DE102012222849A1

DE102012222849A1 - Verteilte isolationserfassungsschalttechnik für batteriepack

Info

Publication number: DE102012222849A1
Application number: DE102012222849A
Authority: DE
Inventors: Benjamin A. Tabatowski-Bush
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-06-20
Also published as: CN103158575A; US20130154656A1; CN103158575B; US9404956B2

Abstract

Ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug weist mindestens zwei Batteriepacks, die voneinander beabstandet sind, auf. Ein erster Batteriepack weist eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Umschaltelement auf, das elektrisch mit den Batteriezellen verbunden ist. Ein zweiter Batteriepack weist einen Widerstand auf, der elektrisch mit dem Umschaltelement in Serie geschaltet ist, und Sensorschalttechnik, die konfiguriert ist, Spannung an dem Widerstand zu erfassen, die Leckstrom in Zusammenhang mit dem ersten Batteriepack anzeigt.

Description

Diese Offenbarung betrifft Isolationserfassungsschalttechnik für Batteriepacks, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Zum Erhöhen des Ausgangs einer Stromversorgung zum Antreiben eines elektrischen Fahrzeugs oder elektrischen Hybridfahrzeugs kann Hochspannung erforderlich sein: Der Ausgang ist zum Produkt von Spannung und Stromstärke proportional. Die Ausgangsspannung einer Stromversorgung zum Antreiben eines elektrischen Fahrzeugs oder elektrischen Hybridfahrzeugs kann zum Beispiel 200 V oder mehr betragen. Diese Stromversorgungen können ungeerdet sein. Daher können Leckströme in Zusammenhang mit diesen Stromversorgungen unerwünscht sein. Ein Leckstrom kann existieren, wenn ein Widerstand zwischen einer Stromversorgung und einem Chassis vorliegt.
Ein Fahrzeug kann einen ersten und einen zweiten Batteriepack enthalten, die voneinander innerhalb des Fahrzeugs beabstandet sind, sowie eine Leckerfassungsschaltung. Die Leckerfassungsschaltung kann einen ersten Präzisionswiderstand aufweisen, der innerhalb des ersten Batteriepacks angeordnet und elektrisch mit der Chassiserdung verbunden ist, und ein Umschaltelement und einen ersten in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand, der innerhalb des zweiten Batteriepacks angeordnet und elektrisch mit dem ersten Präzisionswiderstand in Serie geschaltet ist. Die Leckerfassungsschaltung reagiert auf Leckströme innerhalb des zweiten Batteriepacks.
Ein Kraftfahrzeug kann eine Vielzahl von Batteriepacks enthalten, die an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Fahrzeugs positioniert sind. Einer der Packs kann eine Vielzahl von Widerständen enthalten, die jeweils elektrisch mit der Chassiserdung und einem anderen der Packs verbunden sind, und Sensorschalttechnik, die konfiguriert ist, Spannung an jedem der Widerstände zu erfassen. Das Fahrzeug kann ferner mindestens einen Controller aufweisen, der konfiguriert ist, das Vorliegen von Leckströmen, die mit anderen der Packs zusammenhängen, basierend auf den erfassten Spannungen zu bestimmen.
Ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug kann einen ersten Batteriepack aufweisen, der eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Umschaltelement, das elektrisch mit den Batteriezellen verbunden ist, aufweist. Das Stromversorgungssystem kann auch einen zweiten Batteriepack aufweisen, der von dem ersten Batteriepack beabstandet ist und einen Widerstand aufweist, der elektrisch mit dem Umschaltelement in Serie geschaltet ist, und Sensorschalttechnik, die konfiguriert ist, Spannung an dem Widerstand, die einen Leckstrom in Zusammenhang mit dem ersten Batteriepack anzeigt, zu erfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Batteriepacks und der dazugehörenden Isolationserfassungsschalttechnik für ein Kraftfahrzeug.
2 ist ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit alternativem Antrieb, das einen verteilten Satz von Batteriepacks hat.
3 ist ein schematisches Diagramm des verteilten Satzes von Batteriepacks der 2 und der dazugehörenden Isolationserfassungsschalttechnik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie vorgeschrieben, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, man muss jedoch verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen bloße Beispiele der Erfindung sind und in verschiedenen und alternativen Formen umgesetzt werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabgerecht, bestimmte Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Bauteile zu zeigen. Die spezifischen Struktur- und Funktionseinzelheiten, die hier offenbart werden, dürfen daher nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern nur als eine repräsentative Basis für das Belehren eines Fachmanns zu unterschiedlichen Verwendungen der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Batteriepack 10 für ein Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) eine Vielzahl von Batteriezellen 12a–12n (elektrisch in Serie geschaltet), Umschalter 14, 16 (zum Beispiel Schalter usw.), eine Isolationserfassungsschalttechnik 18 und Sensorschalttechnik 19 aufweisen, die innerhalb eines Gehäuses 20 angeordnet sind. Die Umschalter 14, 16 können elektrisch geschlossen werden, um die Batteriezellen 12a–12n mit Klemmen 22, 24 zu verbinden, die zu einem Hochspannungsbus gehören. Wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, kann ein Elektromotor, der konfiguriert ist, Antriebskraft für das Fahrzeug zu erzeugen, elektrisch mit einem solchen Hochspannungsbus verbunden sein. Die Batteriezellen 12a–12n können daher Strom für den Verbrauch durch den Elektromotor bereitstellen.
Die Isolationserfassungsschalttechnik 18 weist einen Umschalter 26, einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 28 und einen (Präzisions-)Widerstand 30 auf, der elektrisch zwischen der Chassiserdung und einem Knoten, der von der elektrischen Verbindung zwischen der Batteriezelle 12a und dem Umschalter 14 (hier Knoten A genannt) definiert ist, in Serie geschaltet ist. Die Isolationserfassungsschalttechnik 18 weist ebenfalls einen Umschalter 32, einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 34 und einen (Präzisions-)Widerstand 36, der elektrisch zwischen der Chassiserdung und einem Knoten in Serie geschaltet ist, der von der elektrischen Verbindung zwischen der Batteriezelle 12n und dem Umschalter 16 (hier Knoten B genannt) definiert ist, auf. Die Spannung an jedem der Widerstände 30, 36 ist zu dem Strom, der durch sie fließt, proportional.
Ein Stromleck an dem Knoten A kann durch Öffnen des Umschalters 26, Schließen der Umschalter 14, 16, 32 und Messen der Spannung an dem Widerstand 36 erfasst werden. (Das heißt, dass ein ohmsches Leck absichtlich zwischen dem Knoten B und dem Chassis geschaffen wird, und dass die resultierende Spannung an dem Widerstand 36 über die Sensorschalttechnik 19 gemessen wird. Das ohmsche Gesetz kann dann verwendet werden, um den Strom zu bestimmen, der durch den Widerstand 36 fließt, der gleich dem Leckstrom ist, der mit dem Knoten A zusammenhängt). Ähnlich kann ein Stromleck an dem Knoten B durch Öffnen des Umschalters 32, Schließen der Umschalter 14, 15, 26 und Messen der Spannung an dem Widerstand 30 erfasst werden. Weitere Techniken und Architekturen können ebenfalls verwendet werden, um Stromlecks in einem einzelnen Batteriepack zu erfassen.
Unter Bezugnahme auf 2 kann ein alternatives Batteriefahrzeug 38 (zum Beispiel ein elektrisches Batteriefahrzeug, ein elektrisches Hybridfahrzeug, ein Plug-In-Hybridfahrzeug usw.) einen Elektromotor 40 (zum Beispiel Motor, Motor/Generator usw.), ein Getriebe 42 (zum Beispiel Leistungsverzweigung, mechanisch usw.) sowie Räder 44 aufweisen. Der Elektromotor 40 ist eingerichtet, das Getriebe 42 (wie durch die dicke Linie angezeigt) anzutreiben, und das Getriebe 42 ist eingerichtet, die Räder 44 (wie von der dicken Linie angezeigt) mechanisch anzutreiben. Wenn das Fahrzeug 38 ein Hybridfahrzeug ist, kann es natürlich einen Motor (nicht gezeigt) aufweisen, der eingerichtet ist, ebenfalls das Getriebe 42 wahlweise mechanisch anzutreiben. Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich.
Das Fahrzeug 38 kann auch Batteriepacks 46, 48 (oder mehr Batteriepacks in bestimmten Anordnungen) und Controller 50, 51, die jeweils innerhalb der Batteriepacks 46, 48 angeordnet sind, aufweisen. Die Batteriepacks 46, 48 sind elektrisch miteinander in Serie geschaltet (wie durch die dünne Linie angezeigt), und der Batteriepack 46 ist elektrisch mit dem Elektromotor 40 verbunden (wie durch die dünne Linie angezeigt). Daher können die Batteriepacks 46, 48 Strom für den Verbrauch durch den Elektromotor 40 bereitstellen. In dem Beispiel der 2 sind die Batteriepacks 46, 48 über das Fahrzeug 38 verteilt. Das heißt, dass der Batteriepack 46 an einer bestimmten Stelle innerhalb des Fahrzeugs 38 positioniert ist (zum Beispiel innerhalb des Fahrzeuginnenraums), und der Batteriepack 48 an einer unterschiedlichen Stelle innerhalb des Fahrzeugs 38 (zum Beispiel unterhalb des Fahrzeuginnenraums) positioniert ist. Derartige Batteriepackanordnungen können verwendet werden, um Batteriezellen innerhalb des Fahrzeugs 38 besser zu verpacken. Bei anderen Beispielen können die Controller 50, 51 von den Batteriepacks 46, 48 getrennt sein; die Batteriepacks 46, 48 können elektrisch miteinander parallel geschaltet sein, und/oder die Batteriepacks 46, 48 können elektrisch mit dem Elektromotor 40 verbunden sein. Andere Anordnungen werden ebenfalls in Betracht gezogen.
Der Batteriepack 46 ist mit dem Controller 50 verbunden/unter dessen Kontrolle. Der Batteriepack 48 ist mit dem Controller 51 verbunden/unter dessen Kontrolle. Die Controller 50, 51 kommunizieren miteinander (wie durch eine gestrichelte Linie angezeigt).
Stromlecks können innerhalb eines oder in beiden Batteriepacks 46, 48 auftreten. Daher kann es wünschenswert sein, das Vorliegen solcher Lecks zu erfassen. Das bloße Bereitstellen von Isolationserfassungsschalttechnik ähnlich der, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, in jedem der Batteriepacks 46, 48, kann sich jedoch als unpraktisch erweisen. Es kann zum Beispiel kostspielig sein, Sensorschalttechnik ähnlich der, die in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, in jedem der Batteriepacks 46, 48 bereitzustellen. Ferner kann es schwierig sein, Isolationsprüfungen der Batteriepacks, die so angeordnet sind, zu koordinieren. Wie unten ausführlicher besprochen, können die Batteriepacks 46, 48 Isolationserfassungsschalttechnik aufweisen, die das Erfassen von Stromlecks mit zentral liegender Sensorschalttechnik ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 3 kann ein Batteriepack 46 den Controller 50, eine Vielzahl von Batteriezellen 52a–52n (elektrisch in Serie geschaltet), Umschalter 54 (zum Beispiel einen Schalter usw.), eine Isolationserfassungsschalttechnik 56 und Sensorschalttechnik 58 aufweisen, die innerhalb eines Gehäuses 60 angeordnet sind. Der Umschalter 54 kann geschlossen werden, um die Batteriezellen elektrisch mit einer Klemme 61, die elektrisch mit einem Hochspannungsbus (nicht gezeigt) verbunden ist, zu verbinden. Der Elektromotor 40 (2) ist ebenfalls mit diesem Hochspannungsbus elektrisch verbunden.
Die Isolationserfassungsschalttechnik 56 kann einen Umschalter 62, einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 64 und einen (Präzisions-)Widerstand 66, der elektrisch zwischen der Chassiserdung und einem Knoten in Serie geschaltet ist, der von der elektrischen Verbindung zwischen der Batteriezelle 52a und dem Umschalter 54 (hier Knoten X genannt) definiert ist, aufweisen. Die Isolationserfassungsschalttechnik 56 kann auch einen Umschalter 68, einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 70, und einen (Präzisions-)Widerstand 72, der elektrisch zwischen der Chassiserdung und einem Knoten, der von der elektrischen Verbindung zwischen der Batteriezelle 52n und einer Batteriezelle 74a definiert ist (hier Knoten Y genannt), in Serie geschaltet ist, aufweisen. Die Spannung an jedem der Widerstände 66, 72 ist zu dem Strom, der durch sie fließt, proportional. Der Batteriepack 48 kann den Controller 51, eine Vielzahl von Batteriezellen 74a–74n (elektrisch in Serie geschaltet) und den Umschalter 76, der innerhalb eines Gehäuses 78 angeordnet ist, aufweisen. Der Umschalter 76 kann geschlossen werden, um die Batteriezellen elektrisch mit einer Klemme 80, die elektrisch mit dem oben beschriebenen Hochspannungsbus und dem Elektromotor 40 (2) verbunden ist, zu verbinden.
Isolationserfassungsschalttechnik 82 ist zwischen den Batteriepacks 46, 48 verteilt. In dem Beispiel der 3 kann die Isolationserfassungsschalttechnik 82 einen Umschalter 84 und einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 86, der innerhalb des Gehäuses 78 angeordnet ist, sowie einen (in Serie geschalteten Begrenzungs-)Widerstand 88 und einen (Präzisions-)Widerstand 90, der in dem Gehäuse 60 angeordnet ist, aufweisen. Daher kann die zentral liegende Sensorschalttechnik 58, die in diesem Beispiel zu dem Batteriepack 46 gehört, verwendet werden, um die Spannung an einem beliebigen der Widerstände 66, 72, 90 anhand eines Analog-Digital-Wandlers, dessen Bezugsknoten mit der Chassiserdung verbunden ist, zu erfassen. Eine Multiplexerschaltung, wie man sie gewöhnlich in derartigen Wandlern findet, kann danach verwendet werden, um unter den Spannungen, die zu den Widerständen 66, 72, 90 gehören, auszuwählen. Der Umschalter 84 und der Widerstand 86 sind elektrisch zwischen dem Widerstand 88 und einem Knoten, der von der elektrischen Verbindung zwischen der Batteriezelle 74n und dem Umschalter 76 definiert ist (hier Knoten Z genannt) in Serie geschaltet. Die Widerstände 88, 90 sind elektrisch zwischen der Chassiserdung und dem Widerstand 86 in Serie geschaltet. Die Widerstände 86, 88 verhindern übermäßigen Strom daran, durch sie zu fließen, wenn ihre zugehörigen Drähte kurzgeschlossen werden. Einer der Widerstände 86, 88 kann bei anderen Ausführungsformen weggelassen werden. Ein derartiges Weglassen kann jedoch zu Wärmeproblemen oder anderen Problemen führen.
Der Controller 50 kann unter anderem die Isolationserfassungsschalttechnik 56, die Sensorschalttechnik 58 und die Widerstände 88, 90 aufweisen. Der Controller 51 kann unter anderem den Umschalter 84 und den Widerstand 86 aufweisen. Andere Konfigurationen werden ebenfalls in Betracht gezogen.
Diese Architektur kann mit einer beliebigen Anzahl von Batteriepacks verwendet werden. Ein zentraler Batteriepack kann daher zentral liegende Sensorschalttechnik und (Präzisions-)Widerstände aufweisen, die elektrisch mit der Chassiserdung für jeden einzelnen eines Satzes von Satelliten-Batteriepacks verbunden sind. Jeder der (Präzisions-)Widerstände kann dann elektrisch mit einem Umschalter, der sich in einem entsprechenden Satelliten-Batteriepack befindet, über einen oder mehrere (in Serie geschaltete Begrenzungs-)Widerstände verbunden werden, die sich innerhalb des Satelliten-Batteriepacks und/oder in dem zentralen Batteriepack befinden, ähnlich wie der, der unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich.
Die Controller 50, 51 können funktionieren, um zu bestimmen, ob die Isolationserfassungsschaltungen 56, 82 und die Sensorschalttechnik 58 ordnungsgemäß funktionieren: (a) der Umschalter 68 kann geöffnet werden, die Umschalter 62, 84 können geschlossen werden, und die Spannungen an den Widerständen 66, 90 und die Spannung von dem Knoten X zu dem Knoten Z können gemessen werden. Diese Information kann dann gemäß (1) und (2) beurteilt werden: Vpack-est = ((V66/R66)·(R66 + R64)) + ((V90/R90)·(R90 + (R88 + R86))) (1) |Vpack-est – VXZ| ≤ α (2) wobei VXZ der Spannungsunterschied zwischen den Knoten X und Z ist, V66 die Spannung an dem Widerstand 66 ist, V90 die Spannung an dem Widerstand 90 ist, R64, R66, R86 und R88 jeweils die Widerstände der Widerstände 64, 66, 86 und 88 sind und α ein vorbestimmter Wert ist, (b) der Umschalter 84 kann geöffnet werden, die Umschalter 62, 68 können geschlossen werden und die Spannungen an den Widerständen 66, 72 und die Spannung von dem Knoten X zu dem Knoten Y können gemessen werden. Diese Information kann dann gemäß (3) und (4) beurteilt werden: V2pack-est = ((V66/R66)·(R66 + R64)) + ((V72/R72)·(R72 + R70)) (3) |V2pack-est – VXY| ≤ β (4) wobei VXY der Spannungsunterschied zwischen den Knoten X und Y ist, V66 die Spannung an dem Widerstand 66 ist, V72 die Spannung an dem Widerstand 72 ist, R64, R66, R70 und R72 jeweils die Widerstände der Widerstände 64, 66, 70 und 72 sind und β ein vorbestimmter Wert ist, und (c) der Umschalter 62 kann geöffnet werden, die Umschalter 68, 84 können geschlossen werden und die Spannungen an den Widerständen 72, 90 und die Spannung von dem Knoten Y zu dem Knoten Z können gemessen werden. Diese Information kann dann gemäß (5) und (6) beurteilt werden: V3pack-est = ((V90/R90)·(R90 + R88)) + ((V72/R72)·(R72 + R70)) (5) |V3pack-est – VYZ| ≤ γ (6) wobei VYZ der Spannungsunterschied zwischen den Knoten Y und Z ist, V90 die Spannung an dem Widerstand 90 ist, V72 die Spannung an dem Widerstand 72 ist, R70, R72, R88 und R90 jeweils die Widerstände der Widerstände 70, 72, 88 und 90 sind und γ ein vorbestimmter Wert ist.
Wenn (2), (4) und (6) wahr sind, sind die Isolationserfassungsschaltungen 56, 82 und die Sensorschalttechnik 58 funktionstüchtig. Wenn eine der Aussagen (2), (4) und (6) nicht wahr ist, sind die Isolationserfassungsschaltungen 56, 82 oder die Sensorschalttechnik 58 nicht funktionstüchtig.
Die Controller 50, 51 können eine Leckprüfung von dem Knoten X zu dem Chassis ausführen: Der Umschalter 84 kann geschlossen werden, die Umschalter 62, 68 können geöffnet werden und die Spannung an dem Widerstand 90, V90, und die Spannung von dem Knoten X zu dem Knoten Z, VXZ, können gemessen werden. Der Systemleckwiderstand Rleakx kann auch als eine Funktion von VXZ und V90 ausgedrückt werden: VXZ·(R90/(R90 + R88 + R86 + Rleakx)) = V90 (7) wobei R86, R88 und R90 jeweils die bekannten Widerstände der Widerstände 86, 88, 90 sind. (7) kann neu eingerichtet werden, um anhand bekannter Techniken Rleakx zu lösen.
Die Controller 50, 51 können eine Leckprüfung von dem Knoten Z zu dem Chassis ausführen: der Umschalter 62 kann geschlossen werden, die Umschalter 68, 84 können geöffnet werden und die Spannung an dem Widerstand 66, V66, und die Spannung von dem Knoten X zu dem Knoten Z, VXZ, können gemessen werden. Der Systemleckwiderstand Rleakz kann auch als eine Funktion von VXZ und V66 ausgedrückt werden: VXZ·[R66/(R66 + R64 + Rleakz)] = V66 (8) wobei R64 und R66 jeweils die bekannten Widerstände der Widerstände 64, 66 sind. (8) kann neu eingerichtet werden, um anhand bekannter Techniken Rleakz zu lösen. Auch wenn oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, wird nicht bezweckt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Spezifikation verwendeten Wörter sind vielmehr beschreibende Wörter als eine Einschränkung, und man muss verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können, ohne den Sinn und den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug, aufweisend: einen ersten Batteriepack, der eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Umschaltelement, das elektrisch mit den Batteriezellen verbunden ist, aufweist, und einen zweiten Batteriepack, der von dem ersten Batteriepack beabstandet ist und (i) einen Widerstand aufweist, der elektrisch mit dem Umschaltelement in Serie geschaltet ist, und (ii) Sensorschalttechnik, die konfiguriert ist, Spannung an dem Widerstand, die einen Leckstrom in Zusammenhang mit dem ersten Batteriepack anzeigt, zu erfassen.
System nach Anspruch 1, wobei der Widerstand ein Präzisionswiderstand ist.
System nach Anspruch 2, wobei der erste Batteriepack ferner einen in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand aufweist, der elektrisch zwischen dem Umschaltelement und dem Präzisionswiderstand verbunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei der zweite Batteriepack ferner einen in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand aufweist, der elektrisch zwischen dem Umschaltelement und dem Präzisionswiderstand verbunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei der zweite Batteriepack ferner einen weiteren Präzisionswiderstand aufweist und wobei die Sensorschalttechnik ferner konfiguriert ist, Spannung an dem anderen Präzisionswiderstand, die Leckstrom in Zusammenhang mit dem zweiten Batteriepack anzeigt, zu erfassen.