DE102015201899A1 - Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle, Computerprogrammprodukt und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle, Computerprogrammprodukt und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle angegeben. Erfindungsgemäß werden die Schwellenwerte der Spannung und der Stromstärke der Unterbrechungselemente so gewählt, dass das Hochvolt-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist. Die Erfindung umfasst weiterhin ein Computerprogrammprodukt und ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-(HV-)Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle.
  • Herkömmliche Bordnetze von Kraftfahrzeugen verfügen üblicherweise über eine Betriebsspannung von 12 Volt (V), welche von einer Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird. Tritt in einem solchen Niedervolt-(NV-)Bordnetz ein elektrischer Kurzschluss auf, d.h. wird in dem NV-Bordnetz unbeabsichtigt eine elektrische Verbindung mit geringem elektrischem Widerstand hergestellt, so könnte es ohne Absicherung zu einem Stromfluss mit hoher Stromstärke kommen, der Bauteile des NV-Bordnetzes, beispielsweise Kabel, überhitzen und schädigen könnte. Es werden daher elektrische Sicherungen eingesetzt, die die elektrische Verbindung unterbrechen, wenn die jeweilige Stromstärke einen bestimmten Wert (Nennstrom) überschreitet. Mit unterschiedlichen Sicherungen können einzelne Bauteile gegen unterschiedlich große Ströme abgesichert werden. Beispielsweise kann der Nennstrom der Sicherung in Abhängigkeit der Größe des Querschnitts eines Kabels gewählt werden. In der Regel weist der Wertebereich der Stromstärken, die im Normalbetrieb des NV-Bordnetzes auftreten, und der Wertebereich der Stromstärken, die im Störfall, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses, auftreten können, keine Überlappung auf. 1(a) veranschaulicht diesen Sachverhalt, indem die Wertebereiche der Stromstärken im Normalbetrieb und im Störfall auf einer Skala der Stromstärke dargestellt sind. Zur Absicherung des NV-Bordnetzes ist es daher ausreichend, elektrische Sicherungen vorzusehen, deren Nennströme jeweils zwischen dem größten im Normalbetrieb des NV-Bordnetzes und dem kleinsten im Störfall des NV-Bordnetzes auftretenden Wert der Stromstärke liegen.
  • Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb (Elektrofahrzeuge) verfügen über ein HV-Bordnetz. Dieses zeichnet sich durch eine Betriebsspannung von mehr als 60 V, bevorzugt zwischen 200 V und 400 V, aus. Unter dem Begriff Elektrofahrzeug sind dabei alle Kraftfahrzeuge zu verstehen, die wenigstens teilweise mittels eines Elektromotors antreibbar sind. Es sind Elektrofahrzeuge ohne Verbrennungsmotor und Elektrofahrzeuge mit Verbrennungsmotor bekannt. Der Verbrennungsmotor eines Elektrofahrzeugs kann dem Antrieb und / oder der Aufladung eines Energiespeichers mittels eines Generators dienen. Elektrofahrzeuge mit einem wenigstens teilweise dem Antrieb dienenden Verbrennungsmotor sind als Hybrid-Elektrofahrzeuge bekannt. Ein HV-Bordnetz eines Elektrofahrzeugs verfügt über einen Elektromotor und einen Energiespeicher, insbesondere eine HV-Batterie, der Energie zum Betrieb des Elektromotors bereitstellt.
  • Anders als vorab für ein NV-Bordnetz beschrieben können sich die Wertebereiche der Stromstärken des HV-Bordnetzes im Normalbetrieb und im beispielsweise durch einen Kurzschluss verursachten Störfall überlappen. 1(b) veranschaulicht diesen Sachverhalt, indem die Wertebereiche der Stromstärken im Normalbetrieb und im Störfall auf einer Skala der Stromstärke dargestellt sind. Ein Grund für diesen Effekt liegt in der Abhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezellen der HV-Batterie vom Ladezustand (englisch „state of charge“, SOC) und von der Umgebungstemperatur. Treten Stromstärken in dem Überlappungsbereich der Wertebereiche von Normalbetrieb und Störungsfall auf, so kann nicht allein aufgrund der Stromstärke auf einen Störungsfall geschlossen werden. Zur Absicherung des HV-Bordnetzes gegen Überströme kann daher zusätzlich auch die Klemmenspannung der HV-Batterie überwacht werden. Der Kurzschlusswiderstand, also der durch Bauelemente des HV-Bordnetzes wie Kabel, Stecker und Zwischenwiderstände gebildete elektrische Widerstand im Falle eines Kurzschlusses im HV-Bordnetz, hat in der Regel einen so geringen Wert, dass im Falle eines Kurzschlusses die Klemmenspannung der HV-Batterie signifikant einbricht, also sinkt. Für beispielhaft gewählte Werte eines Kurzschlusswiderstands von 10 mOhm und einer Kurzschlussstromstärke von 5000 Ampere (A) ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz (U = R·I) eine Kurzschluss-Spannung von 50 V. Bei einer weiter beispielhaft angenommenen HV-Batterie-Spannung im Bereich von 200 V bis 400 V liegt die Kurzschluss-Spannung also deutlich unter der HV-Batterie-Spannung im Normalbetrieb, wodurch ein Kurzschluss erkannt werden kann. Zusammenfassend ist es daher bekannt, eine HV-Batterie mittels Strom- und Spannungsmessung gegen durch einen Kurzschluss verursachte Überströme abzusichern. Eine mögliche Ausgestaltung einer solchen Absicherung wird nachstehend mit Bezug zu den Figuren noch genauer erläutert.
  • Die stromführenden Leitungen eines HV-Bordnetzes können für unterschiedliche Stromstärken geeignet sein. Insbesondere können Kabel aufgrund unterschiedlicher Kabelquerschnitte eine unterschiedliche Stromtragfähigkeit aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff Kabelquerschnitt gebräuchlicherweise die Größe der Querschnittsfläche eines Kabels bezeichnet. Beispielsweise kann ein Kabel eines HV-Bordnetzes im Pfad zwischen HV-Batterie und Elektromotor, wo beispielsweise Stromstärken im Bereich von 200 A auftreten können, einen Querschnitt im Bereich von 35 (mm)2 oder mehr haben. Andere Kabel im HV-Bordnetz, die beispielsweise der Anbindung von Komponenten mit geringerem Strombedarf (beispielsweise 40 A) dienen, können einen geringeren Querschnitt aufweisen (beispielsweise im Bereich von 6 (mm)2). Die vorstehend beschriebene zweifache Absicherung des HV-Bordnetzes wird in der Regel an der größten Stromtragfähigkeit des HV-Bordnetzes ausgerichtet, beispielsweise an dem Querschnitt des Kabels zwischen HV-Batterie und Elektromotor. Kabel mit einem geringeren Querschnitt erhalten daher zusätzliche Absicherungen. Diese zusätzlichen Absicherungen können lokal an der abzusichernden Leitung angeordnete herkömmliche Sicherungen sein, die bei Erreichen einer vorbestimmten Stromstärke die elektrische Verbindung unterbrechen. Neben dieser Absicherung der maximalen Stromstärke kann es wie vorstehend erläutert notwendig sein, auch einen Spannungsabfall zu detektieren. Hierzu kann jedoch die vorab erläuterte Spannungsüberwachung der Klemmenspannung der HV-Batterie dienen, so dass die Spannung nicht lokal überwacht werden muss.
  • Mittels der genannten Maßnahmen kann ein HV-Bordnetz mit einer Energiequelle, insbesondere einer HV-Batterie, effektiv gegen durch Kurzschlüsse verursachte Überströme abgesichert werden.
  • HV-Bordnetze können jedoch über mehr als eine Energiequelle verfügen. Beispiele für weitere Energiequellen eines HV-Bordnetzes neben der HV-Batterie, die einen elektrischen Strom in das HV-Bordnetz einspeisen können, sind
    • – eine weitere HV-Batterie;
    • – eine Brennstoffzelle;
    • – ein elektrischer Generator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie;
    • – eine Ladeschnittstelle zur unmittelbaren oder mittelbaren (mittels eines Ladegeräts) Verbindung einer fahrzeugexternen Energiequelle mit dem HV-Bordnetz;
    • – ein Spannungswandler (DC/DC-Wandler), welcher ein NV-Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit dem HV-Bordnetz verbindet.
  • Ein elektrischer Generator kann der dem Antrieb des Elektrofahrzeugs dienende Elektromotor selbst sein. Wenn das sich in Bewegung befindliche Fahrzeug nicht angetrieben wird, kann der Elektromotor als Generator die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umwandeln, die über das HV-Bordnetz in die HV-Batterie zurückgespeist wird. Auf diese Weise kann mittels des Elektromotors gebremst werden. Dieser Vorgang wird auch als Bremskraftrückgewinnung oder Rekuperation bezeichnet. Ein elektrischer Generator kann auch ein weiterer Elektromotor sein. Dieser weitere Elektromotor kann von einem Verbrennungsmotor erzeugte Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln. Da hierdurch die Reichweite des Elektrofahrzeugs verlängert wird, wird von einem Reichweitenverlängerer (englisch „range extender“) gesprochen.
  • Die vorstehend erläuterte Absicherung des HV-Bordnetzes mittels Strom- und Spannungsüberwachung geht von dem Fall einer Energiequelle aus. Verfügt das HV-Bordnetz über zumindest eine weitere Energiequelle, so muss diese ebenfalls bei der Absicherung des HV-Bordnetzes berücksichtigt werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle anzugeben. Die Aufgabe besteht darüber hinaus in der Bereitstellung eines Computerprogrammprodukts zur Ausführung des Verfahrens. Weiterhin besteht die Aufgabe in der Bereitstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem auf einfache und zuverlässige Weise gegen Kurzschlüsse abgesicherten Hochvolt-Bordnetz mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle.
  • Die Aufgabe wird gelöst bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einem Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 8 sowie einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung kann für jede der vorstehend aufgezählten weiteren Energiequellen eingesetzt werden. Besonders großen Nutzen entfaltet die Erfindung jedoch bei weiteren Energiequellen mit großem Energieinhalt, da diese hohe und zeitlich lang andauernde Kurzschlussströme verursachen können. Die Erfindung ist daher besonders nützlich und geeignet, um HV-Bordnetze abzusichern, die als zweite Energiequelle eine zweite HV-Batterie oder eine Brennstoffzelle aufweisen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten und einer zweiten Energiequelle, wobei das Hochvolt-Bordnetz ein erstes Unterbrechungselement zur Unterbrechung einer ersten elektrischen Verbindung zwischen der ersten Energiequelle und dem Hochvolt-Bordnetz sowie ein zweites Unterbrechungselement zur Unterbrechung einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen der zweiten Energiequelle und dem Hochvolt-Bordnetz umfasst. Das erste Unterbrechungselement ist eingerichtet, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine Klemmenspannung der ersten Energiequelle einen Schwellenwert der Klemmenspannung unterschreitet und / oder wenn eine von der ersten Energiequelle ausgehende Stromstärke einen ersten Schwellenwert der Stromstärke überschreitet. Das erste Unterbrechungselement kann also mit anderen Worten im Falle eines Überstroms und / oder einer Unterspannung die erste Energiequelle vom HV-Bordnetz abtrennen. Das zweite Unterbrechungselement ist eingerichtet, die zweite elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der zweiten Energiequelle ausgehende Stromstärke einen zweiten Schwellenwert der Stromstärke überschreitet. Das zweite Unterbrechungselement kann also mit anderen Worten im Falle eines Überstroms die zweite Energiequelle vom HV-Bordnetz abtrennen.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einem ersten Schritt ein Bestimmen eines Maximalwerts eines elektrischen Kurzschlusswiderstands (bezeichnet durch das Formelzeichen Rsc,max) des Hochvolt-Bordnetzes. Der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands wird auf an sich im Stand der Technik bekannte Weise aus den Eigenschaften der im HV-Bordnetz verwendeten Bauelemente bestimmt. Dabei soll der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands mindestens demjenigen Wert des elektrischen Kurzschlusswiderstands entsprechen, der in dem HV-Bordnetz maximal auftreten kann. Hierzu können die aus Datenblättern, Messungen und dergleichen bekannten elektrischen Eigenschaften der Bauelemente des HV-Bordnetzes wie Kabel, Stecker und Zwischenwiderstände herangezogen werden. Ergibt eine Analyse des HV-Bordnetzes also beispielsweise, dass im Falle eines Kurzschlusses in dem HV-Bordnetz der durch die stromführenden Bauelemente gebildete Kurzschlusswiderstand 10 mOhm beträgt, so wird der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands zu mindestens 10 mOhm bestimmt, also Rsc,max ≥ 10 mOhm. Vorzugsweise wird der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands derart bestimmt, dass er den durch die stromführenden Bauelemente gebildeten Kurzschlusswiderstand wesentlich übersteigt, also z.B. Rsc,max = 100 mOhm.
  • In einem zweiten Schritt erfolgt ein Bestimmen des Schwellenwerts der Klemmenspannung (Uth) und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke (I1,th) derart, dass das Hochvolt-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist. Dieser zweite Schritt des Bestimmens des Schwellenwerts der Klemmenspannung und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke erfolgt unter der Annahme, dass die erste Energiequelle mit dem Hochvolt-Bordnetz verbunden ist, die zweite Energiequelle hingegen von dem Hochvolt-Bordnetz getrennt ist.
  • In Ausführung des zweiten Schritts kann bevorzugt zunächst der erste Schwellenwert der Stromstärke (I1,th) bestimmt werden, da sich dieser aus den vorbekannten Eigenschaften der Bauelemente des HV-Bordnetzes ergeben kann. Zu jedem dieser Bauelemente ist nämlich in der Regel ein maximaler Stromwert bekannt oder kann bestimmt werden, für den dieses Bauelement geeignet ist. Beispielsweise können Kabel abhängig von ihrem Querschnitt eine bestimmte maximale Stromstärke führen, ohne übermäßig erwärmt zu werden. Hierbei kann vorzugsweise auch die Zeitdauer berücksichtigt werden, für die ein Bauelement einen Strom einer bestimmten Stärke führen kann. Aus dem ersten Schwellenwert der Stromstärke sowie dem Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands kann der größtmögliche Schwellenwert der Klemmenspannung mittels des Ohmschen Gesetzes wie folgt bestimmt werden: Uth ≥ Rsc,max·I1,th
  • In einem dritten erfindungsgemäßen Schritt erfolgt ein Bestimmen des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke (I2,th) derart, dass das Hochvolt-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist. Dieser dritte Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke erfolgt unter der Annahme, dass die erste und die zweite Energiequelle mit dem Hochvolt-Bordnetz verbunden sind. Mit anderen Worten wird nach dem gedanklichen Entfernen der zweiten Energiequelle aus dem Hochvolt-Bordnetz im dritten Schritt nun die zweite Energiequelle wieder dem HV-Bordnetz hinzugefügt. Zur Wiederholung sei darauf hingewiesen, dass im zweiten Verfahrensschritt die Schwellenwerte so gewählt wurden, dass jedenfalls solche Kurzschlüsse nicht abgesichert wären, deren Kurzschlusswiderstand über dem Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands läge. Anders ausgedrückt ist das HV-Bordnetz gegen alle Kurzschlüsse abgesichert, deren Kurzschlusswiderstand unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegt. Im ersten Verfahrensschritt wurde der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands jedoch so gewählt, dass im HV-Bordnetz tatsächlich mögliche Kurzschlüsse einen Kurzschlusswiderstand haben, der unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegt. Indem nun eine zweite Energiequelle einen zusätzlichen Stromfluss verursachen kann, sinkt der Widerstandswert, unterhalb dessen das HV-Bordnetz gegen Kurzschlüsse abgesichert ist. Dies wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren noch ausführlich erläutert werden. Der zweite Schwellenwert der Stromstärke kann daher im dritten Schritt so bestimmt werden, dass der Widerstandswert, unterhalb dessen das HV-Bordnetz gegen Kurzschlüsse abgesichert ist, höchstens so klein wird, dass er immer noch mindestens so groß ist wie der größte im HV-Bordnetz tatsächlich auftretende Kurzschlusswiderstand. Es kann vorkommen, dass in dem dritten Schritt festgestellt wird, dass ein Hinzufügen der zweiten Energiequelle nicht möglich ist (d.h. es wird I2,th = 0 A bestimmt) oder nicht sinnvoll ist (d.h. es wird ein Wert I2,th bestimmt, der zwar größer ist als 0 A, der jedoch kleiner ist als der Wert der Stromstärke, die die zweite Energiequelle im ordnungsgemäßen Betrieb des HV-Bordnetzes liefern können soll). In diesem Fall kann das Verfahren abgebrochen und wieder von vorne begonnen werden, wobei die zum Zeitpunkt des Abbruchs des Verfahrens bestimmten Schwellenwerte (also Uth und / oder I1,th sowie I2,th) bei der erneuten Ausführung des Verfahrens soweit angepasst (also erhöht bzw. gesenkt) werden, dass ein Hinzufügen der zweiten Energiequelle ermöglicht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise auf mehrere Energiequellen erweitern. Das HV-Bordnetz kann eine weitere Energiequelle sowie ein weiteres Unterbrechungselement zur Unterbrechung einer weiteren elektrischen Verbindung zwischen der weiteren Energiequelle und dem HV-Bordnetz umfassen. Das weitere Unterbrechungselement ist eingerichtet, die weitere elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der weiteren Energiequelle ausgehende Stromstärke einen weiteren Schwellenwert der Stromstärke überschreitet. In einem zusätzlichen Verfahrensschritt erfolgt dann ein Bestimmen des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke derart, dass das HV-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist, wobei der Schritt des Bestimmens des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme erfolgt, dass die erste, die zweite und die weitere Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden sind. Die weitere Energiequelle kann eine dritte Energiequelle des HV-Bordnetzes sein. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung kann das HV-Bordnetz aber auch für mehr als eine weitere Energiequelle abgesichert werden, indem für jede weitere Energiequelle der zusätzliche Verfahrensschritt durchgeführt wird.
  • Verfügt also beispielsweise das HV-Bordnetz insgesamt über vier Energiequellen, so werden alle benötigten Schwellenwerte nacheinander bestimmt. Zunächst erfolgt der Schritt des Bestimmens des Schwellenwerts der Klemmenspannung und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme, dass die zweite Energiequelle und alle weiteren Energiequellen (also die dritte und vierte Energiequelle) von dem HV-Bordnetz getrennt sind. Danach erfolgt der Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme, dass die zweite Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden ist. Die Annahme schließt ein, dass auch die erste Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden ist, dass aber die dritte und vierte Energiequelle von dem HV-Bordnetz getrennt sind. Danach erfolgt der Schritt des Bestimmens des weiteren, dritten Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme, dass die dritte Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden ist. Die Annahme schließt ein, dass auch die erste und zweite Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden sind, dass aber die vierte Energiequelle von dem HV-Bordnetz getrennt ist. Zuletzt erfolgt der Schritt des Bestimmens des weiteren, vierten Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme, dass die vierte Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden ist. Die Annahme schließt ein, dass auch alle weiteren, also die erste, zweite und dritte, Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden sind.
  • Die Schritte des Bestimmens des zweiten und aller weiteren Schwellenwerte der Stromstärke können also wie beschrieben nacheinander durchgeführt werden. Alle oder einzelne dieser Schritte können aber in einer alternativen Ausführungsform auch zusammengefasst werden. Dies soll wiederum anhand des vorgenannten Beispiels eines HV-Bordnetzes mit vier Energiequellen erläutert werden. Zunächst erfolgt wie zuvor erläutert der Schritt des Bestimmens des Schwellenwerts der Klemmenspannung und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme, dass die zweite Energiequelle und alle weiteren Energiequellen (also die dritte und vierte Energiequelle) von dem HV-Bordnetz getrennt sind. Anschließend erfolgt ein Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts und aller weiteren Schwellenwerte der Stromstärke derart, dass das HV-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist, wobei der Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts und aller weiteren Schwellenwerte der Stromstärke unter der Annahme erfolgt, dass die zweite Energiequelle und alle weiteren Energiequellen mit dem HV-Bordnetz verbunden sind. In dieser Ausführungsform werden also die zweite Energiequelle und alle weiteren Energiequellen nicht nacheinander, sondern zugleich, als mit dem HV-Bordnetz verbunden angenommen.
  • In jedem Fall müssen die Schritte des Bestimmens des zweiten und aller weiteren Schwellenwerte der Stromstärke derart erfolgen, dass im Ergebnis das HV-Bordnetz gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme aller Energiequellen zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist. Mit anderen Worten muss berücksichtigt werden, dass alle Energiequellen zusammen einen Summenstrom liefern, der bei der Absicherung des HV-Bordnetzes zu berücksichtigen ist. Dies gelingt in der vorbeschriebenen Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Energiequellen nacheinander als mit dem HV-Bordnetz verbunden angenommen werden, indem bei jedem Schritt des Hinzufügens einer Energiequelle auch alle in den vorangegangenen Schritten als mit dem HV-Bordnetz verbunden angenommene Energiequellen weiterhin als mit dem HV-Bordnetz verbunden angenommen werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren nicht notwendigerweise alle Energiequellen des HV-Bordnetzes 1 berücksichtigen muss. Insbesondere ist es denkbar, dass bestimmte Energiequellen nicht gleichzeitig einen Strom liefern können. Dies gilt beispielsweise für die Rekuperation (Bremskraftrückgewinnung) und die Ladeschnittstelle (zur Anbindung einer externen Energiequelle), nicht gleichzeitig aktiv sein können, da das Fahrzeug beim Laden stillsteht. Zur Absicherung des HV-Bordnetzes ist es aber notwendig, in dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Energiequellen zu berücksichtigen, die gleichzeitig einen Strom liefern können.
  • In weiterer Ausgestaltung kann berücksichtigt werden, wenn das erste Unterbrechungselement die erste elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die Klemmenspannung der ersten Energiequelle den Schwellenwert der Klemmenspannung für eine erste Zeitdauer unterschreitet und / oder wenn die von der ersten Energiequelle ausgehende Stromstärke den ersten Schwellenwert der Stromstärke für eine zweite Zeitdauer überschreitet. In diesem Fall kann das Verfahren mit besonderem Vorteil dahingehend weitergebildet werden, dass der Schritt des Bestimmen des Schwellenwerts der Klemmenspannung und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke ein Bestimmen der ersten Zeitdauer und / oder der zweiten Zeitdauer umfasst. Auf diese Weise kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die maximale Stromtragfähigkeit eines Elements, z.B. eines Kabels, auch mit einer Zeitdauer verknüpft sein kann. Für eine bestimmte Stromstärke (in A) kann also eine Zeitdauer (in Sekunden) gegeben sein, für die das Element, z.B. das Kabel, die Stromstärke höchstens leiten kann. Eine solche Zeitdauer kann bestimmt werden, indem sie einem Datenblatt eines Bauteils entnehmbar ist. Sie kann aber auch durch Messungen, beispielsweise durch Temperaturmessungen, und / oder durch Simulationen bestimmt werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt also darin, dass dann, wenn eine hohe Stromstärke nur für eine unkritisch kurze Zeit auftritt, die Energiequelle nicht vom HV-Bordnetz getrennt wird. Es kommt also nicht zu an sich unnötigen Unterbrechungen der Energieversorgung des HV-Bordnetzes.
  • In weiterer Ausgestaltung kann berücksichtigt werden, wenn das zweite Unterbrechungselement die zweite elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die von der zweiten Energiequelle ausgehende Stromstärke den zweiten Schwellenwert der Stromstärke für eine dritte Zeitdauer überschreitet. Der Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke kann dann mit Vorteil ein Bestimmen der dritten Zeitdauer umfassen.
  • In weiterer Ausgestaltung kann berücksichtigt werden, wenn das weitere Unterbrechungselement die weitere elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die von der weiteren Energiequelle ausgehende Stromstärke den weiteren Schwellenwert der Stromstärke für eine weitere Zeitdauer überschreitet. Der Schritt des Bestimmens des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke kann dann mit Vorteil ein Bestimmen der weiteren Zeitdauer umfassen.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Kombination der vorstehend genannten Ausführungsformen. Bei dieser Ausgestaltung sind also sowohl das erste als auch das zweite Unterbrechungselement (also auch das ggf. vorhandene weitere Unterbrechungselement) dazu eingerichtet, die jeweilige elektrische Verbindung nach Ablauf der jeweiligen Zeitdauer zu unterbrechen.
  • Die erste Zeitdauer kann konstant sein oder als Funktion der Klemmenspannung der ersten Energiequelle gewählt werden. Ebenso kann die zweite Zeitdauer konstant sein oder als Funktion der von der ersten Energiequelle ausgehenden Stromstärke gewählt werden. Ebenso kann die dritte Zeitdauer konstant sein oder als Funktion der von der zweiten Energiequelle ausgehenden Stromstärke gewählt werden. Ebenso kann die weitere Zeitdauer konstant sein oder als Funktion der von der weiteren Energiequelle ausgehenden Stromstärke gewählt werden. Unter dem Begriff der Funktion kann jeweils eine mathematische Abbildungsvorschrift verstanden werden. Ebenso kann unter dem Begriff der Funktion eine Wertetabelle verstanden werden.
  • Indem eine oder mehrere der Zeitdauern als Funktion gewählt wird oder werden, kann der vorstehend erwähnten Tatsache Rechnung getragen werden, dass die maximale Stromtragfähigkeit eines Elements eines HV-Bordnetzes häufig nicht oder nicht ausschließlich durch einen Wert in Ampere angegeben wird, sondern durch eine formelmäßig oder grafisch angegebene Funktion, die jedem Wert der Stromstärke eine Zeitdauer zuordnet. Einer solchen, beispielsweise in einem Datenblatt des Elements des HV-Bordnetzes angegebenen, Funktion kann also für einen gegebenen Wert der Stromstärke die Zeitdauer entnommen werden, für die das Element einen Strom dieser Stromstärke längstens tragen kann, ohne unzulässig erwärmt oder anderweitig beeinträchtigt zu werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite (und / oder bei Vorhandensein der weiteren Energiequelle der weitere) Schwellenwert der Stromstärke einstellbar, wobei das Verfahren bei einem Hinzufügen und / oder Inbetriebnehmen der zweiten und / oder weiteren Energiequelle zu einem bestehenden HV-Bordnetz durchgeführt wird. Das Verfahren umfasst dann den weiteren Schritt des Einstellens des zweiten und / oder weiteren Schwellenwerts der Stromstärke. Das Verfahren kann so in vorteilhafter Weise genutzt werden, um ein bereits bestehendes HV-Bordnetz abzusichern, wenn dem HV-Bordnetz eine zusätzliche Energiequelle hinzugefügt wird oder wenn eine bereits vorhandene, aber bisher nicht aktive, zusätzliche Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden wird. Beispielsweise kann das Verfahren jedes Mal durchgeführt werden, wenn ein der Reichweitenverlängerung dienender Verbrennungsmotor mit Generator (range extender) in Betrieb genommen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vielseitiger Weise eingesetzt werden. Eine Einsatzmöglichkeit bietet sich in der Entwicklung von Bordnetzen. Hierbei kann das Verfahren insbesondere in automatisierten Werkzeugen, z.B. Softwareprogrammen, zur Bordnetzentwicklung zum Einsatz kommen. Die Erfindung umfasst daher auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere digitales Speichermedium, umfassend einen Satz von Anweisungen, welche bei Ausführung auf einem Computer bewirken, dass der Computer die Schritte des beanspruchten Verfahrens durchführt. Ein digitales Speichermedium kann eine CD-ROM, eine DVD oder ein anderer einmalig beschreibbarer oder wiederbeschreibbarer Datenträger sein. Ein digitales Speichermedium kann auch durch einen Server gebildet werden, auf dem das Computerprogrammprodukt zum Herunterladen mittels einer Datenverbindung bereitgestellt wird. Bei dem Server kann es sich um einen Internetserver handeln.
  • Eine weitere Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet sich beim Betrieb von Bordnetzen, also in dem Fall, dass einem HV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eine zusätzliche Energiequelle hinzugefügt wird oder dass eine bereits vorhandene, aber bisher nicht aktive, zusätzliche Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden wird. Die Erfindung umfasst daher auch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Das Kraftfahrzeug weist ein mit dem zweiten Unterbrechungselement verbundenes Steuergerät auf, das zur Einstellung des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke eingerichtet ist, wobei das Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 eingerichtet ist.
  • Das Steuergerät kann dauerhaft in dem Kraftfahrzeug angeordnet und mit dem zweiten (und / oder mit dem weiteren) Unterbrechungselement verbunden sein. Das Steuergerät kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, wenn die zweite Energiequelle mit dem HV-Bordnetz verbunden wird.
  • Das Steuergerät kann auch nur zeitweilig mit dem Kraftfahrzeug verbindbar und insbesondere nur zeitweilig mit dem zweiten (und / oder weiteren) Unterbrechungselement verbindbar sein. Das Steuergerät kann in diesem Fall zum Einsatz kommen, wenn einem HV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eine bisher nicht vorhandene zweite (oder weitere) Energiequelle hinzugefügt wird. Dies könnte beispielsweise der Fall sein, wenn ein Kraftfahrzeug mit einer weiteren HV-Batterie, einem Range Extender oder einer Brennstoffzelle nachgerüstet wird. Mit besonderem Vorteil ist das Kraftfahrzeug eingerichtet, eine Datenverbindung zwischen dem Steuergerät und dem zweiten Unterbrechungselement mittels einer Datenbusverbindung des Kraftfahrzeugs herzustellen. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn das Kraftfahrzeug eine Diagnoseschnittstelle umfasst, wobei die Diagnoseschnittstelle zur Verbindung des Steuergeräts mit dem Datenbus des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Bei dem Steuergerät kann es sich um ein in für die Arbeit an HV-Bordnetzen qualifizierten KFZ-Werkstätten genutztes Gerät handeln. Wird in einer solchen Werkstatt das HV-Bordnetz um eine Energiequelle erweitert, so kann mittels des Steuergeräts der zweite und / oder weitere Schwellenwert der Stromstärke eingestellt werden. Das um die zusätzliche Energiequelle erweiterte HV-Bordnetz ist dann abgesichert. In vorteilhafter Weiterbildung können die Schwellenwerte weiterer oder aller Unterbrechungselemente des HV-Bordnetzes mittels des Steuergeräts einstellbar sein. Beim Hinzufügen einer zweiten oder weiteren Energiequelle kann dann mit Vorteil das gesamte Verfahren durchgeführt werden, also z.B. auch das Bestimmen und Einstellen der Schwellenwerte des ersten Unterbrechungselements.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen
  • 1(a) eine schematische Darstellung der Wertebereiche der Stromstärken in einem beispielhaften NV-Bordnetz,
  • 1(b) eine schematische Darstellung der Wertebereiche der Stromstärken in einem beispielhaften HV-Bordnetz,
  • 2 eine schematische Darstellung der Elemente eines beispielhaften HV-Bordnetzes,
  • 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Unterbrechungselements,
  • 4 ein erstes Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes mit einem ersten Energiespeicher im Kurzschlussfall,
  • 5 ein zweites Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes mit einem ersten Energiespeicher im Kurzschlussfall,
  • 6 eine Darstellung der in einem HV-Bordnetz mit einem ersten Energiespeicher abgesicherten beispielhaften Wertebereiche,
  • 7 ein erstes Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes mit einem ersten und einem zweiten Energiespeicher im Kurzschlussfall,
  • 8 ein zweites Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes mit einem ersten und einem zweiten Energiespeicher im Kurzschlussfall,
  • 9 eine Darstellung der in einem HV-Bordnetz mit einem ersten und einem zweiten Energiespeicher abgesicherten beispielhaften Wertebereiche,
  • 10 eine beispielhafte Darstellung des größten noch abgesicherten Wertes des Kurzschlusswiderstands als Funktion der Stromstärke eines zweiten Energiespeichers,
  • 11 eine beispielhafte Darstellung der Zeitdauer der Stromtragfähigkeit beispielhafter Elemente eines HV-Bordnetzes sowie der Zeitdauer beispielhafter Unterbrechungselemente als Funktion der Stromstärke.
  • Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in den Figuren gleiche Merkmale der dargestellten Ausführungsformen der Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei den dargestellten Figuren sowie der zugehörigen Beschreibung lediglich um Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt. Insbesondere sind Darstellungen von Merkmalskombinationen in den Figuren und / oder der Figurenbeschreibung nicht dahingehend auszulegen, dass die Erfindung zwingend die Verwirklichung aller genannten Merkmale erfordert. Andere Ausführungsformen der Erfindung können weniger, mehr und / oder andere Merkmale enthalten. Der Schutzbereich und die Offenbarung der Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Patentansprüchen und der vollständigen Beschreibung.
  • 1(a) veranschaulicht, wie bereits eingangs erwähnt, die Wertebereiche der Stromstärken in einem NV-Bordnetz im Normalbetrieb und im Störfall auf einer Skala der Stromstärke. Es zeigt sich, dass die beiden Bereiche voneinander getrennt sind. Das NV-Bordnetz lässt sich daher in verhältnismäßig einfacher Weise gegen elektrische Kurzschlüsse durch den Einsatz elektrischer Sicherungen absichern, deren Nennströme jeweils zwischen dem größten im Normalbetrieb des NV-Bordnetzes und dem kleinsten im Störfall des NV-Bordnetzes auftretenden Wert der Stromstärke liegen.
  • Anhand der für HV-Bordnetze in 1(b) dargestellten Wertebereiche wird deutlich, dass HV-Bordnetz in der Regel nicht ausschließlich mittels einfacher elektrischer Sicherungen abgesichert werden können. Die Wertebereiche überlappen. Stromstärken in diesem Überlappungsbereich können zwar durch einen elektrischen Kurzschluss verursacht worden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Stromstärken im Überlappungsbereich bei ordnungsgemäßem Betrieb des HV-Bordnetzes auftreten. Ein Grund für diesen Effekt liegt darin, dass der Innenwiderstand der Batteriezellen der HV-Batterie nicht konstant ist, sondern mit sinkendem Ladezustand (englisch „state of charge“, SOC) und / oder sinkender Umgebungstemperatur steigt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der Elemente eines beispielhaften HV-Bordnetzes 1 eines Kraftfahrzeugs. Das HV-Bordnetz 1 umfasst eine HV-Batterie 2 als ersten Energiespeicher. Einzelne Komponenten der Leistungselektronik des HV-Bordnetzes 1 sind im vorliegenden Beispiel in einem Leistungselektronik-Modul 16 angeordnet. Stromleitungen innerhalb des Leistungselektronik-Moduls 16 könnten als Stromschienen ausgebildet sein, während die außerhalb des Leistungselektronik-Moduls 16 angeordneten Komponenten mittels Kabelverbindungen mit diesem 16 verbunden sein können. Die Kabelverbindungen können Kabel, Stecker, Schraubverbindungen und weitere Verbindungselemente umfassen. Es sei darauf hingewiesen, dass die dargestellte Anordnung des HV-Bordnetzes nur beispielhaft und keinesfalls einschränkend zu verstehen ist. Die HV-Batterie 2 ist über eine zweipolige Gleichstrom-(DC-)Kabelverbindung 14 elektrisch mit dem Leistungselektronik-Modul 16 und somit mit den weiteren DC-Komponenten des HV-Bordnetzes verbunden. Die elektrische Verbindung der HV-Batterie 2 mit dem weiteren HV-Bordnetz kann mittels des ersten Unterbrechungselements 4 unterbrochen werden. Dieses 4 wird mit Bezug zu 3 nachfolgend noch detaillierter erläutert. Ebenfalls dargestellt ist eine zweite Energiequelle 3 sowie ein zweites Unterbrechungselement 5. Die zweite Energiequelle 3 und das zweite Unterbrechungselement 5 sind gestrichelt eingezeichnet. Dies soll veranschaulichen, dass diese zweite Energiequelle 3 im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gedanklich aus dem HV-Bordnetz 1 entfernt wird. Die zweite Energiequelle 3 könnte im dargestellten Beispiel eine weitere HV-Batterie oder eine Brennstoffzelle sein. Ein Elektromotor 6, welcher dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen kann, wieder durch Wechselstrom (AC) angetrieben. Er 6 ist daher über eine dreipolige AC-Kabelverbindung 15 mit einem im Leistungselektronik-Modul 16 angeordneten Inverter 9 verbunden, welcher wiederum DC-seitig mit der DC-Kabelverbindung 14 verbunden ist. Eine NV-Batterie 7, die z.B. eine Spannung von 12 V, 14 V oder 48 V haben kann, ist mittels eines Gleichstromwandlers (DC/DC-Wandler) 8 mit dem HV-Bordnetz 1 verbunden. Selbstverständlich kann das NV-Bordnetz weitere, nicht dargestellte, Komponenten umfassen. Über eine AC-Ladeschnittstelle 10, welche mittels eines Ladegeräts 11 mit dem HV-Bordnetz 1 verbunden ist, kann die HV-Batterie 1 geladen werden. Die dargestellte Kabelverbindung zwischen AC-Ladeschnittstelle 10 und dem im Leistungselektronik-Modul angeordneten Ladegerät 11 ist zweipolig, ermöglicht also einphasiges Laden. Ebenso könnte es sich um eine dreiphasige AC-Ladeschnittstelle handeln. Weiter dargestellt sind diverse HV-Komponenten 12 des HV-Bordnetzes 1. Hierbei 12 könnte es sich um ein elektrisches Heizgerät, einen Klimakompressor, einen range extender und / oder eine DC-Ladeschnittstelle handeln. Entsprechend dem Strombedarf einer jeweiligen HV-Komponente 12 und dem Kabelquerschnitt, der zur Anbindung der jeweiligen HV-Komponente 12 an das HV-Bordnetz 1 genutzt wird, kann eine Sicherung 13 im jeweiligen Strompfad vorgesehen sein, die jeweils lokal das Element des HV-Bordnetzes (z.B. das Kabel), mit dem sie verbunden ist, vor Überströmen schützt. Nicht alle DC-Kabelverbindungen 14 des HV-Bordnetzes 1 haben notwendigerweise den gleichen Kabelquerschnitt. Beispielsweise können die DC-Kabelverbindungen 14, in denen hohe Stromstärken auftreten, einen Querschnitt im Bereich von 35 (mm)2 oder mehr haben. Beispiele hierfür können sein: die DC-Kabelverbindung 14 im Pfad zwischen HV-Batterie 1 und Inverter 9, die DC-Kabelverbindung 14 im Pfad zwischen HV-Batterie 3 und Inverter 9, die AC-Kabelverbindung 15 zwischen Elektromotor 6 und Inverter 9. Andere DC-Kabelverbindungen wie z.B. die DC-Kabelverbindung zu einer HV-Komponente 12 mit geringerem Strombedarf können einen geringeren Querschnitt aufweisen, beispielsweise im Bereich von 6 (mm)2.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Unterbrechungselements 4 der HV-Batterie 2. Das Unterbrechungselement 4 ist zwischen den Batteriezellen 20 der HV-Batterie 2 und den nach außen geführten Anschlüssen (nicht dargestellt) der HV-Batterie 2 angeordnet, so dass es 4 im Bedarfsfall die HV-Batterie 2 vom restlichen HV-Bordnetz 1 abtrennen kann. Das gezeigte Unterbrechungselement weist drei unterschiedliche Unterbrechungsmechanismen auf. Dies kann für eine umfassende Absicherung sinnvoll sein, da jeder der Unterbrechungsmechanismen in einem anderen Wertebereich der Stromstärke wirksam sein kann. Dies wird nachfolgend noch mit Bezug zu 11 erläutert werden. Unterbrechungselemente müssen jedoch keineswegs alle drei Unterbrechungsmechanismen aufweisen. Vielmehr können sie auch nur einen der Unterbrechungsmechanismen oder eine beliebige Kombination zweier Unterbrechungsmechanismen aufweisen. Der erste dargestellte Unterbrechungsmechanismus besteht in einem Sicherungselement 41, das die elektrische Verbindung unterbricht, wenn eine bestimmte Stromstärke überschritten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass auch für jede der beiden Leitungen 14 eine eigene Sicherung vorgesehen sein könnte. Es kann sich bei dem Sicherungselement 41 beispielsweise um eine Schmelzsicherung handeln. Das Sicherungselement 41 kann beispielsweise den Bereich sehr hoher Stromstärken (z.B. größer als 1000 A) absichern. Die beiden weiteren dargestellten Unterbrechungsmechanismen sind eingerichtet, die elektrische Verbindung in Abhängigkeit einer gemessenen Spannung und / oder eines gemessenen Stroms zu unterbrechen. Hierzu sind ein Spannungssensor 42 und ein Stromsensor 43 vorgesehen. Beide Sensoren 42, 43 sind mit einer Auswerteschaltung 44 verbunden. Diese 44 wertet die von den Sensoren 42, 43 übermittelten Messwerte aus und vergleicht die Messwerte mit gespeicherten Schwellenwerten. Überschreitet oder unterschreitet einer der Messwerte den zugehörigen Schwellenwert, so steuert die Auswerteschaltung einen steuerbaren Schalter 45 an, worauf dieser 45 die elektrische Verbindung unterbricht. Die Auswerteschaltung 44 ist für die Ausführung der vorliegenden Erfindung so eingerichtet, dass sie die Verbindung unterbricht, wenn die gemessene Stromstärke einen Schwellenwert der Stromstärke übersteigt und / oder wenn die gemessene Spannung einen Schwellenwert der Spannung unterschreitet. Mit anderen Worten besteht also ein zweiter Unterbrechungsmechanismus in der geschilderten Stromüberwachung und ein dritter Unterbrechungsmechanismus in der geschilderten Spannungsüberwachung. Der zweite Unterbrechungsmechanismus (Stromüberwachung) kann beispielsweise den Bereich mittlerer Stromstärken (z.B. größer als 400 A) absichern. Der dritte Unterbrechungsmechanismus (Spannungsüberwachung) kann beispielsweise den Bereich kleiner Stromstärken (z.B. kleiner als 400 A) absichern. Die Spannungsüberwachung ist der wesentliche Unterbrechungsmechanismus bei der Überwindung des mit Bezug zu 1(b) geschilderten Problems. In dem in 1(b) gezeigten Überlappungsbereich kann ein stromstärkenbasierter Unterbrechungsmechanismus nicht wirksam eingesetzt werden. Hingegen kann in diesem Bereich eine Spannungsüberwachung wirksam zur Erkennung eines Kurzschlusses eingesetzt werden, da im Falle eines Kurzschlusses die Spannung aufgrund des geringen Kurzschlusswiderstands signifikant einbricht. Die Spannungsüberwachung ist daher ein wichtiger Bestandteil der Absicherung eines HV-Bordnetzes 1. Wie nachfolgend nach ausführlicher erläutert wird, kann die vorliegende Erfindung dahingehend verstanden werden, dass sie die Wirksamkeit der Spannungsüberwachung bei Vorhandensein einer zweiten Energiequelle 3 im HV-Bordnetz 1 sicherstellt.
  • Das zweite Unterbrechungselement 5 kann genauso aufgebaut sein wie das in 3 dargestellte Unterbrechungselement 4. Dies ist jedoch zur Ausführung der Erfindung nicht nötig. Insbesondere muss das zweite Unterbrechungselement 5 erfindungsgemäß keinen spannungsbasierten Unterbrechungsmechanismus aufweisen, sondern nur einen strombasierten Unterbrechungsmechanismus. Das zweite Unterbrechungselement 5 kann also nur eine Sicherung 41 und / oder eine Stromüberwachung 43, 44, 45 umfassen.
  • 4 zeigt ein erstes Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes 1 mit einem ersten Energiespeicher 2 im Kurzschlussfall. Der Kurzschluss wird durch Elemente des HV-Bordnetzes 1 gebildet, die miteinander in unbeabsichtigter Weise elektrisch leitend verbunden sind. Die Verbindung muss nicht notwendigerweise galvanisch sein. Ein Kurzschluss kann auch durch Lichtbögen entstehen. Die Kurzschlussverbindung weist insgesamt einen elektrischen Widerstandswert Rsc (Einheit Ohm) auf. Es sei darauf hingewiesen, dass der in 4 eingezeichnete Widerstand kein Bauteil darstellt, sondern den gesamten Widerstand der Kurzschlussverbindung symbolisiert. Die HV-Batterie 2, deren Unterbrechungselement 4 in 4 nicht dargestellt ist, liefert eine Klemmenspannung UBatt,1 und einen über die Kurzschlussverbindung fließenden Strom IBatt,1.
  • 5 zeigt ein zweites Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes 1 mit einem ersten Energiespeicher 2 im Kurzschlussfall. Die 5 zeigt den gleichen Sachverhalt wie die 4. Zusätzlich dargestellt sind die in Reihe geschalteten Batteriezellen 20 der HV-Batterie 2. Die Batteriezellen sind als ideale Spannungsquellen dargestellt, die jeweils eine Spannung Ui, i = 1, ..., n, bereitstellen. Zusätzlich ist jeweils der Innenwiderstand Ri, i = 1, ..., n, einer jeden Batteriezelle dargestellt. Dessen Wert muss nicht konstant sein, sondern kann von der Umgebungstemperatur, dem Ladezustand der Batteriezelle und / oder weiteren Parametern abhängig sein. Zur besseren Verständlichkeit wird vorliegend davon ausgegangen, dass die HV-Batterie 2 nur die dargestellten in Reihe geschalteten identischen Batteriezellen 20 aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass dies Erklärungszwecken dient und nicht einschränkend zu verstehen ist. In der Regel können HV-Batterien seriell und / oder parallel miteinander verschaltete Batteriezellen umfassen. Diese Batteriezellen können unterschiedlich sein und insbesondere eine unterschiedliche Spannung liefern.
  • Es soll nun zunächst anhand der 5 dargestellt werden, wie die ersten beiden erfindungsgemäßen Verfahrensschritte durchgeführt werden können.
  • Im ersten Schritt wird der Maximalwert Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands Rsc bestimmt. Hierzu ist eine genaue Kenntnis des Aufbaus des HV-Bordnetzes, also der Elemente und deren Anordnung und Verschaltung, notwendig. Aus dieser Kenntnis sowie aus Erfahrungswerten und ggf. Messungen und Versuchen kann für unterschiedliche denkbare Kurzschlussfälle der jeweilige Kurzschlusswiderstand Rsc bestimmt werden. Der Maximalwert Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands ist dann so zu wählen, dass er jeden der derart bestimmten Kurzschlusswiderstände Rsc übersteigt. Mit anderen Worten soll der Maximalwert Rsc,max so bestimmt werden, dass er größer ist als jeder Kurzschlusswiderstand, der im HV-Bordnetz tatsächlich auftreten könnte. Im vorliegenden Beispiel soll von ausgegangen werden, dass der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands Rsc,max = 150 mOhm ist.
  • Im zweiten Schritt werden der Schwellenwert Uth der Klemmenspannung UBatt,1 und der erste Schwellenwert I1,th der Stromstärke IBatt,1 derart bestimmt, dass das Hochvolt-Bordnetz 1 gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands abgesichert ist. Hierzu wird angenommen, dass die zweite Energiequelle 3 vom HV-Bordnetz 1 getrennt ist.
  • Gemäß der Kirchhoffschen Gesetze berechnet sich der Batteriestrom IBatt,1 im Kurzschlussfall zu
    Figure DE102015201899A1_0002
    und der Wert der Klemmenspannung UBatt,1 im Kurzschlussfall zu
    Figure DE102015201899A1_0003
  • Der Wert IBatt,1 kann den ersten Schwellenwert I1,th der Stromstärke nicht überschreiten, da das erste Unterbrechungselement 4 eingerichtet ist, in diesem Fall die elektrische Verbindung zwischen der HV-Batterie 2 und dem restlichen HV-Bordnetz 1 zu unterbrechen. Es gilt also IBatt,1 ≤ I1,th.
  • Weiterhin kann der Wert UBatt,1 den Schwellenwert Uth der Klemmenspannung nicht unterschreiten, da das erste Unterbrechungselement 4 eingerichtet ist, in diesem Fall die elektrische Verbindung zwischen der HV-Batterie 2 und dem restlichen HV-Bordnetz 1 zu unterbrechen. Es gilt also UBatt,1 ≥ Uth.
  • In Ausführung des zweiten Schritts ist es vorteilhaft, zunächst den ersten Schwellenwert I1,th der Stromstärke zu bestimmen, da sich dieser aus den vorbekannten Eigenschaften der Bauelemente des HV-Bordnetzes ergeben kann. Zu jedem dieser Bauelemente ist nämlich in der Regel ein maximaler Stromwert bekannt oder kann bestimmt werden, für den dieses Bauelement geeignet ist. Beispielsweise können Kabel abhängig von ihrem Querschnitt eine bestimmte maximale Stromstärke führen, ohne übermäßig erwärmt zu werden. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass aus den bekannten Eigenschaften der Bauelemente des HV-Bordnetzes ein Schwellenwert von I1,th = 500 A bestimmt wird. Vorteilhafterweise kann auch die erste und zweite Zeitdauer bestimmt werden. Es sei aber darauf hingewiesen, dass das erste Unterbrechungselement aufgrund seiner technischen Eigenschaften (Hardware-Eigenschaften, z.B. Reaktionszeiten bzw. Schaltzeiten der Bauelemente 41, 45, sowie Software-Eigenschaften, z.B. Rechenvorgänge in der Auswerteschaltung 44) ohnehin eine gewisse Zeitdauer bis zur Unterbrechung der ersten elektrischen Verbindung 14 benötigt. Diese Zeitdauer ist dem Fachmann bekannt oder für den Fachmann bestimmbar. Falls diese Zeitdauer einen für die Absicherung des HV-Bordnetzes geeigneten Wert hat, so muss die erste und zweite Zeitdauer nicht gesondert bestimmt und eingestellt werden.
  • Aus dem ersten Schwellenwert I1,th der Stromstärke und dem Maximalwert Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands lässt sich der minimale Schwellenwert Uth der Klemmenspannung mittels des Ohmschen Gesetzes berechnen: Uth ≥ Rsc,max·I1,th.
  • Im vorliegenden Zahlenbeispiel ergäbe sich also Uth ≥ Rsc,max·I1,th = 150mΩ·500A = 75 V.
  • Der so berechnete minimale Wert (Uth = 75 V) stellt den niedrigsten Wert dar, den der Schwellenwert der Klemmenspannung annehmen darf. Es sollte aber im Hinblick auf die später dem HV-Bordnetz 1 hinzuzufügende zweite Energiequelle 3 ein höherer Wert gewählt werden, so dass die Unterbrechung der elektrischen Verbindung durch das Unterbrechungselement 4 bereits bei einem entsprechend geringeren Einbruch der Klemmenspannung UBatt,1 erfolgt. Der so entstehende zusätzliche Sicherheitsbereich kann für das Hinzufügen der zweiten Energiequelle 3 genutzt werden. Dies wird nachfolgend noch mit Bezug zu dem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt erörtert werden. Für das vorliegende Beispiel wird ein Wert Uth = 137,5 V bestimmt.
  • Alternativ könnte der zweite erfindungsgemäße Verfahrensschritt auch ausgeführt werden, indem zunächst der Schwellenwert Uth der Klemmenspannung bestimmt wird und danach mittels des Ohmschen Gesetzes der erste Schwellenwert I1,th der Stromstärke berechnet wird.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Schwellenwert Uth der Klemmenspannung und der erste Schwellenwert I1,th der Stromstärke auch auf andere Weise als vorstehend beschrieben bestimmt werden können. Insbesondere ist jede dem mit der Absicherung von HV-Bordnetzen vertrauten Fachmann bekannte Möglichkeit geeignet, diese Schwellenwerte für ein HV-Bordnetz mit einer einzigen Energiequelle zu bestimmen.
  • Aus den vorstehend dargelegten Zusammenhängen ergeben sich die Wertebereiche, in denen das beispielhafte HV-Bordnetz 1 abgesichert ist. Diese Wertebereiche sind in der 6 dargestellt. Ergänzend zu den genannten beispielhaften Zahlenwerten sind dabei folgende weitere beispielhafte Zahlwerte zugrunde gelegt:
    • • Anzahl der Batteriezellen n = 96,
    • • Spannung jeder der Batteriezellen Ui = 4 V.
  • Auf der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems sind Werte Ri des Innenwiderstands jeder Batteriezelle aufgetragen. Auf der Ordinate des dargestellten Koordinatensystems sind Werte Rsc des elektrischen Kurzschlusswiderstands aufgetragen.
  • In dem Koordinatensystem sind drei Ortskurven der Klemmenspannung UBatt,1 aufgetragen, wobei die drei Ortskurven den Werten UBatt,1 = 96 V, UBatt,1 = 137,5 V sowie UBatt,1 = 192 V entsprechen. Die mittlere der genannten Ortskurven der Klemmenspannung UBatt ist somit zugleich die Ortskurve 61 des Schwellenwerts Uth der Klemmenspannung.
  • In dem Koordinatensystem sind weiterhin acht Ortskurven des Batteriestroms IBatt,1 aufgetragen, wobei die acht Ortskurven den Werten IBatt,1 = 1000 A, IBatt,1 = 900 A, IBatt,1 = 800 A, IBatt,1 = 700 A, IBatt,1 = 600 A, IBatt,1 = 500 A, IBatt,1 = 400 A sowie IBatt,1 = 300 A entsprechen. Die durch IBatt,1 = 400 A festgelegte Ortskurve des Batteriestroms IBatt,1 ist somit zugleich die Ortskurve 62 des ersten Schwellenwerts I1,th der Stromstärke.
  • Wie vorstehend beschrieben ist das erste Unterbrechungselement 4 eingerichtet, die elektrische Verbindung bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts der Stromstärke sowie bei Unterschreiten des Schwellenwerts der Klemmenspannung zu unterbrechen. Somit sind alle in 6 dargestellten Wertebereiche links der Ortskurve 62 und rechts der Ortskurve 61 abgesichert. Es verbleibt ein nicht abgesicherter Wertebereich 60, dessen niedrigster Ordinatenwert Rsc = 275 mOhm ist.
  • Es wird also mithilfe der Darstellung der 6 ersichtlich, dass das zugrunde liegende HV-Bordnetz 1 mit einer einzigen Energiequelle 2 ausreichend abgesichert ist.
  • Es soll nachfolgend der Fall eines HV-Bordnetzes 1 mit zwei Energiequellen 2, 3 betrachtet werden. 7 zeigt ein erstes Prinzip-Schaltbild eines solchen HV-Bordnetzes 1 mit einem ersten 2 und einem zweiten Energiespeicher 3 im Kurzschlussfall. Das in 7 dargestellte HV-Bordnetz 1 entspricht somit dem in 4 dargestellten HV-Bordnetz, welches um eine zweite Energiequelle 3 erweitert wurde. Die zweite Energiequelle 3 erzeugt einen Strom IBatt,2, welcher zusammen mit dem von der ersten Energiequelle 2 erzeugten Strom IBatt,1 über die Kurzschlussverbindung fließt. Das zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung der zweiten Energiequelle 3 mit dem restlichen HV-Bordnetz 1 eingerichtete zweite Unterbrechungselement 5 ist in der 7 nicht dargestellt.
  • 8 zeigt ein zweites Prinzip-Schaltbild eines HV-Bordnetzes 1 mit einem ersten 2 und einem zweiten Energiespeicher 3 im Kurzschlussfall. Die Darstellung entspricht wiederum jener der 5, erweitert um eine zusätzliche Energiequelle 3, welche in der 8 als ideale Stromquelle 3 dargestellt ist.
  • Im Vergleich zum vorstehend erörterten Fall eines HV-Bordnetzes 1 mit nur einer ersten Energiequelle 2 fließt nun ein zusätzlicher Strom IBatt,2 über die Kurzschlussverbindung. Dies hat Auswirkungen auf die vorstehend erläuterte Absicherung. Zunächst kann aber festgestellt werden, dass die strombasierte Absicherung (nämlich dass das erste Unterbrechungselement 4 eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der ersten Energiequelle 2 ausgehende Stromstärke IBatt,1 einen ersten Schwellenwert I1,th der Stromstärke überschreitet) durch die Erweiterung des HV-Bordnetzes 1 um eine zweite Energiequelle nicht beeinträchtigt wird. Hingegen wird die spannungsbasierte Absicherung (nämlich dass das erste Unterbrechungselement 4 eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine Klemmenspannung UBatt,1 der ersten Energiequelle 2 einen Schwellenwert Uth der Klemmenspannung unterschreitet) durch den zusätzlichen Strom IBatt,2 beeinträchtigt. Der der spannungsbasierten Absicherung zugrunde liegende Vorgang besteht darin, dass im Fall eines Kurzschlusses die Batteriespannung UBatt,1 aufgrund des geringen Kurzschlusswiderstands Rsc einbricht. Dieser Einbruch kann detektiert und so ein Kurzschluss festgestellt werden. Durch das Hinzufügen der zweiten Energiequelle 3 und durch den von ihr 3 gelieferten Strom IBatt,2 wird der von dem Spannungssensor 42 des ersten Unterbrechungselements 4 detektierte Spannungseinbruch verringert. Unterschreitet die Klemmenspannung UBatt,1 der ersten Energiequelle 2 daraufhin nicht den Schwellenwert Uth der Klemmenspannung, so kommt es nicht zu einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung. Aus diesem Grund kann dem für den Fall einer einzigen Energiequelle 2 ordnungsgemäß abgesicherten HV-Bordnetz 1 nicht ohne weitere Absicherungs-Maßnahmen eine zweite Energiequelle 3 hinzugefügt werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Auswirkung des Hinzufügens der zweiten Energiequelle 3 werden nachfolgend die vorstehend hergeleiteten Formeln für den Fall eines um die einen Strom IBatt,2 liefernde zweite Energiequelle 3 ergänzten HV-Bordnetzes 1 angegeben:
    Figure DE102015201899A1_0004
    Uth ≥ Rsc,max·(I1,th + IBatt,2).
  • 9 zeigt eine Darstellung der in einem HV-Bordnetz 1 mit einem ersten 2 und einem zweiten Energiespeicher 3 abgesicherten beispielhaften Wertebereiche. Dabei entspricht die 9 der 6. Der einzige Unterschied besteht in der in den 7 und 8 dargestellten zusätzlichen zweiten Energiequelle 3. Für die 9 wurde eine Stromstärke IBatt,2 = 400 A angenommen. Im Vergleich der 6 und 9 ist zu erkennen, dass sich durch das Hinzufügen der zweiten Energiequelle 3 der nicht abgesicherte Wertebereich 60, der wie vorstehend mit Bezug zu 6 beschrieben durch die beiden Ortskurven 61, 62 begrenzt wird, deutlich vergrößert. Der niedrigste Ordinatenwert des nicht abgesicherten Wertebereichs 60 beträgt nunmehr Rsc = 153 mOhm.
  • 10 zeigte eine beispielhafte Darstellung des größten noch abgesicherten Wertes Rsc des Kurzschlusswiderstands als Funktion 100 der Stromstärke IBatt,2 des zweiten Energiespeichers 3. Aus dem Ohmschen Gesetz folgt als Rechenvorschrift für die Funktion 100:
    Figure DE102015201899A1_0005
  • Dabei sind die weiteren Zahlenwerte gleich den vorstehend genannten. Wie mit Bezug zu 9 erläutert beträgt für eine Stromstärke IBatt,2 = 400 A der größte noch abgesicherte Wertes des Kurzschlusswiderstands Rsc = 153 mOhm. Anhand der Funktionskurve 100 wird deutlich, dass der größte noch abgesicherte Wertes Rsc des Kurzschlusswiderstands mit steigender Stromstärke IBatt,2 rasch abnimmt. Somit ist ab einem bestimmten Wert die für die wirksame Absicherung des HV-Bordnetzes 1 geforderte Bedingung, dass der Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands mindestens demjenigen Wert des elektrischen Kurzschlusswiderstands entspricht, der in dem HV-Bordnetz maximal auftreten kann, nicht mehr erfüllt.
  • Im dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird daher der zweite Schwellenwert I2,th der Stromstärke derart bestimmt, dass das Hochvolt-Bordnetz 1 gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands Rsc abgesichert ist. Dies kann erfolgen, indem die vorstehende Formel wie folgt umgeschrieben wird:
    Figure DE102015201899A1_0006
  • Der sich aus dieser Rechnung eigentlich ergebende Wert I2,th = 416,7 A wurde vorstehend leicht auf 400 A abgerundet. Dies ist vorteilhaft, um die Absicherung des HV-Bordnetzes 1 um einen sich durch das Abrunden ergebenden Sicherheitsabstand zu ergänzen. Jedoch darf das Ergebnis der oben stehenden Formel nicht aufgerundet werden, da sich nach der vorstehenden Rechenvorschrift der größte Schwellenwert I2,th der Stromstärke ergibt, bei dem das HV-Bordnetz 1 für alle unterhalb des Maximalwerts Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands Rsc liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands Rsc abgesichert ist.
  • Der zweite Schwellenwert I2,th der Stromstärke kann auch grafisch anhand der Darstellung der 10 bestimmt werden, indem der Maximalwert Rsc,max des elektrischen Kurzschlusswiderstands an der Ordinate angetragen und der entsprechend der Funktionskennlinie 100 zugehörige Abszissenwert abgelesen wird. Im vorliegenden Beispiel beträgt Rsc,max = 150 mOhm. Man liest somit aus 10 den Wert I2,th = 400 A ab. Falls also der zweite Schwellenwert I2,th einen Wert von 400 A überschreitet, so wird die zweite Energiequelle mittels des zweiten Unterbrechungselements 5 vom HV-Bordnetz 1 abgetrennt. Das HV-Bordnetz 1 ist somit auch bei Vorhandensein zweier Energiequellen 2, 3 gegen durch Kurzschlüsse verursachte Überströme abgesichert.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Zahlenbeispiele Rundungen enthalten. Eine exakte Bestimmung der Zahlenwerte ist durch die Verwendung der vorstehend aufgeführten Rechenvorschriften möglich.
  • Es sei mit Bezug zu 10 noch darauf hingewiesen, dass sich der im zweiten Verfahrensschritt gewählte Abstand des Schwellenwerts Uth der Klemmenspannung UBatt,1 von seinem niedrigsten möglichen Wert (im obigen Zahlenbeispiel Uth = 75 V) auf den zweiten Schwellenwert I2,th der Stromstärke auswirkt. Wäre im Extremfall Uth = 75 V gewählt worden, so hätte im dritten Verfahrensschritt ein Wert von I2,th = 0 A bestimmt werden müssen. Ein Hinzufügen der zweiten Energiequelle 3 zum HV-Bordnetz 1 wäre somit nicht möglich gewesen. In diesem Fall kann das Verfahren abgebrochen und wieder von vorne begonnen werden, wobei die zum Zeitpunkt des Abbruchs des Verfahrens bestimmten Schwellenwerte bei der erneuten Ausführung des Verfahrens soweit angepasst (also erhöht bzw. gesenkt) werden, dass ein Hinzufügen des zweiten bzw. ggf. aller weiteren Energiequellen ermöglicht wird.
  • Würde das HV-Bordnetz noch eine weitere (dritte) Energiequelle umfassen, so würde deren Batteriestrom IBatt,3 bei dem nachfolgenden Schritt des Bestimmens des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke wie folgt Berücksichtigung finden:
    Figure DE102015201899A1_0007
    Uth ≥ Rsc,max·(I1,th + I2,th + IBatt,3).
  • Die der Funktion 100 entsprechende Funktion des größten noch abgesicherten Wertes Rsc des Kurzschlusswiderstands als Funktion der Stromstärke IBatt,3 des weiteren Energiespeichers würde wie folgt lauten:
    Figure DE102015201899A1_0008
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die 9 und 10 jeweils von einem HV-Bordnetz 1 mit genau zwei Energiequellen 2, 3 ausgehen. Bei Hinzufügen einer weiteren (dritten) Energiequelle könnten diese Figuren entsprechend der vorstehenden Rechenvorschriften angepasst bzw. neu erstellt werden.
  • 11 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Zeitdauer T (in Sekunden) der Stromtragfähigkeit beispielhafter Elemente eines HV-Bordnetzes 1 mit einer einzigen Energiequelle 2 sowie der Zeitdauer beispielhafter Unterbrechungselemente 41, 42, 43, 44 als Funktion der Stromstärke I (in Ampere). Die Wertekurve 113 gibt die die Stromtragfähigkeit einer beispielhaften Kabelverbindung 14, 15 mit großem Kabelquerschnitt an, wie sie beispielsweise im Strompfad zwischen HV-Batterie 2 und Elektromotor 6 verwendet werden könnte. Für einen bestimmten Stromwert I auf der Abszisse lässt sich mittels der Kurve 113 auf der Ordinate ablesen, für welche maximale Zeitdauer T (in Sekunden) die Kabelverbindung den Strom führen kann, ohne unzulässig belastet zu werden. In gleicher Weise gibt die Wertekurve 114 die Stromtragfähigkeit einer beispielhaften Kabelverbindung mit geringem Kabelquerschnitt an, wie sie beispielsweise für die Anbindung einer der HV-Komponenten 12 an das Leistungselektronik-Modul 16 verwendet werden könnte. Sollen bei der Ausführung der Erfindung die Zeitdauern berücksichtigt werden, so müssen die jeweiligen Unterbrechungselemente in Abhängigkeit der Stromstärke die elektrische Verbindung innerhalb einer höchstens so langen Zeitdauer wie durch die Kurven 113, 114 vorgegeben unterbrechen. Bevorzugt können die mit Bezug zu 3 dargestellten Unterbrechungsmechanismen in unterschiedlichen Wertebereichen der Stromstärke I wirken. Die Wertekurve 115 gibt für ein beispielhaftes Sicherungselement 13 die Zeitdauer in Sekunden bis zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung an. Aus dem Verlauf der Kurven 115, 114 ergibt sich, dass das Sicherungselement 13 insbesondere in den Wertebereichen 111, 112 der Stromstärke wirksam ist. In diesen Bereichen 111, 112 liegt die Kurve 115 unterhalb der Kurve 114. Die Kurve 116 gibt einen beispielhaften Werteverlauf eines durch die Sicherungselemente 41, 42, 43, 44, 45 gebildeten Unterbrechungselements wieder. Das Sicherungselement 41 bestimmt den Verlauf der Kurve 116 in dem Wertebereich 112, also bei sehr hohen Stromstärken. Die strombasierte Absicherung 43, 44, 45 kann in einem mittleren Wertebereich 111 der Stromstärke besonders wirksam sein. Die spannungsbasierte Absicherung 42, 44, 45 kann in einem unteren Wertebereich 110 der Stromstärke besonders wirksam sein. Man erkennt daran, dass die Kurve 116 insgesamt unterhalb der Kurve 113 liegt, dass durch das Wirken der Sicherungselemente 41, 42, 43, 44, 45 die Kabelverbindung 14, 15 (mit großem Kabelquerschnitt) des HV-Bordnetzes 1 gegen Überströme abgesichert ist. Da zugleich die jeweils unteren Abschnitte der Kurven 115, 116 unterhalb der Kurve 114 liegen, sind auch die Verbindungen mit geringem Kabelquerschnitt abgesichert, so dass im vorliegenden Beispiel durch die Gesamtheit der Absicherungsmaßnahmen das gesamte HV-Bordnetz 1 gegen Überströme abgesichert ist. Die in 11 dargestellten Zeitdauern T der Sicherungselemente 41, 42, 43, 44, 45 können einstellbar sein. Sie können aber auch die technischen Eigenschaften der Sicherungselemente 41, 42, 43, 44, 45 vorgegeben sein. Beispielsweise können die dargestellten Zeitdauern durch Hardware-Eigenschaften und Software-Eigenschaften bedingte Mindestzeitdauern der Sicherungselemente 41, 42, 43, 44, 45 bis zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung sein. Sind diese Zeitdauern für die Absicherung des HV-Bordnetzes 1 geeignet, wie dies in dem in 11 gezeigten Beispiel der Fall ist, so müssen die Zeitdauern nicht gesondert eingestellt werden.
  • Liste verwendeter Formelzeichen und Einheiten
    • U (V)
      Spannung (Volt)
      R (Ohm)
      Elektrischer Widerstand (Ohm)
      I (A)
      Strom (Ampere)
      T (s)
      Zeitdauer (Sekunden)
      Rsc,max
      Maximalwert des elektrischen Kurzschlusswiderstands
      Rsc
      Wert des elektrischen Kurzschlusswiderstands
      Uth
      Schwellenwert der Klemmenspannung
      I1,th
      Erster Schwellenwert der Stromstärke
      I2,th
      Zweiter Schwellenwert der Stromstärke
      UBatt,1
      Klemmenspannung
      IBatt,1
      Batteriestrom der ersten Energiequelle
      IBatt,2
      Batteriestrom der zweiten Energiequelle
      IBatt,3
      Batteriestrom der dritten Energiequelle
      Ui
      Spannung der i-ten Batteriezelle
      Ri
      Innenwiderstand der i-ten Batteriezelle
      n
      Anzahl der Batteriezellen
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    HV-Bordnetz
    2
    Erste Energiequelle
    3
    Zweite Energiequelle
    4
    Erstes Unterbrechungselement
    5
    Zweites Unterbrechungselement
    6
    Elektromotor
    7
    NV-Batterie
    8
    DC/DC-Wandler
    9
    Inverter
    10
    Ladeschnittstelle
    11
    Ladeelektronik
    12
    Hochvolt-Komponenten
    13
    Elektrische Sicherungen
    14
    DC-Kabelverbindung
    15
    AC-Kabelverbindung
    16
    Leistungselektronik
    20
    Batteriezellen der HV-Batterie
    41
    Sicherungselement
    42
    Spannungssensor
    43
    Stromsensor
    44
    Auswerteschaltung
    45
    Steuerbarer Schalter
    60
    Nicht abgesicherter Wertebereich
    61
    Ortskurve des Schwellenwerts der Klemmenspannung
    62
    Ortskurve des ersten Schwellenwerts der Stromstärke
    100
    Funktionskurve
    110–112
    Bereiche der Stromstärke
    113–116
    Wertekurven

Claims (9)

  1. Verfahren zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes (1) eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten (2) und einer zweiten Energiequelle (3), wobei das Hochvolt-Bordnetz (1) ein erstes Unterbrechungselement (4) zur Unterbrechung einer ersten elektrischen Verbindung zwischen der ersten Energiequelle (2) und dem Hochvolt-Bordnetz (1) sowie ein zweites Unterbrechungselement (5) zur Unterbrechung einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen der zweiten Energiequelle (3) und dem Hochvolt-Bordnetz (1) umfasst, wobei das erste Unterbrechungselement (4) eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine Klemmenspannung (UBatt,1) der ersten Energiequelle (2) einen Schwellenwert der Klemmenspannung (Uth) unterschreitet und wobei das erste Unterbrechungselement (4) weiter eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der ersten Energiequelle (2) ausgehende Stromstärke (IBatt,1) einen ersten Schwellenwert (I1,th) der Stromstärke überschreitet, und wobei das zweite Unterbrechungselement (5) eingerichtet ist, die zweite elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der zweiten Energiequelle (3) ausgehende Stromstärke (IBatt,2) einen zweiten Schwellenwert (I2,th) der Stromstärke überschreitet, mit den Schritten • Bestimmen eines Maximalwerts (Rsc,max) eines elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) des Hochvolt-Bordnetzes (1), • Bestimmen des Schwellenwerts der Klemmenspannung (Uth) und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke (I1,th) derart, dass das Hochvolt-Bordnetz (1) gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts (Rsc,max) des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) abgesichert ist, wobei der Schritt des Bestimmens des Schwellenwerts der Klemmenspannung (Uth) und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke (I1,th) unter der Annahme erfolgt, dass die zweite Energiequelle (3) von dem Hochvolt-Bordnetz (1) getrennt ist, • Bestimmen des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke (I2,th) derart, dass das Hochvolt-Bordnetz (1) gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts (Rsc,max) des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) abgesichert ist, wobei der Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke (I2,th) unter der Annahme erfolgt, dass die zweite Energiequelle (3) mit dem Hochvolt-Bordnetz (1) verbunden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Hochvolt-Bordnetz (1) eine weitere Energiequelle sowie ein weiteres Unterbrechungselement zur Unterbrechung einer weiteren elektrischen Verbindung zwischen der weiteren Energiequelle und dem Hochvolt-Bordnetz (1) umfasst, wobei das weitere Unterbrechungselement eingerichtet ist, die weitere elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der weiteren Energiequelle ausgehende Stromstärke einen weiteren Schwellenwert der Stromstärke überschreitet, mit dem zusätzlichen Schritt • Bestimmen des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke derart, dass das Hochvolt-Bordnetz (1) gegen aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses (Rsc) auftretende Überströme zumindest für alle unterhalb des Maximalwerts (Rsc,max) des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) liegenden Werte des elektrischen Kurzschlusswiderstands (Rsc) abgesichert ist, wobei der Schritt des Bestimmens des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke unter der Annahme erfolgt, dass die weitere Energiequelle mit dem Hochvolt-Bordnetz (1) verbunden ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Unterbrechungselement (4) die erste elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die Klemmenspannung (UBatt,1) der ersten Energiequelle (2) den Schwellenwert der Klemmenspannung (Uth) für eine erste Zeitdauer unterschreitet und / oder wenn die von der ersten Energiequelle (2) ausgehende Stromstärke (IBatt,1) den ersten Schwellenwert der Stromstärke (I1,th) für eine zweite Zeitdauer überschreitet, wobei der Schritt des Bestimmen des Schwellenwerts der Klemmenspannung (Uth) und des ersten Schwellenwerts der Stromstärke (I1,th) ein Bestimmen der ersten Zeitdauer und / oder der zweiten Zeitdauer umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Unterbrechungselement (5) die zweite elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die von der zweiten Energiequelle (3) ausgehende Stromstärke (IBatt,2) den zweiten Schwellenwert der Stromstärke (I2,th) für eine dritte Zeitdauer überschreitet, wobei der Schritt des Bestimmens des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke (I2,th) ein Bestimmen der dritten Zeitdauer umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das weitere Unterbrechungselement die weitere elektrische Verbindung erst dann unterbricht, wenn die von der weiteren Energiequelle ausgehende Stromstärke den weiteren Schwellenwert der Stromstärke für eine weitere Zeitdauer überschreitet, wobei der Schritt des Bestimmens des weiteren Schwellenwerts der Stromstärke jeweils ein Bestimmen der weiteren Zeitdauer umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Zeitdauer eine Funktion der Klemmenspannung (UBatt,1) der ersten Energiequelle (2) ist und / oder wobei die zweite Zeitdauer eine Funktion der von der ersten Energiequelle (2) ausgehenden Stromstärke (IBatt,1) ist und / oder wobei die dritte Zeitdauer eine Funktion der von der zweiten Energiequelle ausgehenden Stromstärke (IBatt,2) ist und / oder wobei die weitere Zeitdauer eine Funktion der von der weiteren Energiequelle ausgehenden Stromstärke ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite (I2,th) und / oder der weitere Schwellenwert der Stromstärke einstellbar ist, wobei das Verfahren bei einem Hinzufügen und / oder Inbetriebnehmen der zweiten (3) und / oder weiteren Energiequelle zu einem bestehenden Hochvolt-Bordnetz (1) durchgeführt wird, mit dem weiteren Schritt • Einstellen des zweiten (I2,th) und / oder weiteren Schwellenwerts der Stromstärke.
  8. Computerprogrammprodukt, insbesondere digitales Speichermedium, umfassend einen Satz von Anweisungen, welche bei Ausführung auf einem Computer bewirken, dass der Computer die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.
  9. Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Bordnetz (1) mit einer ersten (2) und einer zweiten Energiequelle (3), einem ersten Unterbrechungselement (4) zur Unterbrechung einer ersten elektrischen Verbindung zwischen der ersten Energiequelle (2) und dem Hochvolt-Bordnetz (1) sowie einem zweiten Unterbrechungselement (5) zur Unterbrechung einer zweiten elektrischen Verbindung zwischen der zweiten Energiequelle (3) und dem Hochvolt-Bordnetz (1), wobei das erste Unterbrechungselement (4) eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine Klemmenspannung (UBatt,1) der ersten Energiequelle (2) einen Schwellenwert der Klemmenspannung (Uth) unterschreitet und wobei das erste Unterbrechungselement (4) weiter eingerichtet ist, die erste elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der ersten Energiequelle (2) ausgehende Stromstärke (IBatt,1) einen ersten Schwellenwert der Stromstärke (I1,th) überschreitet, und wobei das zweite Unterbrechungselement (5) eingerichtet ist, die zweite elektrische Verbindung zu unterbrechen, wenn eine von der zweiten Energiequelle (3) ausgehende Stromstärke (IBatt,2) einen zweiten Schwellenwert der Stromstärke (I2,th) überschreitet, wobei der zweite Schwellenwert der Stromstärke (I2,th) einstellbar ist, das Hochvolt-Bordnetz (1) weiter umfassend ein mit dem zweiten Unterbrechungselement (5) verbundenes Steuergerät, das zur Einstellung des zweiten Schwellenwerts der Stromstärke (I2,th) eingerichtet ist, wobei das Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 eingerichtet ist.
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