DE102009047104A1 - Diagnose von Relais in einer Batterie - Google Patents

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Abstract

Ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), welche in Reihe zwischen einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol geschaltet sind, einem zwischen den ersten Batteriepol und einen ersten Ausgang des Batteriesystems geschalteten ersten Relais (11), einem zwischen den zweiten Batteriepol und einen zweiten Ausgang des Batteriesystems geschalteten zweiten Relais (12) und einem Controller. Das Batteriesystem weist ein drittes Relais (13) auf, welches in Serie zu einem ersten Widerstand (14) vorbestimmter Größe zwischen den ersten Batteriepol und den ersten Ausgang des Batteriesystems und parallel zum ersten Relais (11) geschaltet ist. Der Controller ist mit den Relais (11, 12, 13) verbunden und ausgebildet, die Relais (11, 12, 13) durch Ausgeben eines jeweiligen Steuersignals zu öffnen oder zu schließen.

Description

  • Stand der Technik
  • Batteriesysteme werden sowohl in mobilen Anwendungen wie z. B. in Fahrzeugen (Hybrid- oder Elektrofahrzeugen), als auch in stationären Anwendungen wie in Notstromsystemen in Zukunft vermehrt zum Einsatz kommen. Dabei werden sehr hohe Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung gestellt, da ein Ausfall der Batterie zu einem Ausfalls des Gesamtsystems führen kann. Bei einem Fahrzeug wäre Konsequenz eines solchen Ausfalls der Antriebsbatterie ein „Liegenbleiber”, jedoch sind aufgrund des hohen Energiegehaltes und der hohen Ausgangsspannung der Batteriesysteme auch sicherheitsrelevante Aspekte zu berücksichtigen.
  • Um das Batteriesystem von den angeschlossenen Verbrauchern, z. B. einem Fahrzeugbordnetz, zu trennen, werden in der Regel Relais in Reihe zu den beiden Batteriepolen vorgesehen. Diese Relais müssen nach geltenden Sicherheitsanforderungen das mehrmalige Abschalten eines Batteriesystems unter Last ermöglichen, was wegen des potentiell hohen fließenden Stromes eine entsprechende Belastung der Relais darstellt. Daher ist es wünschenswert, das korrekte Funktionieren der Relais diagnostizieren zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Daher führt ein erster Aspekt der Erfindung ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, welche in Reihe zwischen einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol geschaltet sind, einem zwischen den ersten Batteriepol und einen ersten Ausgang des Batteriesystems geschalteten ersten Relais, einem zwischen den zweiten Batteriepol und einen zweiten Ausgang des Batteriesystems geschalteten zweiten Relais und einem Controller ein. Erfindungsgemäß weist das Batteriesystem ein drittes Relais auf, welches in Serie zu einem ersten Widerstand vorbestimmter Größe zwischen den ersten Batteriepol und den ersten Ausgang des Batteriesystems und parallel zum ersten Relais geschaltet ist. Der Controller ist mit den Relais verbunden und ausgebildet, die Relais durch Ausgeben eines jeweiligen Steuersignals zu öffnen oder zu schließen.
  • Das dritte Relais, welches in Serie mit dem ersten Widerstand und zusammen mit diesem parallel zum ersten Relais geschaltet ist, erlaubt es das korrekte Funktionieren des ersten Relais zu bestimmen, indem wahlweise das erste Relais oder das dritte Relais geschlossen und das wegen des ersten Widerstandes unterschiedliche elektrische Verhalten des Batteriesystems untersucht wird. Schließt oder öffnet ein Relais trotz entsprechenden Steuersignals nicht, kann dies an den resultierenden Strömen und Spannungen an den Ausgängen des Batteriesystems abgelesen werden. Für den normalen Betrieb wird selbstredend das erste Relais geschlossen, um einen Verlust elektrischer Energie an dem ersten Widerstand und die damit verbundene Hitzeentstehung zu vermeiden.
  • Bevorzugt besitzt das Batteriesystem einen zwischen den ersten Ausgang des Batteriesystems und den zweiten Ausgang des Batteriesystems geschalteten Spannungssensor, welcher mit dem Controller verbunden und ausgebildet ist, einen Spannungsmesswert zu erfassen und an den Controller auszugeben. Der Controller kann hierbei für verschiedenen Fehlerfälle entsprechende Schaltzustände der Relais vorgeben und den Spannungsmesswert auswerten.
  • Besonders bevorzugt ist der Controller ausgebildet, die Relais zu öffnen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert größer als ein erster Schwellwert ist. In diesem Fall haben sich nicht alle Relais geöffnet, weshalb die Spannung der Batteriezellen immer noch an den Batterieausgängen anliegt. Da dies einen sicherheitsrelevanten Fehlerfall darstellt, wird ein Fehlersignal ausgegeben.
  • Der Controller kann außerdem ausgebildet sein, wenigstens eines des ersten und des dritten Relais sowie das zweite Relais zu schließen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert kleiner als ein zweiter Schwellwert ist. In diesem Fall haben sich nicht alle angesteuerten Relais geschlossen, weshalb die Spannung der Batteriezellen nicht an den Batterieausgängen anliegt. Der erkannte Fehler wird entsprechend durch ein Fehlersignal angezeigt.
  • Der Controller kann außerdem ausgebildet sein, entweder wenigstens eines des ersten und des dritten Relais oder das zweite Relais zu schließen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert größer als ein dritter Schwellwert ist. Insbesondere in Kombination mit einem der vorhergehend beschriebenen Fehlerfälle lässt sich auf diese Weise eingrenzen, welches Relais genau von dem Fehler betroffen ist.
  • Das Batteriesystem kann alternativ oder zusätzlich zu dem Spannungssensor über einen mit den Batteriezellen in Serie geschalteten Stromsensor verfügen, welcher mit dem Controller verbunden und ausgebildet ist, einen Strommesswert zu erfassen und an den Controller auszugeben. Der Strommesswert kann ebenfalls Aufschlüsse über das korrekte Funktionieren der Relais bieten, da ein Strom nur fließen kann, wenn die Batteriezellen mit den Batterieausgängen über die Relais verbunden sind.
  • Besonders bevorzugt ist der Controller daher ausgebildet, wenigstens eines der ersten und dritten Relais oder das zweite Relais zu öffnen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn ein Betrag des Strommesswertes größer als ein vierter Schwellwert ist. In diesem Fall hat sich das angesteuerte Relais nicht geöffnet, so dass immer noch ein Strom fließt, was durch das Fehlersignal angezeigt wird.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Spannungssensor und/oder Stromsensor ist der Controller ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf der vom Spannungssensor gemessenen Spannung bzw. des vom Stromsensor gemessenen Stromes zu erfassen und eine Zeitkonstante des zeitlichen Verlaufs zu bestimmen. Da die Zeitkonstante sich im wesentlichen aus dem Produkt der mit dem Batteriesystem verbundenen Kapazität (in einem Kraftfahrzeug gewöhnlich die Eingangskapazität des Wechselrichters) und des mit dieser in Serie geschalteten Widerstandes ergibt, erlaubt es die Bestimmung der tatsächlich gegebenen Zeitkonstante zu bestimmen, ob der Aufladestrom der Kapazität über den ersten Widerstand fließt oder nicht, was wiederum entsprechende Rückschlüsse auf den Schaltzustand des ersten und dritten Relais zulässt. Die Zeitkonstante kann entweder aus den Strommesswerten oder aus den Spannungsmesswerten abgeleitet werden, es ist bei einem Batteriesystem mit sowohl Spannungs- als auch Stromsensor jedoch auch vorstellbar, den Messfehler der Einzelmessungen zu reduzieren, indem beide Messungen ausgewertet werden.
  • Prinzipiell können auch mehr Relais vorgesehen sein, welche sich in entsprechender Weise überprüfen lassen. So kann das Batteriesystem ein viertes Relais aufweisen, welches in Serie zu einem zweiten Widerstand vorbestimmter Größe zwischen den zweiten Batteriepol und den zweiten Ausgang des Batteriesystems und parallel zum zweiten Relais geschaltet ist. Das vierte Relais ermöglicht die Erkennung von weiteren Fehlerfällen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, den Widerstandswert des zweiten Widerstandes anders zu wählen als den des ersten Widerstandes, wodurch sich die beiden Widerstände bei entsprechenden Strom- und/oder Spannungsmessungen voneinander unterscheiden lassen.
  • Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batteriesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; und
  • 2 eine Übersicht über verschiedenen Fehlerfälle und deren Detektion.
  • Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 10 sind als Energiespeicher in Serie geschaltet, um eine für die jeweilige Anwendung hinreichend hohe Batteriespannung UBATT zu erzeugen. An den beiden Polen der seriengeschalteten Batteriezellen sind ein erstes Relais 11 bzw. ein zweites Relais 12 vorgesehen, welche die Batteriezellen von den Batterieausgängen abtrennen oder sie mit diesen verbinden können. Parallel zum ersten Relais 11 ist ein zweiter Strompfad mit einer Serienschaltung eines dritten Relais 13 und einem Widerstand 14 vorgesehen. Wie bereits erläutert, erlaubt es das dritte Relais 13 zusammen mit dem Widerstand 14, das korrekte Funktionieren der Relais 11, 12, 13 zu prüfen, indem in einer Testprozedur verschiedene Schaltzustände vorgegeben und die resultierenden Batterieströme bzw. -spannungen gemessen werden. Dazu weist das Ausführungsbeispiel der 1 einen zwischen die Batterieausgänge geschalteten Spannungssensor 15 und einen mit dem Batteriezellen 10 in Serie geschalteten Stromsensor 16 auf.
  • 2 zeigt eine Übersicht über verschiedenen Fehlerfälle und deren Detektion. Die Übersicht zeigt sieben in fünf Gruppen unterteilte Fehlerfälle. Für jeden Fehlerfall ist aufgeführt, welches Relais wie angesteuert wird, d. h., welches Relais durch Steuersignale geschlossen und welches geöffnet sein soll. Außerdem ist angegeben, welches Relais mutmaßlich fehlerhaft ist, und zwar entweder „kleben bleibt”, d. h., sich auf ein entsprechendes Steuersignal hin dennoch nicht öffnet, oder aber nicht schließbar ist, d. h. sich auf ein entsprechendes Steuersignal hin dennoch nicht schließt. In einem vierten Teil der Übersicht sind die bei korrektem Funktionieren („soll”) bzw. Fehlfunktion („ist”) zu erwartenden Strom-, Spannungs- oder Zeitkonstantenwerte aufgetragen. Die verschiedenen Fehlerfälle lassen sich somit voneinander eindeutig unterscheiden, so dass bei Prüfen aller möglichen Fehlerfälle das fehlerhafte Relais und die Art der Fehlfunktion bestimmt werden kann. Die Diagnose der Relais findet bevorzugt vor dem Aktivieren bzw. nach dem Deaktivieren des Batteriesystems statt.

Claims (10)

  1. Ein Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (10), welche in Reihe zwischen einen ersten Batteriepol und einen zweiten Batteriepol geschaltet sind, einem zwischen den ersten Batteriepol und einen ersten Ausgang des Batteriesystems geschalteten ersten Relais (11), einem zwischen den zweiten Batteriepol und einen zweiten Ausgang des Batteriesystems geschalteten zweiten Relais (12) und einem Controller, gekennzeichnet durch ein drittes Relais (13), welches in Serie zu einem ersten Widerstand (14) vorbestimmter Größe zwischen den ersten Batteriepol und den ersten Ausgang des Batteriesystems und parallel zum ersten Relais (11) geschaltet ist, wobei der Controller mit den Relais (11, 12, 13) verbunden und ausgebildet ist, die Relais (11, 12, 13) durch Ausgeben eines jeweiligen Steuersignals zu öffnen oder zu schließen.
  2. Das Batteriesystem von Anspruch 1, mit einem zwischen den ersten Ausgang des Batteriesystems und den zweiten Ausgang des Batteriesystems geschalteten Spannungssensor (15), welcher mit dem Controller verbunden und ausgebildet ist, einen Spannungsmesswert zu erfassen und an den Controller auszugeben.
  3. Das Batteriesystem von Anspruch 2, bei dem der Controller ausgebildet ist, die Relais (11, 12, 13) zu öffnen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert größer als ein erster Schwellwert ist.
  4. Das Batteriesystem von einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem der Controller ausgebildet ist, wenigstens eines des ersten Relais (11) und des dritten Relais (13) sowie das zweite Relais (12) zu schließen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert kleiner als ein zweiter Schwellwert ist.
  5. Das Batteriesystem von einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Controller ausgebildet ist, entweder wenigstens eines des ersten Relais (11) und des dritten Relais (13) oder das zweite Relais (12) zu schließen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn der Spannungsmesswert größer als ein dritter Schwellwert ist.
  6. Das Batteriesystem von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem mit den Batteriezellen (10) in Serie geschalteten Stromsensor (16), welcher mit dem Controller verbunden und ausgebildet ist, einen Strommesswert zu erfassen und an den Controller auszugeben.
  7. Das Batteriesystem von Anspruch 6, bei dem der Controller ausgebildet ist, wenigstens eines der ersten Relais (11) und dritten Relais (13) oder das zweite Relais (12) zu öffnen und ein Fehlersignal auszugeben, wenn ein Betrag des Strommesswertes größer als ein vierter Schwellwert ist.
  8. Das Batteriesystem von einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Controller ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der vom Spannungssensor (15) gemessenen Spannung bzw. des vom Stromsensor (16) gemessenen Stromes zu erfassen und eine Zeitkonstante des zeitlichen Verlaufs zu bestimmen.
  9. Das Batteriesystem von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem vierten Relais, welches in Serie zu einem zweiten Widerstand vorbestimmter Größe zwischen den zweiten Batteriepol und den zweiten Ausgang des Batteriesystems und parallel zum zweiten Relais (12) geschaltet ist.
  10. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einem mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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