DE102014206511A1

DE102014206511A1 - Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes

Info

Publication number: DE102014206511A1
Application number: DE102014206511.9A
Authority: DE
Inventors: Olivier Cois
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US10242828B2; CN107004540B; US20170018384A1; CN107004540A; WO2015150131A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes, welches als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung einer Spannungsquelle von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird, wobei eine erste Verlustleistung (22), die über die Schützkontakte umgesetzt wird, und eine zweite Verlustleistung (23), die über die Erregerspule umgesetzt wird, ermittelt werden, die erste Verlustleistung (22) und die zweite Verlustleistung (23) als Eingangsgrößen einem thermischen Modell (21) des Schaltschützes zugeführt werden, das thermische Modell (21) in Abhängigkeit wenigstens einer der Eingangsgrößen eine Schützkontakttemperatur (24) ermittelt und als Ausgangsgröße bereitstellt und die bereitgestellte Schützkontakttemperatur (24) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes, welches als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung einer Spannungsquelle von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird.
Stand der Technik
Mittels einer Erregerspule steuerbare Schaltschütze sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift DE 10 2010 032 456 A1 ein elektrisches Schaltschütz mit Haupt- und Nebenkontakten als Schützkontakten. Solche Schaltschütze werden dabei insbesondere in Batteriesystemen von zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen eingesetzt, um im Bedarfsfall, beispielsweise bei einem Fehler in der Batterie des Batteriesystems oder einem Fahrzeugunfall, die Batterie galvanisch von dem Fahrzeug oder von einer Ladeeinrichtung zum Nachladen der Batterie, also von einer elektrischen Verbrauchereinrichtung, zu trennen.
Dabei besteht das Problem, dass mit jedem Schaltvorgang die Schaltschütze altern, das heißt die Schützkontakte werden hochohmiger. Gründe hierfür liegen neben der mechanischen Belastung in den Trennvorgängen unter Last. Wenn ein Schaltschütz hohe Ströme trennt beziehungsweise hohe Ströme über die Schützkontakte des Schaltschützes fließen, kommt es zum sogenannten Abbrand der Schützkontakte, insbesondere bei Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den Schützkontakten. Da der Abbrand zu einer Reduzierung des Kontaktmaterials der Schützkontakte führt, verschleißen die Schützkontakte mit der Zeit, was zu einer begrenzten Lebensdauer solcher Schaltschütze führt und diese hochohmiger macht. Um die vollständige Funktionsfähigkeit einer Trenneinheit sicherzustellen, muss das Schaltschütz beziehungsweise müssen die Schaltschütze der Trenneinheit daher in bestimmten zeitlichen Abständen ausgetauscht werden. Dabei ist es wünschenswert zu wissen, zu welchem Zeitpunkt die Schaltschütze ausgetauscht werden sollten. Hierfür ist eine Überwachung der Schaltschütze erforderlich.
Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Schaltschützes ist es bekannt zu prüfen beziehungsweise zu überwachen, ob die Schützkontakte noch öffnen. Problematisch hierbei ist, dass ein einmal infolge einer Lichtbogenausbildung verschweißter oder teilweise verschweißter Schützkontakt sich wieder lösen kann, beispielsweise aufgrund von Fahrzeugvibrationen, und das Schaltschütz dann nach dem nächsten Schalten einen hohen Kontakt-Übergangswiderstand aufweist, ohne dass die Überwachung dies erkennen würde. Der hohe Übergangswiderstand kann dabei bei hohen elektrischen Strömen zu einer starken Temperaturerhöhung der Schützkontakte führen. So fließen innerhalb eines normalen Fahrzyklus über die Schützkontakte Ströme von beispielsweise 100 A bis hin zu 400 A (A: Ampere). Bei einem Strom von 200 A und einem Kontakt-Übergangswiderstand von 1 mΩ (mΩ: Milliohm) wird bereits eine Verlustleistung von 40 W (W: Watt) über die Schützkontakte umgesetzt. Bei einem Strom von 400 A beträgt die Verlustleistung sogar 160 W. Daher können sich die Schützkontakte bei einem hohen elektrischen Kontakt-Übergangswiderstand und hohen Strömen stark erwärmen, wodurch das Risiko eines thermischen Störungsfalls ansteigt.
Eine weitere bekannte Überwachungsmöglichkeit besteht darin, die Anzahl der Schützaktivierungen zu zählen und bei einer vorbestimmten Anzahl von Schützaktivierungen von einem solchen Verschleiß des Schaltschützes auszugehen, der einen Austausch des Schaltschützes erforderlich macht. Ein wesentlicher Nachteil hierbei ist, dass der tatsächliche Zustand des Schaltschützes unberücksichtigt bleibt und somit in der Regel die Schaltschütze zu früh ausgetauscht werden.
Ferner ist es bei in zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen eingesetzten Batteriesystemen bekannt, die sogenannte Packspannung, also diejenige Spannung die über den elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen des Batteriesystems abfällt, und die sogenannte Linkspannung, das ist die fahrzeugseitig anliegende Spannung, zu überwachen, um somit Aussagen über die dazwischen geschalteten Schaltschütze treffen zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schutzkontakte eines mittel einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes zu verbessern, insbesondere dahingehend, dass Aussagen über die Qualität des Zustands der Schützkontakte verbessert getroffen werden können und vorteilhafterweise somit verbessert feststellbar ist, wann ein Schaltschütz nicht mehr zu verwenden ist beziehungsweise ausgetauscht werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes, das als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung einer Spannungsquelle von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird, vorgeschlagen, wobei eine erste Verlustleistung, die über die Schützkontakte umgesetzt wird, und eine zweite Verlustleistung, die über die Erregerspule umgesetzt wird, ermittelt werden, die erste Verlustleistung und die zweite Verlustleistung als Eingangsgrößen einem thermischen Modell des Schaltschützes zugeführt werden, das thermische Modell in Abhängigkeit wenigstens einer der Eingangsgrößen eine Schützkontakttemperatur ermittelt und als Ausgangsgröße bereitstellt und die bereitgestellte Schützkontakttemperatur ausgewertet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Schaltschütz als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung eines Batteriesystems von einer an dem Batteriesystem angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Schaltschütz in einem Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeug als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs von dem Fahrzeug und/oder einer die Traktionsbatterie ladenden Ladestation betrieben wird.
Die Erfindung nutzt insbesondere die Erkenntnis, dass die Temperatur der Schützkontakte das direkte Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines thermischen Störungsfalles aufgrund eines erhöhten Kontakt-Übergangswiderstandes der Schützkontakte ist. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist dabei, dass die aktuelle Temperatur der Schützkontakte nicht mithilfe von Temperatursensoren erfasst werden muss. Stattdessen kommt vorteilhafterweise ein thermisches Modell zum Einsatz, mit welchem Aussagen über die Schützkontakttemperatur erstellt werden. Durch eine Auswertung der verfahrensgemäß ermittelten Schützkontakttemperatur, insbesondere durch Durchführung eines Vergleichs der ermittelten Schützkontakttemperatur mit wenigstens einem vordefinierten Temperaturschwellenwert, ist es vorteilhafterweise ermöglicht, frühzeitig dem Auftreten eines thermischen Störfalls entgegenzuwirken. Dies kann beispielsweise durch Generieren eines Signals erfolgen, welches auf einen Austauschbedarf des Schaltschützes hinweist, und/oder durch ein Begrenzen der auftretenden Ströme.
Vorteilhafterweise wird die erste Verlustleistung ermittelt, indem die an der Spannungsquelle abfallende Spannung und die vor dem elektrischen Verbraucher abfallende Spannung messtechnisch erfasst werden. Durch Subtraktion dieser Spannungen wird dabei die über die Schützkontakte abfallende Spannung ermittelt. Das Ergebnis wird dann mit dem über die Schützkontakte fließenden Strom, welcher ebenfalls messtechnisch erfasst wird, multipliziert. Zur Ermittlung der zweiten Verlustleistung ist insbesondere vorgesehen, dass die über die Erregerspule abfallende Spannung messtechnisch erfasst wird und der durch die Erregerspule fließende Strom messtechnisch erfasst wird und die zweite Verlustleistung durch Multiplikation der jeweils erfassten Werte ermittelt wird. Das thermische Modell nutzt dabei vorteilhafterweise den Zusammenhang zwischen Verlustleistung und Wärmeabgabe.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass dem thermischen Modell als weitere Eingangsgröße eine Korrekturgröße zugeführt wird, welche bei der Ermittlung der Schützkontakttemperatur durch das thermische Modell berücksichtigt wird. Vorteilhafterweise wird hierdurch eine noch genauere Ermittlung der Schützkontakttemperatur ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt das thermische Modell in Abhängigkeit wenigstens einer der Eingangsgrößen, insbesondere in Abhängigkeit der ersten Verlustleistung und der zweiten Verlustleistung, eine erste Erregerspulentemperatur und stellt diese als weitere Ausgangsgröße bereit. Vorteilhafterweise wird zudem unabhängig von dem thermischen Modell eine zweite Erregerspulentemperatur ermittelt, wobei eine Differenz aus der ersten Erregerspulentemperatur und der zweiten Erregerspulentemperatur gebildet wird. Diese Differenz aus der ersten Erregerspulentemperatur und der zweiten Erregerspulentemperatur wird dann vorteilhafterweise dem thermischen Modell als Korrekturgröße zugeführt. Bei der ersten Erregerspulentemperatur und der zweiten Erregerspulentemperatur handelt es sich dem Prinzip nach um dieselbe Erregerspulentemperatur. Die Differenzierung zwischen erster Erregerspulentemperatur und zweiter Erregerspulentemperatur ist insofern auf die unterschiedlichen Ermittlungsweisen der Erregerspulentemperatur zurückzuführen. Aufgrund der unterschiedlichen Ermittlungsweisen können zumindest geringfügige Abweichungen der zu einem Zeitpunkt ermittelten ersten Erregerspulentemperatur und der zu demselben Zeitpunkt ermittelten zweiten Erregerspulentemperatur auftreten. Das thermische Modell ermittelt die Erregerspulentemperatur und die Schützkontakttemperatur dabei vorzugsweise nach dem sogenannten Beobachterprinzip.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Widerstand der Erregerspule ermittelt und in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand die zweite Erregerspulentemperatur bestimmt. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass der Widerstand der Spule mittels Division des Erregerspulenstroms durch die Erregerspulenspannung bestimmt wird. Dabei wird ausgenutzt, dass die Erregerspulentemperatur von dem elektrischen Widerstand der Erregerspule abhängig ist. Über den Widerstandswert der Erregerspule wird daher vorteilhafterweise eine Aussage über die Erregerspulentemperatur getroffen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Erregerspulenspannung, die über der Erregerspule abfällt, und ein Erregerspulenstrom, der durch die Erregerspule fließt, ermittelt werden und die Erregerspulenspannung und der Erregerspulenstrom als Eingangsgrößen einem Widerstandsmodell zugeführt werden. Das Widerstandsmodell ermittelt dann vorteilhafterweise aus den zugeführten Eingangsgrößen einen Erregerspulenwiderstand. Weiter ermittelt das Widerstandsmodell vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Erregerspulenwiderstand die zweite Erregerspulentemperatur und stellt diese als Ausgangsgröße bereit.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Widerstandsmodell zunächst offline kalibriert wird. Vorteilhafterweise werden dabei die Eingangsgrößen des Widerstandsmodells variiert und die dabei jeweils auftretenden Erregerspulentemperaturen messtechnisch erfasst. Das heißt, bevor das Widerstandsmodell zur Überwachung des Zustands der Schützkontakte eingesetzt wird, wird das Widerstandsmodell vorteilhafterweise kalibriert. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass den ermittelten Widerstandswerten der Erregerspule dabei die jeweilige gemessene Erregerspulentemperatur zugewiesen wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Werte dabei in Form einer sogenannten Look-Up-Table gespeichert werden. Vorteilhafterweise wird durch die Kalibrierung der Zusammenhang zwischen Widerstandswert der Erregerspule und Erregerspulentemperatur festgelegt. Das heißt, die von dem Widerstandsmodell als Ausgangsgröße ermittelte zweite Erregerspulentemperatur ist eine Funktion der ermittelten Widerstandsmesswerte. Vorzugsweise ist das Widerstandsmodell als mittels einer Recheneinheit ausführbare Folge von Anweisungen realisiert, insbesondere als mittels eines Mikrocontrollers ausführbare Folge von Anweisungen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das thermische Modell zunächst offline kalibriert. Vorteilhafterweise werden dabei die Betriebsparameter, insbesondere die erste Verlustleistung und/oder die zweite Verlustleistung, variiert und die dabei jeweils auftretenden Schützkontakttemperaturen oder die jeweils auftretenden Schützkontakttemperaturen und Erregerspulentemperaturen messtechnisch erfasst. Die Kalibrierung erfolgt dabei vorteilhafterweise über den gesamten Umgebungstemperaturbereich, das heißt über den ganzen Bereich von Temperaturen, die beim Betrieb eines Schaltschützes als Umgebungstemperatur realistischer Weise auftreten können. Vorzugsweise ist das thermische Modell als stationäres MIMO-Modell (MIMO: Multiple Input Multiple Output) ausgebildet.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Parameter, die die erste Verlustleistung und/oder die zweite Verlustleistung beeinflussen, variiert werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Betriebsparameter die erste Verlustleistung und/oder die zweite Verlustleistung beeinflussende elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme variiert werden.
Vorteilhafterweise werden im Rahmen der Kalibrierung erfasste Schützkontakttemperaturen und/oder Erregerspulentemperaturen zusammen mit den dabei jeweils eingestellten Betriebsparametern und/oder eingestellten Eingangsgrößen als Werte gespeichert und diese Werte einander zugeordnet. Das heißt, die messtechnisch erfassten Schützkontakttemperaturen und/oder die messtechnisch erfassten ersten Erregerspulentemperaturen werden vorteilhafterweise jeweils den bei einer Messung eingestellten beziehungsweise herrschenden Betriebsparametern zugeordnet. Diese Werte werden dann vorteilhafterweise in das jeweilige Modell, also in das thermische Modell und/oder das Widerstandsmodell, eingepflegt, vorzugsweise in Form einer Look-Up-Table. Vorteilhafterweise erfolgt dies derart, dass mittels des thermischen Modells aus einer ersten ermittelten Verlustleistung und einer zweiten ermittelten Verlustleistung über die entsprechende Zuordnung eine Schützkontakttemperatur ermittelt werden kann. Vorzugsweise ist das thermische Modell als mittels einer Recheneinheit ausführbare Folge von Anweisungen realisiert, insbesondere als mittels eines Mikrocontrollers ausführbare Folge von Anweisungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit vorteilhafterweise, dass die Eingangsgrößen des thermischen Modells und des Widerstandsmodells im Betrieb online quasi kontinuierlich ermittelt werden und das kalibrierte thermische Modell als Ausgangsgröße vor allem die interessierende Schützkontakttemperatur bereitstellt, vorteilhafterweise ohne dabei Temperatursensoren zu nutzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswertung der bereitgestellten Schützkontakttemperatur einen Schwellenwertvergleich umfasst, wobei bei Überschreiten eines vordefinierten Schwellenwertes eine Aktion ausgelöst wird. Eine Aktion ist insbesondere das Generieren einer Warnung und/oder eine Leistungsreduktion und/oder ein Öffnen der Schützkontakte. Darüber hinaus ist insbesondere vorgesehen, dass die von dem thermischen Modell ermittelte Schützkontakttemperatur an wenigstens eine weitere Einrichtung weitergegeben wird, insbesondere an ein Vehicle Control Unit (VCU). Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass die ermittelte Schützkontakttemperatur visualisiert wird, insbesondere als Nutzerinformation, besonders bevorzugt bei Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten, Merkmale und Ausgestaltungsdetails der Erfindung werden im Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein im Stand der Technik bekanntes Batteriesystem bei dem Schaltschütze als Teil einer Trenneinheit betrieben werden;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten thermischen Modells;
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung des Zustands der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes; und
4 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für ein Schaltschütz.
Das in 1 dargestellte Batteriesystem 1 umfasst eine Traktionsbatterie 10 mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen 11. Darüber hinaus umfasst die Traktionsbatterie 10 einen Servicestecker 12. Um die Traktionsbatterie 10 im Notfall schnell allpolig galvanisch von einer über die Anschlussklemmen 8, 9 an der Traktionsbatterie 10 angeschlossenen Verbrauchereinrichtung (in 1 nicht explizit dargestellt), insbesondere einem Fahrzeug oder einer Ladeeinrichtung zum Laden der Traktionsbatterie 10, trennen zu können, umfasst das Batteriesystem 1 eine Trenneinheit 2 zur galvanischen Trennung der Traktionsbatterie 10 von der Verbrauchereinrichtung.
Die Trenneinheit 2 umfasst dabei insbesondere zwei jeweils mittels einer Erregerspule 5 steuerbare Schaltschütze 3. Die Schaltschütze 4 öffnen im Störfall und trennen somit die Traktionsbatterie 10 galvanisch von einer an der Traktionsbatterie 10 über die Anschlussklemmen 8, 9 angeschlossenen Verbrauchereinrichtung. Die Trenneinheit 2 umfasst neben den Schaltschützen 3 einen ersten Stromsensor 6, der als Shunt ausgebildet ist, und einen zweiten Stromsensor 7, der als Hall-Sensor ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die Trenneinheit 2 eine Stromunterbrechungseinrichtung 20, welche vorliegend als Schmelzsicherung ausgebildet ist.
Anhand des in 1 dargestellten Batteriesystems 1 werden insbesondere diejenigen Betriebsparameter dargestellt, welche vorteilhafterweise bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte 4 von Schaltschützen 3 erfasst werden. Dies ist vorzugsweise die an der Traktionsbatterie 10 anliegende Spannung 13, auch Packspannung genannt. Des Weiteren ist dies die hinter der Trenneinheit 2, das heißt fahrzeugseitig, anliegende weitere Spannung 14, auch Link-Spannung genannt. Zudem wird der Strom 17, auch Packstrom genannt, messtechnisch erfasst. Darüber hinaus werden vorteilhafterweise die durch die jeweilige Erregerspule 5 fließenden Ströme 18, 19 messtechnisch erfasst. Ebenso werden die über die jeweilige Erregerspule 5 abfallenden Spulenspannungen 15, 16 messtechnisch erfasst.
Zur Gewinnung einer Aussage über die Schützkontakttemperatur wird zunächst ein thermisches Modell des jeweiligen Schützes 3 erstellt. Ein solches Modell ist dem Prinzip nach in 2 dargestellt. Das in 2 dargestellte thermische Modell 21 ist als stationäres MIMO-Modell (MIMO: Multiple Input Multiple Output) ausgebildet. Eingangsgrößen des in 2 dargestellten thermischen Modells 21 sind dabei eine erste Verlustleistung 22, die über die Schützkontakte 4 eines Schaltschützes 3 (vergleiche 1) umgesetzt wird, und eine zweite Verlustleistung 23, die über die Erregerspule 5 (vergleiche 1) umgesetzt wird. Ausgangsgrößen des thermischen Modells 21 sind eine mittels des thermischen Modells 21 ermittelte Schützkontakttemperatur 24 und eine mittels des thermischen Modells 21 ermittelte erste Erregerspulentemperatur 25.
Die erste Verlustleistung wird dabei vorteilhafterweise ermittelt, indem die Packspannung 13 (vergleiche 1) messtechnisch erfasst wird, die Link-Spannung 14 (vergleiche 1) messtechnisch erfasst wird und der Packstrom 17 (vergleiche 1) messtechnisch erfasst wird. Dabei wird durch Subtraktion der Link-Spannung 14 von der Packspannung 13 die an den Schützkontakten 4 abfallende Spannung ermittelt und der ermittelte Wert mit dem für den Packstrom 17 ermittelten Wert multipliziert.
Zur Ermittlung der zweiten Verlustleistung wird der jeweilige Spulenstrom 18, 19 (vergleiche 1) messtechnisch erfasst und die jeweilige Spulenspannung 15, 16 (vergleiche 1) messtechnisch erfasst. Die zweite Verlustleistung wird dann für ein Schaltschütz 3 ermittelt, indem der Wert für die ermittelte Spulenspannung 15 mit dem Wert für den ermittelten Spulenstrom 18 multipliziert wird, beziehungsweise der Wert für die ermittelte Spulenspannung 16 mit dem Wert für den ermittelte Spulenstrom 19 multipliziert wird.
Das thermische Modell 21 wird zunächst offline kalibriert, das heißt, bevor mittels des thermischen Modells 21 Schützkontakttemperaturen 24 ermittelt werden. Im Rahmen der Kalibrierung werden dabei die Betriebsparameter, das heißt insbesondere der Packstrom 17 (vergleiche 1), der jeweilige Erregerspulenstrom 18 beziehungsweise 19 (vergleiche 1) sowie die Erregerspulenspannungen 15 beziehungsweise 16 (vergleiche 1) variiert. Darüber hinaus werden die Packspannung 13 (vergleiche 1) und die Link-Spannung 14 (vergleiche 1) variiert. Die sich dabei jeweils einstellende Schützkontakttemperatur und die sich dabei jeweils einstellende Erregerspulentemperatur werden dabei ebenfalls für die jeweils eingestellte beziehungsweise herrschende Betriebsparameterkombination messtechnisch erfasst und den jeweiligen Werten der Betriebsparameter zugeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass hierzu eine sogenannte Look-Up-Table erstellt wird. Das thermische Modell 21 prüft dann die Eingangsgrößen in der entsprechenden Look-Up-Table und liefert die zugehörigen Werte, die für die Schützkontakttemperatur und die Erregerspulentemperatur hinterlegt sind und stellt diese als Ausgangsgrößen 24, 25 bereit.

Eine beispielhafte Zuordnung ist nachfolgend angeführt:

Messgröße	Normalfall	Störungsfall
R_kontakt/mΩ	0,2	0,8
U_kontakt/mV	43	172
I_pack/A	215	215
P_elek/W	9,245	37
T_kontakt/°C	100	250
T_spule/°C	50	125
R_spule/Ω	3,58	4,5
U_spule/V	7,5	7,5
I_spule/A	2,1	3
P_spule/W	15,8	40,5

Dabei ist:

R_kontakt:: der Kontakt-Übergangswiderstand an den Schützkontakten;
U_kontakt:: die über die Schützkontakte abfallende Spannung;
I_pack:: der Packstrom;
P_elek:: die erste Verlustleistung;
T_kontakt:: die Schützkontakttemperatur;
T_spule:: die Erregerspulentemperatur;
R_spule:: der Widerstand der Erregerspule;
U_spule:: die Erregerspulenspannung;
I_spule:: der Erregerspulenstrom; und
P_spule:: die zweite Verlustleistung.

Anhand von 3 wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren näher erläutert. Bei dem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung des Zustandes der Schützkontakte eines mittels einer Erregerspule steuerbaren Schaltschützes, das als Teil einer Trenneinheit zur galvanischen Trennung einer Spannungsquelle von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird, wird zunächst eine erste Verlustleistung 22, die über die Schützkontakte umgesetzt wird, und eine zweite Verlustleistung 23, die über die Erregerspule umgesetzt wird, ermittelt. Die erste Verlustleistung 22 und die zweite Verlustleistung 23 werden als Eingangsgröße einem thermischen Modell 21 des Schaltschützes zugeführt. Die jeweils als Eingangsgröße genutzte erste Verlustleistung 22 und zweite Verlustleistung 23 wird dabei online quasi kontinuierlich ermittelt und das kalibrierte thermische Modell 21 liefert dazu die Schützkontakttemperatur 24, ohne für die Ermittlung der Schützkontakttemperatur 24 Temperatursensoren zu nutzen. Das thermische Modell 21 kann dabei insbesondere wie im Zusammenhang mit 2 erläutert kalibriert sein.
Als weitere Eingangsgröße wird dem thermischen Modell 21 eine Korrekturgröße 30 zugeführt. Das thermische Modell 21 ermittelt dabei nach dem Beobachterprinzip in Abhängigkeit der ersten Verlustleistung 22 und der zweiten Verlustleistung 23 sowie unter Berücksichtigung der Korrekturgröße 30 eine Schützkontakttemperatur 24 und eine erste Erregerspulentemperatur 25 und stellt diese Schützkontakttemperatur 24 sowie die erste Erregerspulentemperatur 25 jeweils als Ausgangsgröße bereit.
Eine zweite Erregerspulentemperatur 29 wird mittels eines Widerstandmodells 26 ermittelt und als Ausgangsgröße des Widerstandsmodells 26 bereitgestellt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass eine Erregerspulenspannung 27, die über der Erregerspule des Schaltschützes abfällt, und ein Erregerspulenstrom 28, der durch die Erregerspule des Schaltschützes fließt, messtechnisch erfasst werden und die Erregerspulenspannung 27 und der Erregerspulenstrom 28 als Eingangsgrößen dem Widerstandsmodell 26 zugeführt werden. Das Widerstandsmodell 26 berechnet dabei aus den zugeführten Eingangsgrößen einen Erregerspulenwiderstand, indem die Erregerspulenspannung durch den Erregerspulenstrom dividiert wird.
Vorteilhafterweise ist das Widerstandsmodell 26 zunächst offline kalibriert worden, also bevor mittels des Widerstandsmodells 26 zweite Erregerspulentemperaturen ermittelt werden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Eingangsgrößen des Widerstandsmodells 26 bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen variiert werden und die dabei jeweils auftretenden Erregerspulentemperaturen jeweils messtechnisch erfasst werden. Somit ist letztlich eine Zuordnung einer Erregerspulentemperatur zu einem ermittelten Widerstand der Erregerspule vorteilhafterweise ermöglicht. In 3 ist daher innerhalb des symbolisch dargestellten Widerstandsmodells 26 der Verlauf der Erregerspulentemperatur in einer Temperatureinheit in Abhängigkeit von dem Widerstand der Erregerspule dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird aus der ersten Erregerspulentemperatur 25, die von dem thermischen Modell 21 ermittelt worden ist, und der zweiten Erregerspulentemperatur 29, die von dem Widerstandsmodell 26 ermittelt worden ist, die Korrekturgröße 30 generiert, indem über einen Subtrahierer 31 die zweite Erregerspulentemperatur 29 von der ersten Erregerspulentemperatur 25 subtrahiert wird. Die Berücksichtigung der Korrekturgröße 30 durch das thermische Modell 21 führt dabei vorteilhafterweise zu einer noch genaueren Ermittlung der Schützkontakttemperatur 24.
Die von dem thermischen Modell 21 ermittelte und als Ausgangsgröße bereitgestellte Schützkontakttemperatur 24 wird ausgewertet, indem die Schützkontakttemperatur 24 einer Komparatoreinheit 32 zugeführt wird, welche einen Schwellenwertvergleich 33 durchführt. Hierzu ist in 3 innerhalb der symbolisch dargestellten Komparatoreinheit 32 ein Schützkontakttemperaturverlauf 35 in einer Temperatureinheit über die Zeit dargestellt. Übersteigt die Schützkontakttemperatur dabei einen bestimmten Schwellenwert 34 für die Schützkontakttemperatur, wie in 3 symbolisch zu einem Zeitpunkt 36 dargestellt, so wird eine Aktion ausgelöst. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Warnung generiert wird und ein Hinweis, dass das Schaltschütz auszutauschen ist. Darüber hinaus ist als Aktion vorgesehen, dass bei einem Überschreiten eines vordefinierten Schwellenwertes 34 die mittels der Spannungsquelle bereitgestellte Leistung reduziert wird. Wird ein maximal zulässiger Schwellenwert für die Schützkontakttemperatur überschritten, so ist vorgesehen, dass die Schütze öffnen, um die Spannungsquelle galvanisch von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen Verbrauchereinrichtung zu trennen.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Hybrid-, Plug-In-Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingesetzt, ist insbesondere vorgesehen, dass geeignete Abhilfemaßnahmen eingeleitet werden, wenn die von dem thermischen Modell 21 ermittelte Schützkontakttemperatur vordefinierte Temperaturschwellenwerte überschreiten. Insbesondere sind eine Alarmauslösung, eine Reduktion der von dem Batteriesystem abgegebenen Leistung und/oder ein Öffnen der Schützkontakte und damit ein Abschalten des Fahrzeugs als Abhilfemaßnahmen vorgesehen. Die Batteriesystemleistungsreduktion erfolgt vorteilhafterweise automatisch oder manuell durch den Fahrzeugbetreiber, die Alarmauslösung erfolgt vorzugsweise nur automatisch und führt vorzugsweise auch automatisch zum Abschalten des Fahrzeugs. Insbesondere ist ein sogenannter Limp-Home-Mode vorgesehen, in welchem der Fahrer erkennt, wann er die Batteriesystemleistung so reduzieren muss, damit er mit dem Fahrzeug noch eine bestimmte Distanz zurücklegen kann.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein im Betrieb befindliches Schaltschütz 3 dargestellt, wobei die Schützkontakte 4 geschlossen sind. Das Schaltschütz 3 ist dabei mittels einer Erregerspule 5 steuerbar. Das heißt mittels der Erregerspule 5 wird ein Öffnen und Schließen der Schützkontakte 4 gesteuert.
Zum Halten der Schützkontakte 4 in der Schließstellung fließt durch die Erregerspule 5 ein Erregerstrom 18 und es fällt die Erregerspulenspannung 15 ab. Über die Schützkontakte 4 fließt dabei der Packstrom 17 und es fällt über die Schützkontakte die Spannung 38 ab. Diese Größen werden vorteilhafterweise zur Kalibrierung eines thermischen Modells 21 (vergleiche 2 und 3) bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen variiert, wobei sich je nach Einstellung dieser Betriebsparameter unterschiedliche Erregerspulentemperaturen und Schützkontakttemperaturen einstellen. In 4 sind dabei zur Veranschaulichung schematisch durch die Pfeile 39 und 41 die Temperatureinträge von den Schützkontakten 4 in die Erregerspule 5 dargestellt. Die sich bei konkreten Werten der Betriebsparameter einstellende Erregerspulentemperatur wird dabei mittels eines Messsensors 40 messtechnisch ermittelt. Ebenso wird die Schützkontakttemperatur messtechnisch erfasst.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010032456 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Überwachung des Zustandes von Schützkontakten (4) eines mittels einer Erregerspule (5) steuerbaren Schaltschützes (3), welches als Teil einer Trenneinheit (2) zur galvanischen Trennung einer Spannungsquelle von einer an der Spannungsquelle angeschlossenen elektrischen Verbrauchereinrichtung betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Verlustleistung (22), die über die Schützkontakte (4) umgesetzt wird, und eine zweite Verlustleistung (23), die über die Erregerspule (5) umgesetzt wird, ermittelt werden, die erste Verlustleistung (22) und die zweite Verlustleistung (23) als Eingangsgrößen einem thermischen Modell (21) des Schaltschützes (3) zugeführt werden, das thermische Modell (21) in Abhängigkeit wenigstens einer der Eingangsgrößen eine Schützkontakttemperatur (24) ermittelt und als Ausgangsgröße bereitstellt und die bereitgestellte Schützkontakttemperatur (24) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem thermischen Modell (21) als weitere Eingangsgröße eine Korrekturgröße (30) zugeführt wird, welche bei der Ermittlung der Schützkontakttemperatur (24) durch das thermische Modell (21) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell (21) in Abhängigkeit wenigstens einer der Eingangsgrößen eine erste Erregerspulentemperatur (25) ermittelt und als weitere Ausgangsgröße bereitstellt und dass unabhängig von dem thermischen Modell (21) eine zweite Erregerspulentemperatur (29) ermittelt wird, wobei eine Differenz aus der ersten Erregerspulentemperatur (25) und der zweiten Erregerspulentemperatur (29) gebildet wird und die Differenz dem thermischen Modell als Korrekturgröße (30) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Erregerspule (5) ermittelt wird und in Abhängigkeit von dem ermittelten Widerstand die zweite Erregerspulentemperatur (29) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erregerspulenspannung (27), die über der Erregerspule (5) abfällt, und ein Erregerspulenstrom (28), der durch die Erregerspule (5) fließt, ermittelt werden, die Erregerspulenspannung (27) und der Erregerspulenstrom (28) als Eingangsgrößen einem Widerstandsmodell (26) zugeführt werden, das Widerstandsmodell (26) aus den zugeführten Eingangsgrößen einen Erregerspulenwiderstand ermittelt und in Abhängigkeit von dem Erregerspulenwiderstand die zweite Erregerspulentemperatur (29) ermittelt und als Ausgangsgröße bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmodell (26) zunächst offline kalibriert wird, wobei die Eingangsgrößen des Widerstandsmodells (26) variiert werden und die dabei jeweils auftretenden Erregerspulentemperaturen messtechnisch erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Modell (21) zunächst offline kalibriert wird, wobei Betriebsparameter variiert werden und die dabei jeweils auftretenden Schützkontakttemperaturen oder die jeweils auftretenden Schützkontakttemperaturen und Erregerspulentemperaturen messtechnisch erfasst werden.
Verfahren nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter die erste Verlustleistung (22) und/oder die zweite Verlustleistung (23) beeinflussende elektrische Spannungen und/oder elektrische Ströme variiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Kalibrierung erfasste Schützkontakttemperaturen und/oder Erregerspulentemperaturen zusammen mit den dabei jeweils eingestellten Betriebsparametern und/oder eingestellten Eingangsgrößen als Werte gespeichert und diese Werte einander zugeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der bereitgestellten Schützkontakttemperatur (24) einen Schwellenwertvergleich (33) umfasst, wobei bei Überschreiten (36) eines vordefinierten Schwellenwertes (34) eine Aktion ausgelöst wird.