieses Vorgehen bewirkt, dass eine Spannung von
der Hochspannungsenergiequelle 102 an die Hochspannungsenergielast 134 angelegt
wird (Aufgabe 212).
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Der
Prozess 200 fährt
dann fort, indem er die Spannungsanstiegsrate für die Hochspannungsenergielast 134 überwacht
(Aufgabe 214). Der Controller 110 misst die Spannungen
und Abtastzeiten an der Hochspannungsenergielast 134 bei
Knoten 118 und 136 der Schaltung 112,
um zu ermitteln, ob die Spannungsanstiegsrate schneller als die
Schwellenwertrate ist (Abfrageaufgabe 216). Wenn die Spannungsanstiegsrate
nicht schneller als die Schwellenwertrate ist, dann erhält die Hochspannungsenergiequelle 102 eine
Verbindung mit der Hochspannungsenergielast 134 aufrecht
(Aufgabe 218). Sobald die Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 einen
angegebenen Wert erreicht (beispielsweise etwa 95 % der Hochspannungsenergiequelle 102),
ist das Vorladen abgeschlossen, und zu diesem Zeitpunkt kann der
primäre
Schütz 116 geschlossen
werden, um die ganze Spannung anzulegen. Wenn die Spannungsanstiegsrate
jedoch schneller als die Schwellenwertrate ist (d.h. das Vorladen
des Systems ist zu schnell), dann wird die Hochspannungsenergiequelle 102 von
der Hochspannungsenergielast 134 getrennt (Aufgabe 220)
und der Prozess stoppt. An diesem Punkt kann der Controller 110 befehlen,
dass alle Schalter 116, 120, 130 geöffnet werden,
um die Hochspannung von der Hochspannungsenergielast 134 zu
entfernen. Zusätzlich
kann der Prozess 200 das Verbindungssystem deaktivieren,
wodurch das Hochspannungssystem deaktiviert wird, wenn die Spannungsanstiegsrate
zu langsam ist (dieser Prozess ist in 2 nicht
gezeigt, wird aber in 3 dargestellt).
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3 ist
ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Prozesses 300 zur
Detektion einer Hochspannungsenergieunterbrechung, der durch das,
wie voranstehend beschriebene, System 100 ausgeführt werden
kann. Der Prozess 300 detektiert eine Unterbrechung in
dem System 100, indem er ein Spannungsverhältnis und
eine Spannungsanstiegszeit von der Hochspannungsenergiequelle 102 an
die Hochspannungsenergielast 134 überwacht. Die verschiedenen
Aufgaben, die in Verbindung mit dem Prozess 300 ausgeführt werden,
können
durch Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination
davon ausgeführt
werden. Zu Darstellungszwecken kann sich die nachfolgende Beschreibung
des Prozesses 300 auf Elemente beziehen, die voranstehend
in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. Bei Ausführungsformen
in der Praxis können Teile
des Prozesses 300 von verschiedenen Elementen des Verbindungsüberwachungssystems 100 ausgeführt werden,
z.B. von dem Hochspannungsenergiequellen-Steuerungsmodul 108 und
der Hochspannungsschaltung 112.
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Der
Verbindungsüberwachungsprozess 300 kann
beginnen, indem er einen Anstiegszeitschwellenwert ermittelt. Der
Anstiegszeitschwellenwert kann ohne eine Einschränkung durch ein festes Systemverfahren,
durch ein dynamisches Systemverfahren oder durch ein variables Fahrzeugkonfigurationsverfahren
ermittelt werden, wie nachfolgend erläutert ist.
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Bei
dem festen Systemverfahren wird der Anstiegszeitschwellenwert kalibriert
und in den Controller 110 eingebettet. Bei dem festen Systemverfahren überwacht
der Controller die Spannungsanstiegszeit an der Hochspannungsenergielast 134 relativ
zu einem festen Anstiegszeitschwellenwert bei jedem Mal, wenn das
System 100 eingeschaltet wird (wie vorstehend beschrieben
ist), und das System aktualisiert den Anstiegszeitschwellenwert
nach dem Einschalten nicht.
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Bei
dem dynamischen Systemverfahren kann der Controller 110 mit
einer Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung beginnen, die in dem
Controller 110 programmiert ist. Bei diesem Fall kann das
System 100 die Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung auf
der Grundlage der resultierenden Ladezeit jedes Mal aktualisieren,
wenn das System 100 arbeitet. Ein Beispiel der Notwendigkeit
für das
dynamische Systemverfahren besteht darin, eine Verschlechterung von
Komponenten im Lauf der Zeit zu kompensieren.
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Bei
der variablen Fahrzeugkonfiguration kann der Controller 110 eine
Anstiegszeitschwellenwertkalibrierung auf der Grundlage einer aktuellen Fahrzeugkonfiguration
berechnen. Es kann beispielsweise Hochspannungseinrichtungen geben, welche
mit dem Hochspannungsenergiespeichersystem 100 zu gewissen
Zeitperioden verbunden sind und zu anderen Zeiten getrennt sind.
Ein zugeschalteter Hybrid ist ein Beispiel, bei dem sich die aktuelle Fahrzeugkonfiguration ändert, weil
eine zusätzliche (Energiequelle/kapazitive
Last) durch eine Schaltung zu der (Hochspannungsenergiequelle 102/Hochspannungsenergielast 134)
hinzugefügt
wird, wenn er zugeschaltet ist, wodurch sich die Vorladungszeit verändert.
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Nach
einem Ermitteln eines Anstiegszeitschwellenwerts (Aufgabe 301)
wird der Prozess 300 dann mit dem Einleiten eines Vorladungsprozesses fortfahren,
indem er den Vorladungsschützschalter 120 und
den sekundären
Schützschalter 130 schließt. Dies
bewirkt, dass eine Hochspannung von der Hochspannungsenergiequelle 102 an
die Hochspannungsenergielast 134 angelegt wird (Aufgabe 302),
wie in dem Kontext von 2 erklärt ist.
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Als
Nächstes
tastet der Prozess 300 (zu einem speziellen Abtastzeitpunkt)
einen ersten Spannungswert von der Hochspannungsenergiequelle 102 an
dem ersten Knoten 114 der Hochspannungsschaltung 112 relativ
zu dem Knoten 136 ab (Aufgabe 306). Gleichzeitig
tastet der Prozess (zu dem gleichen Abtastzeitpunkt) einen zweiten
Spannungswert von der Hochspannungsenergielast 134 an einem zweiten
Knoten 118 der Hochspannungsschaltung 112 relativ
zu dem Knoten 136 ab (Aufgabe 308). Bei der beispielhaften
Ausführungsform
wird das Abtasten dieser Spannungen durch den Controller 110 verwaltet.
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Der
Prozess 300 fährt
dann fort, indem er ein Spannungsverhältnis aus den ersten und den
zweiten Spannungswerten berechnet (Aufgabe 310) und überprüft, um zu
ermitteln, ob das Spannungsverhältnis
größer oder
gleich einem vorbestimmten Spannungsverhältnis ist (Abfrageaufgabe 312).
Das Spannungsverhältnis
dieser beispielhaften Ausführungsform
ist ohne eine Einschränkung
der zweite an dem Knoten 118 der Schaltung 112 abgetastete
Spannungswert geteilt durch den ersten an dem Knoten 114 der
Schaltung 112 abgetasteten Spannungswert, welches einen
prozentualen Anteil der Spannung an der Hochspannungsenergielast 134 relativ
zu der Hochspannungsenergiequelle 102 anzeigt. Es können auch
andere Verhältnisse
verwendet werden. Wenn es keinen Kurzschlussentladestrom von der Hochspannungsenergielast 134 gibt,
sollte das Spannungsverhältnis
nach einer kurzen Zeit einen Wert überschreiten, der für das spezielle
Fahrzeug spezifisch ist. Das vorbestimmte Spannungsverhältnis kann
ohne eine Einschränkung
etwa 95 % betragen und es stellt ein Spannungsverhältnis zwischen den
Spannungen an dem Knoten 114 und dem Knoten 118 über den
Vorladungswiderstand 124 der Schaltung 112 relativ
zu dem Knoten 130 dar, wie voranstehend erläutert ist.
Dieses Verhältnis
wird verwendet, um zu ermitteln, wann das primäre Schütz geschlossen werden muss.
Ein Schließen
des primären
Schützes
bei einer größtenteils
entladenen kapazitiven Hochspannungslast kann die Komponenten der
kapazitiven Last beschädigen.
Bei 95 % ist der Stromstoß in
die kapazitive Last durch ein Schließen des primären Schützes ausreichend
verringert.
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Wenn
das Spannungsverhältnis
größer oder gleich
dem vorbestimmten Spannungsverhältnis
ist, dann fährt
die Aufgabe 300 fort, indem sie eine Spannungsanstiegszeit
beschafft (Aufgabe 318). Die Spannungsanstiegszeit wird
von dem Controller 110 aus der Zeit gemessen, die von dem ersten
Schließen
des Vorladungsschalters 120 vergeht, bis die Spannung an
dem Knoten 118 das vorbestimmte Spannungsverhältnis erreicht,
welches bei diesem Beispiel nominell 0,95 ist. Die Spannungsanstiegszeit
kann ohne eine Einschränkung
etwa 20, 30 oder 40 ms betragen, wenn keine anfängliche angesammelte kapazitive
Energie in der Hochspannungslast 134 vorhanden ist, wie
voranstehend in dem Kontext von 2 erläutert ist.
Der Vorladungsstrom durch den Vorladungswiderstand 124 wird
die Kapazität
der Hochspannungsenergielast 134 in einer Zeitdauer aufladen,
welcher eine Vorladungszeit genannt wird. Ein Anstiegszeitschwellenwert
wird auf einen Pegel gesetzt, der eine maximal zulässige Vorladungszeit überschreitet,
selbst wenn eine Variation der Komponenten und der Leistungsfähigkeit
umfasst ist. Wenn ein Schaltungsfehler vorliegt, wird der Leckstrom
einen Strom aus der Hochspannungsenergielast 143 ziehen
und den Nettostrom verringern, der die Kapazität der Hochspannungsenergielast 134 lädt. Der verringerte
Strom wird die Spannungsanstiegszeit vergrößern. Eine Spannungsanstiegszeit,
welche den Anstiegszeitschwellenwert überschreitet, zeigt einen Schaltungsfehler,
einen Leckstrom oder einen Kurzschluss an.
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Der
Prozess 300 kann dann fortfahren, indem er untersucht,
ob die gemessene Spannungsanstiegszeit größer oder gleich dem Anstiegszeitschwellenwert
ist (Abfrageaufgabe 320). Wenn der Prozess 300 ermittelt,
dass die Spannungsanstiegszeit größer oder gleich dem Anstiegszeitschwellenwert
ist, dann trennt der Prozess 300 die Hochspannungsenergiequelle 102 nicht
von der Hochspannungsenergielast 134 und das Fahrzeug fährt mit
seinem normalen Betrieb fort (Aufgabe 322). Wenn die Spannungsanstiegszeit
jedoch kürzer
als der Anstiegszeitschwellenwert ist, dann entfernt der Prozess 300 die
Hochspannungsenergiequelle 102 von der Hochspannungsenergielast 134 (Aufgabe 326).
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Wenn
der Prozess 300 infolge der Abfrageaufgabe 312 ermittelt,
dass das Spannungsverhältnis
niedriger als das vorbestimmte Spannungsverhältnis ist, dann fährt der
Prozess 300 fort, indem er die Vorladungszeit beschafft
(Aufgabe 314). Wenn die Vorladungszeit größer oder
gleich einer maximal zulässigen
Vorladungszeit ist (was anzeigt, dass das System 100 zu
langsam vorlädt)
(Abfrageaufgabe 316), dann geht der Prozess 300 weiter
zu der Aufgabe 326, um die Hochspannungsenergiequelle 102 von
der Hochspannungsenergielast 134 zu entfernen. Dies liegt
daran, dass ein Überschreiten
der Vorladungszeit auch einen Schaltungsfehler anzeigen kann, da
der Anstiegszeitschwellenwert auf einen Pegel gesetzt ist, der eine
maximal zulässige
Vorladungszeit überschreitet,
wie voranstehend erläutert ist.
Die maximal zulässige
Vorladungszeit beträgt
nominell 450 Millisekunden. In Abhängigkeit von dem Fahrzeug können auch
andere maximal zulässige Vorladungszeiten
verwendet werden. Die maximalen Vorladungszeiten hängen von
der Fahrzeugkonfiguration und der Anzahl der Hochspannungsenergielasten
ab. Je größer die
Anzahl an elektrischen Hochspannungskomponenten an dem Hochspannungsbus
ist, desto größer ist
die zu ladende Kapazität
und desto langer ist die zulässige
Vorladungszeit. Als eine Faustregel ist ein System entworfen, um
nicht länger
als 500 ms zum Laden zu benötigen.
Wenn die Abfrageaufgabe 316 ermittelt, dass die gemessene
Vorladungszeit kleiner als die maximal zulässige Vorladungszeit ist, dann
fährt der
Prozess 300 fort, die Spannungswerte an dem Vorladungswiderstand 124 abzutasten,
indem er zu der Aufgabe 306 zurückleitet.
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Zusammengefasst
ist ein System und ein Verfahren zur Verbindungsüberwachung für ein Hochspannungsenergiespeichersystem
eines Fahrzeugs offenbart. Das Verfahren führt zu Beginn einer Verbindung
des Hochspannungsenergiespeichersystems eine Überprüfung durch, um sicherzustellen, dass
das Hochspannungsverdrahtungssystem des Fahr zeugs vollständig verbunden
und ohne Kurzschlüsse
ist, bevor es einen vollen Strom an das Fahrzeug und einen normalen
Fahrzeugbetrieb zulässt.
Das Verfahren schaltet einen Widerstand dazwischen, um einen Stromfluss
zwischen dem Hochspannungsenergiespeichersystem und der Hochspannungsverdrahtung
des Fahrzeugs zu begrenzen, und misst die Spannung und eine Spannungsanstiegszeit
an dem Widerstand. Die Spannung und die Spannungsanstiegszeit an
dem Widerstand werden verwendet, um zu ermitteln, ob ein Kurzschluss
vorliegt, und wenn dem so ist, wird das Hochspannungsenergiespeichersystem
getrennt, um das Fahrzeug und seine Benutzer zu schützen.