DE102013207529A1

DE102013207529A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in einen oder aus einem über wenigstens einen Schalter mit einem Stromnetz verbundenen Akkumulator fließenden Stroms

Info

Publication number: DE102013207529A1
Application number: DE102013207529.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in einen oder aus einem über wenigstens einen Schalter, insbesondere Schütz, mit einem Stromnetz verbundenen Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulator, fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Betriebszustand des stromdurchflossenen Schalters die durch den Strom über dem Schalter abfallende Grundspannung erfasst und der Kontaktwiderstand des Schalters ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Kontaktwiderstands des Schalters die Grundspannung mit einer Testwechselspannung überlagert wird, deren Frequenz außerhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt, und wobei die Stromstärke des den Schalter durchfließenden Stroms aus dem Verhältnis der erfassten Grundspannung und des ermittelten Kontaktwiderstands (RK) des Schalters ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen, werden Akkumulatoren eingesetzt, um mit ihnen über ein fahrzeugseitiges Stromnetz elektrische Antriebseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierzu sind die Akkumulatoren meist über Schütze mit den Stromnetzen verbunden. Je nach dem Schaltzustand der Schütze lassen sich somit die Akkumulatoren mit dem Stromnetz verbinden oder von diesem trennen. Als Akkumulatoren werden in der Regel als Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet.
Der in einen oder aus einem solchen Akkumulator fließende Strom muss zur Bestimmung des jeweiligen Ladezustands des Akkumulators und aus Sicherheitsbzw. Diagnosegründen überwacht werden. Hierzu werden Stromsensoren, wie beispielsweise Shuntsensoren oder Hall-Sensoren, eingesetzt, was wegen der typischerweise auftretenden Stromstärken von bis zu mehreren hundert Ampere relativ kostenintensiv ist. Um eine möglichst fehlerfreie Bestimmung der jeweiligen Stromstärke zu ermöglichen, ist es zudem bekannt, zwei Stromsensoren in Reihe zu schalten, die auf unterschiedlichen Messverfahren beruhen. Die von diesen Stromsensoren erzeugten Informationen können dann gegenseitig plausibilisiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in einen oder aus einem über wenigstens einen Schalter, insbesondere Schütz, mit einem Stromnetz verbundenen Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulator, fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Betriebszustand des stromdurchflossenen Schalters die durch den Strom über dem Schalter abfallende Grundspannung erfasst und der Kontaktwiderstand des Schalters ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Kontaktwiderstands des Schalters die Grundspannung mit einer Testwechselspannung überlagert wird, deren Frequenz außerhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt, und wobei die Stromstärke des den Schalter durchfließenden Stroms aus dem Verhältnis der erfassten Grundspannung und des ermittelten Kontaktwiderstands des Schalters ermittelt wird.
Die Stromstärke des den Schalter durchfließenden Stroms entspricht der Stromstärke des in den oder aus dem Akkumulator fließenden Stroms. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung der Stromstärke des in den oder aus dem Akkumulator fließenden Stroms über den Schalter sind keine zusätzlichen und kostenintensiven Stromsensoren zur Erfassung der Stromstärke des in den oder aus dem Akkumulator fließenden Stroms erforderlich.
Da die Ermittlung des Kontaktwiderstands des Schalters und die Erfassung der über dem Schalter abfallenden Grundspannung in verschiedenen, sich nicht überschneidenden Spektralbereichen erfolgen, kann die Ermittlung des Kontaktwiderstands und somit die Ermittlung der Stromstärke des den Schalter durchfließenden Stroms während des geschlossenen Betriebszustandes des Schalters erfolgen, was eine zuverlässige und sichere Überwachung des Betriebszustandes des Akkumulators möglich macht.
Der den Schalter durchfließende Strom kann ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Frequenz der Testwechselspannung oberhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung. Durch die Überlagerung der Grundspannung mit einer solchen Testwechselspannung wird die Grundspannung moduliert. Beispielsweise kann der Strom eine Frequenz von bis zu 10 kHz und die Testwechselspannung eine Frequenz von 100 kHz aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die über dem Schalter abfallende, durch die Überlagerung von Grundspannung und Testwechselspannung erzeugte Überlagerungsspannung mittels eines ersten Verstärkers erfasst. Hierzu ist der erste Verstärker parallel zu dem Schalter geschaltet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Erfassung der Grundspannung die von dem ersten Verstärker erfasste Überlagerungsspannung mittels eines ersten Tiefpasses frequenzgefiltert wird, wobei der erste Tiefpass eine unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung liegende Grenzfrequenz aufweist. Dies ist sinnvoll, wenn die Frequenz der Testwechselspannung oberhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt. Durch die Tiefpass-Filterung der Überlagerungsspannung wird der durch die Testwechselspannung in der Überlagerungsspannung enthaltene Signalanteil aus der Überlagerungsspannung herausgefiltert, so dass nach der Filterung der Überlagerungsspannung die Grundspannung am Ausgang des Tiefpasses vorliegt und erfassbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die über dem Schalter abfallende, durch die Überlagerung von Grundspannung und Testwechselspannung erzeugte Überlagerungsspannung mittels eines zweiten Verstärkers erfasst wird. Hierzu ist auch der zweite Verstärker parallel zu dem Schalter zu schalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die von dem zweiten Verstärker erfasste Überlagerungsspannung zur Erzeugung einer Zwischenspannung mittels eines Multiplizierers mit der Testwechselspannung multipliziert. Die Zwischenspannung kann anschließend in einen frequenzabhängigen und einen frequenzunabhängigen Teil zerlegt werden.
Es wird weiter als vorteilhaft erachtet, wenn die Zwischenspannung zur Erzeugung eines gefilterten Spannungssignals mittels eines zweiten Tiefpasses frequenzgefiltert wird, der eine unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung liegende Grenzfrequenz aufweist. Hierdurch kann der frequenzabhängige Teil der Zwischenspannung herausgefiltert werden, so dass von der Zwischenspannung allein der frequenzunabhängige Teil am Ausgang des Tiefpasses vorliegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die erfasste Grundspannung und das gefilterte Spannungssignal einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und von diesem zur Erzeugung eines der Grundspannung zugeordneten ersten Spannungsendsignals und eines dem gefilterten Spannungssignal zugeordneten zweiten Spannungsendsignals umgesetzt. Hierdurch sind die Grundspannung und das gefilterte Spannungssignal in Form des ersten Spannungsendsignals bzw. des zweiten Spannungsendsignals von einer elektronischen Auswertungseinrichtung verarbeitbar.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die von dem Analog-Digital-Wandler erzeugten Spannungsendsignale einer elektronischen Auswertungseinrichtung zugeführt, die eingerichtet ist, aus dem zweiten Spannungssignal den Kontaktwiderstand des Schalters zu ermitteln und das erste Spannungsendsignal in Verhältnis zu dem ermittelten Kontaktwiderstand des Schalters zu setzen. Die elektronische Auswertungseinrichtung kann ein bereits vorhandener Teil einer Fahrzeugelektronik oder eine separat hierzu anordbare Einrichtung sein.
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug, aufweisend einen Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulator, ein mit wenigstens einer elektrischen Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs verbindbares Stromnetz und eine elektronische Einrichtung zur Überwachung des Zustands des Antriebssystems, wobei der Akkumulator über wenigstens einen Schalter, insbesondere Schütz, mit dem Stromnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben eingerichtet ist. Damit sind die oben genannten Vorteile verbunden. Die elektronische Einrichtung kann ein bereits vorhandener Teil einer Fahrzeugelektronik oder eine separat hierzu anordbare Einrichtung sein.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die elektronische Einrichtung: eine in Reihe zu dem Schalter schaltbare Wechselspannungsquelle, mit der eine Testwechselspannung erzeugbar ist, deren Frequenz außerhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt; einen in Reihe zu der Wechselspannungsquelle geschalteten elektrischen Widerstand; zwei parallel zu dem Schalter schaltbare Verstärker; zwei Tiefpässe, von denen jeweils einer einem der Verstärker in Reihe nachgeschaltet ist und deren jeweilige Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung liegt; einen einem der Verstärker in Reihe nachgeschalteten, mit der Wechselspannungsquelle verbundenen Multiplizierer; und eine mit den Ausgängen der Tiefpässe verbundene elektronische Auswertungseinrichtung. Eine solche Ausgestaltung der elektronischen Einrichtung ist zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
1: einen beispielhaften Schaltplan einer mit einem Schalter verbundenen elektronischen Einrichtung des erfindungsgemäßen Antriebssystems und
2: eine beispielhafte Darstellung weiterer Details der in 1 gezeigten elektronischen Einrichtung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die elektronische Einrichtung 1 des erfindungsgemäßen Antriebssystems 2 für ein nicht gezeigtes, elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Das Antriebssystem 2 umfasst einen nicht gezeigten Akkumulator in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators und ein mit wenigstens einer elektrischen Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs verbindbares, nicht dargestelltes Stromnetz. Der Akkumulator ist über einen als Schütz ausgebildeten Schalter mit dem Stromnetz verbunden, wobei der Schalter in Form seines Kontaktwiderstands R_K dargestellt ist. Im gezeigten geschlossenen Betriebszustand des Schalters wird dieser von einem in den oder aus dem Akkumulator fließenden Strom durchflossen, wodurch an dem Schalter eine Grundspannung abfällt.
Die elektronische Einrichtung 1 umfasst eine in Reihe zu dem Schalter geschaltete Wechselspannungsquelle 3, mit der eine Testwechselspannung u(t) = U₀·sin(ω·t) erzeugbar ist, deren Frequenz oberhalb des Frequenzspektrums der an dem Schalter abfallenden Grundspannung liegt. Ein Anschluss der Wechselspannungsquelle 3 ist mit einem Anschluss des Schalters und der andere Anschluss der Wechselspannungsquelle 3 ist über einen in Reihe zu der Wechselspannungsquelle 3 geschalteten elektrischen Vorwiderstand R_P mit dem anderen Anschluss des Schalters verbunden. Wenn der Kontaktwiderstand R_K des Schalters wesentlich kleiner als der Vorwiderstand R_P gewählt wird (R_K«R_P), so gilt für die durch die Testwechselspannung u(t) erzeugte Stromstärke des durch den Schalter fließenden Stroms
Die elektronische Einrichtung 1 umfasst weiter zwei parallel zu dem Schalter geschaltete Verstärker 4 und 5 auf, mittels denen jeweils die über dem Schalter abfallende, durch die Überlagerung von Grundspannung und Testwechselspannung u(t) erzeugte Überlagerungsspannung erfasst wird. Von den Verstärkern 4 und 5 wird jeweils die durch die Testwechselspannung u(t) an dem Schalter abfallende Wechselspannung
gemessen.
Zur Erfassung der an dem Schalter abfallenden Grundspannung wird die von dem ersten Verstärker 4 erfasste Überlagerungsspannung mittels eines ersten Tiefpasses 6 frequenzgefiltert, wobei der erste Tiefpass 6 eine unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung u(t) liegende Grenzfrequenz aufweist. Die Grundspannung kann an der Anschlussstelle 7 abgegriffen und einem in 2 gezeigten Analog-Digital-Wandler 10 zugeführt und von diesem zu einem ersten Spannungsendsignal umgesetzt werden, welches einer elektronischen Auswertungseinrichtung 11 in Form eines Mikrocontrollers zugeführt werden kann.
Die elektronische Einrichtung 1 weist des Weiteren einen dem zweiten Verstärker 5 in Reihe nachgeschalteten, mit der Wechselspannungsquelle 3 verbundenen Multiplizierer 8 auf. Mit dem Multiplizierer 8 wird die über dem Schalter durch die Testwechselspannung u(t) abfallende Wechselspannung u_K(t) mit der von der Wechselspannungsquelle 3 erzeugten Testwechselspannung u(t) multipliziert. Für die aus dieser Multiplikation folgende Zwischenspannung u_M(t) folgt
wobei a die Verstärkung des Verstärkers 5 bezeichnet. Diese Gleichung lässt sich umformen zu
Dem Verstärker 5 ist ein zweiter Tiefpass 9 in Reihe nachgeschaltet, dessen Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung u(t) liegt. Nach Filterung der Zwischenspannung u_M(t) mittels des Tiefpasses 9 liegt am Ausgang des Tiefpasses 9 ein frequenzgefiltertes und zeitunabhängiges Spannungssignal
vor. Da die Werte für R_P, a und U₀ konstant und bekannt sind, entsteht der Zusammenhang U_out~R_K. Das gefilterte Spannungssignal U_out kann an der Anschlussstelle 12 abgegriffen und entsprechend 2 einem Analog-Digital-Wandler 10 zugeführt und von diesem zu einem zweiten Spannungsendsignal umgesetzt werden, welches einer elektronischen Auswertungseinrichtung 11 in Form eines Mikrocontrollers zugeführt werden kann. Zur Ermittlung des Kontaktwiderstands R_K des Schalters sind die Werte für R_P, a und U₀ in der elektronischen Auswertungseinrichtung 11 hinterlegt oder von dieser von einem nicht gezeigten weiteren Speichermedium abrufbar. Hierdurch ist die elektronische Auswertungseinrichtung 11 eingerichtet, aus dem zweiten Spannungsendsignal den Kontaktwiderstand R_K des Schalters zu ermitteln und das erste Spannungsendsignal in Verhältnis zu dem ermittelten Kontaktwiderstand R_K des Schalters zu setzen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Stromstärke eines in einen oder aus einem über wenigstens einen Schalter, insbesondere Schütz, mit einem Stromnetz verbundenen Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulator, fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, dass im geschlossenen Betriebszustand des stromdurchflossenen Schalters die durch den Strom über dem Schalter abfallende Grundspannung erfasst und der Kontaktwiderstand (R_K) des Schalters ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Kontaktwiderstands (R_K) des Schalters die Grundspannung mit einer Testwechselspannung (u(t)) überlagert wird, deren Frequenz außerhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt, und wobei die Stromstärke des den Schalter durchfließenden Stroms aus dem Verhältnis der erfassten Grundspannung und des ermittelten Kontaktwiderstands (R_K) des Schalters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Testwechselspannung (u(t)) oberhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über dem Schalter abfallende, durch die Überlagerung von Grundspannung und Testwechselspannung (u(t)) erzeugte Überlagerungsspannung mittels eines ersten Verstärkers (4) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Grundspannung die von dem ersten Verstärker (4) erfasste Überlagerungsspannung mittels eines ersten Tiefpasses (6) frequenzgefiltert wird, wobei der erste Tiefpass (6) eine unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung (u(t)) liegende Grenzfrequenz aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über dem Schalter abfallende, durch die Überlagerung von Grundspannung und Testwechselspannung (u(t)) erzeugte Überlagerungsspannung mittels eines zweiten Verstärkers (5) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem zweiten Verstärker (5) erfasste Überlagerungsspannung zur Erzeugung einer Zwischenspannung (u_M(t)) mittels eines Multiplizierers (8) mit der Testwechselspannung (u(t)) multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspannung (u_M(t)) zur Erzeugung eines gefilterten Spannungssignals (U_out) mittels eines zweiten Tiefpasses (9) frequenzgefiltert wird, der eine unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung (u(t)) liegende Grenzfrequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Grundspannung und das gefilterte Spannungssignal (U_out) einem Analog-Digital-Wandler (10) zugeführt und von diesem zur Erzeugung eines der Grundspannung zugeordneten ersten Spannungsendsignals und eines dem gefilterten Spannungssignal (U_out) zugeordneten zweiten Spannungsendsignals umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Analog-Digital-Wandler (10) erzeugten Spannungsendsignale einer elektronischen Auswertungseinrichtung (11) zugeführt werden, die eingerichtet ist, aus dem zweiten Spannungssignal (U_out) den Kontaktwiderstand (R_K) des Schalters zu ermitteln und das erste Spannungsendsignal in Verhältnis zu dem ermittelten Kontaktwiderstand (R_K) des Schalters zu setzen.
Antriebssystem (2) für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridelektrofahrzeug, aufweisend einen Akkumulator, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulator, ein mit wenigstens einer elektrischen Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs verbindbares Stromnetz und eine elektronische Einrichtung (1) zur Überwachung des Zustands des Antriebssystems (2), wobei der Akkumulator über wenigstens einen Schalter, insbesondere Schütz, mit dem Stromnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Antriebssystem (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung (1) aufweist: eine in Reihe zu dem Schalter schaltbare Wechselspannungsquelle (3), mit der eine Testwechselspannung (u(t)) erzeugbar ist, deren Frequenz außerhalb des Frequenzspektrums der Grundspannung liegt; einen in Reihe zu der Wechselspannungsquelle (3) geschalteten elektrischen Widerstand (R_P); zwei parallel zu dem Schalter schaltbare Verstärker (4, 5); zwei Tiefpässe (6, 9), von denen jeweils einer einem der Verstärker (4, 5) in Reihe nachgeschaltet ist und deren jeweilige Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz der Testwechselspannung (u(t)) liegt; einen einem der Verstärker (5) in Reihe nachgeschalteten, mit der Wechselspannungsquelle (3) verbundenen Multiplizierer (8); und eine mit den Ausgängen der Tiefpässe (6, 9) verbundene elektronische Auswertungseinrichtung (11).