DE102020005248A1 - Method for operating a high-voltage energy storage system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichersystems (100), wobei das Energiespeichersystem (100) wenigstens umfasst einen ersten Batteriestrang (10) und einen zweiten Batteriestrang (20).Zum Abschalten des Hochvolt-Energiespeichersystems (100) im Fehlerfall werden wenigstens die Schritte durchgeführt: Detektieren eines Überstroms in einem Hochvolt-Hauptpfad (30, 32); Warten für ein vorgegebenes erstes Zeitintervall (T1), ob eine erste Sicherung (14) und/oder eine zweite Sicherung (24) auslöst; im Fall, dass keine der Sicherungen (14, 24) auslöst, Trennen des ersten Batteriestrangs (10) durch wenigstens ein Schütz (16, 18); Warten für ein vorgegebenes zweites Zeitintervall (T2), ob die zweite Sicherung (24) auslöst; im Fall, dass die zweite Sicherung (24) nicht auslöst, Trennen des zweiten Batteriestrangs (20) durch wenigstens ein Schütz (26, 28).Die Erfindung betrifft ferner ein Hochvolt-Energiespeichersystem (100) sowie ein Fahrzeug mit einem Hochvolt-Energiespeichersystem (100).The invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage system (100), the energy storage system (100) comprising at least a first battery string (10) and a second battery string (20). To switch off the high-voltage energy storage system (100) in the event of a fault, at least the steps carried out: detecting an overcurrent in a high-voltage main path (30, 32); Waiting for a predetermined first time interval (T1) to see whether a first fuse (14) and / or a second fuse (24) trips; in the event that none of the fuses (14, 24) trips, disconnecting the first battery string (10) by at least one contactor (16, 18); Waiting for a predetermined second time interval (T2) whether the second fuse (24) trips; in the event that the second fuse (24) does not trip, the second battery string (20) is disconnected by at least one contactor (26, 28). The invention also relates to a high-voltage energy storage system (100) and a vehicle with a high-voltage energy storage system ( 100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichersystems, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, sowie Hochvolt-Energiespeichersystem, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, für ein solches Verfahren und ein Fahrzeug mit einem solchen Hochvolt-Energ iespeichersystem.The invention relates to a method for operating a high-voltage energy storage system, in particular an electrically powered vehicle, and high-voltage energy storage system, in particular an electrically powered vehicle, for such a method and a vehicle with such a high-voltage energy storage system.
Um eine Batterie eines Hochvolt-Energiespeichersystems mit hohen Strömen zu laden, werden möglichst träge Schmelzsicherungen mit hohem Nennstrom verwendet. Ein im Fehlerfall möglicherweise auftretender Kurzschlussstrom während des Ladevorgangs muss jedoch aus Sicherheitsgründen getrennt sein, bevor das in der entsprechenden DC-Ladenorm vorgegebene Schmelzintegral erreicht ist.In order to charge a battery of a high-voltage energy storage system with high currents, slow-acting fuses with a high rated current are used. However, a short-circuit current that may occur during the charging process in the event of a fault must be disconnected for safety reasons before the melting integral specified in the corresponding DC charging standard is reached.
Das Grenzlastintegral, auch als Schmelzintegral und als i2t Wert bezeichnet, wobei i einen Stromwert und t eine Zeitdauer der Wirkung des Stroms angibt, ist ein Kriterium für die impulsförmige Kurzzeitüberlastbarkeit verschiedener elektrischer oder elektronischer Bauelemente wie beispielsweise eines Halbleiterbauelements oder
einer Schmelzsicherung. Bei einer Schmelzsicherung wird die impulsartige Überlastung bewusst als Sicherungsfunktion eingesetzt und durch das Schmelzintegral die Auslösecharakteristik der Sicherung beschrieben.The limit load integral, also referred to as the melting integral and the i 2 t value, where i indicates a current value and t a duration of the effect of the current, is a criterion for the short-term impulse overloadability of various electrical or electronic components such as a semiconductor component or
a fuse. In the case of a fuse, the impulse-like overload is deliberately used as a fuse function and the triggering characteristic of the fuse is described by the fuse integral.
Um einen auftretenden Kurzschlussstrom im Fehlerfall rechtzeitig zu trennen, müsste eigentlich eine flinke Schmelzsicherung verwendet werden, die jedoch bei hohen Ladeströmen eine eingeschränkte Lebensdauer aufweist.In order to separate a short-circuit current that occurs in time in the event of a fault, a fast-acting fuse should actually be used, which, however, has a limited service life at high charging currents.
In den am Markt verfügbaren Produkten werden unterschiedliche Lösungsansätze angewendet, um dieses Problem zu umgehen. Meist wird das Potential zur maximalen Ladestromstärke nicht ausgenutzt und es wird eine flinke Sicherung mit niedrigem Nennstrom gewählt. Um trotz flinker Sicherung hohe Ladeströme zuzulassen, kann dann die Sicherung in einem von außen zugängigen Gehäuse verbaut werden. Die Sicherung kann dann aufgrund eingeschränkter Lebensdauer (thermische Zyklen durch Schnellladung führen zu einer Degradation der Sicherung) ein- oder mehrfach im Fahrzeugleben getauscht werden. Eine andere Maßnahme wäre die Einschränkung der Ladeleistung nach einer gewissen Anzahl thermischer Zyklen. Um die Sicherung zu schonen, würde ein Fahrzeug dann zum Beispiel in der zweiten Lebenshälfte nur noch mit verringerter Stromstärke geladen werden. Alternativ können Schütze mit deutlich höherer Trennfähigkeit verbaut werden. Diese Schütze sind jedoch deutlich größer, schwerer und erheblich teurer als notwendig. Außerdem muss dann, um die Anforderungen der DC-Ladenorm zu erfüllen, extrem schnell auf einen gemessenen Überstrom reagiert werden, was zu einer Reduktion der Robustheit des Systems führt. Eine weitere Möglichkeit ist der Verbau eines pyrotechnischen Trennelements mit entsprechender Trennfähigkeit. Auch für diese Reaktion muss sehr schnell auf einen Überstrom reagiert werden.In the products available on the market, different approaches to solving this problem are used. In most cases, the potential for the maximum charging current is not used and a fast-acting fuse with a low rated current is selected. In order to allow high charging currents in spite of the fast fuse, the fuse can then be installed in an externally accessible housing. The fuse can then be replaced once or several times in the life of the vehicle due to its limited service life (thermal cycles due to rapid charging lead to a degradation of the fuse). Another measure would be to limit the charging power after a certain number of thermal cycles. In order to protect the fuse, a vehicle would then only be charged with reduced amperage in the second half of its life, for example. Alternatively, contactors with a significantly higher separation capability can be installed. However, these contactors are significantly larger, heavier and considerably more expensive than necessary. In addition, in order to meet the requirements of the DC charging standard, it is necessary to react extremely quickly to a measured overcurrent, which leads to a reduction in the robustness of the system. Another possibility is the installation of a pyrotechnic separating element with a corresponding separating capability. For this reaction too, an overcurrent must be reacted to very quickly.
Die
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichersystems, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs anzugeben, welches ein schnelles Abschalten des Hochvolt-Energiespeichersystems im Fehlerfall, insbesondere bei einem Überstrom ermöglicht.One object of the invention is to provide a method for operating a high-voltage energy storage system, in particular an electrically driven vehicle, which enables the high-voltage energy storage system to be switched off quickly in the event of a fault, in particular in the event of an overcurrent.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Hochvolt-Energiespeichersystem für ein solches Verfahren anzugeben.Another object is to specify a high-voltage energy storage system for such a method.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Fahrzeug mit einem solchen Hochvolt-Energiespeichersystem anzugeben.Another object is to specify a vehicle with such a high-voltage energy storage system.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The aforementioned objects are achieved with the features of the independent claims.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.Favorable configurations and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichersystems, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei das Energiespeichersystem wenigstens umfasst einen ersten Batteriestrang mit einer ersten Batterie in einem ersten Hochvoltpfad, 13, wobei in dem ersten Hochvoltpfad eine erste Sicherung, und wenigstens ein erstes Schütz mit der ersten Batterie in Reihe geschaltet sind; und einen zweiten Batteriestrang mit einer zweiten Batterie in einem zweiten Hochvoltpfad, wobei in dem zweiten Hochvoltpfad eine zweite Sicherung, und wenigstens ein zweites Schütz mit der zweiten Batterie in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der zweite Batteriestrang mit dem ersten Batteriestrang parallel geschaltet. Zum Abschalten des Hochvolt-Energiespeichersystems im Fehlerfall werden wenigstens die Schritte durchgeführt: Detektieren eines Überstroms in einem Hochvolt-Hauptpfad; Warten für ein vorgegebenes erstes Zeitintervall, ob die erste Sicherung und/oder die zweite Sicherung auslöst; im Fall, dass keine der Sicherungen auslöst, Trennen des ersten Batteriestrangs durch das wenigstens eine Schütz; Warten für ein vorgegebenes zweites Zeitintervall, ob die zweite Sicherung auslöst; im Fall, dass die zweite Sicherung nicht auslöst, Trennen des zweiten Batteriestrangs durch das wenigstens eine Schütz.According to one aspect of the invention, a method for operating a high-voltage energy storage system, in particular an electrically powered vehicle, is proposed, the energy storage system at least comprising a first battery string with a first battery in a first high-voltage path, 13, with a first fuse in the first high-voltage path , and at least one first contactor are connected in series with the first battery; and a second battery string with a second battery in a second high-voltage path, with a second fuse and at least one second contactor in the second high-voltage path of the second battery are connected in series. The second battery string is connected in parallel with the first battery string. To switch off the high-voltage energy storage system in the event of a fault, at least the following steps are carried out: detection of an overcurrent in a high-voltage main path; Waiting for a predefined first time interval whether the first fuse and / or the second fuse is triggered; in the event that none of the fuses trips, disconnecting the first battery string by the at least one contactor; Waiting for a predetermined second time interval whether the second fuse trips; in the event that the second fuse does not trip, the second battery string is disconnected by the at least one contactor.
Erfindungsgemäß ist eine Aufteilung des Hochvolt-Energiespeichersystems auf mindestens zwei parallel geschaltete Batteriestränge vorgesehen. Damit teilen sich sowohl die Betriebsströme als auch die Fehlerströme im Kurzschlussfall nahezu gleichmäßig auf alle Batteriestränge auf. Die zu verwendenden Querschnitte der stromführenden Teile und die Nennströme der Trennelemente, wie Schütze und Sicherungen, können daher deutlich geringer ausfallen.According to the invention, the high-voltage energy storage system is divided into at least two battery strings connected in parallel. This means that both the operating currents and the fault currents in the event of a short circuit are distributed almost equally across all battery strings. The cross-sections to be used for the live parts and the rated currents of the isolating elements, such as contactors and fuses, can therefore be significantly lower.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine kaskadierte Reaktion auf ein Überstromereignis vor. Unter Überstrom wird ein Stromwert bezeichnet, der eine festgelegte Stromstärke für eine vorgegebene Zeitdauer überschreitet. Üblicherweise reagieren alle Batteriestränge nahezu gleichzeitig auf einen Überstrom. Bei sehr hohen Kurzschlussströmen trennt die Sicherung, welche üblicherweise eine Schmelzsicherung darstellt, bei geringeren Überströmen werden die Schütze geöffnet. Bei einem außen anliegenden Kurzschlusswiderstand zum Beispiel an einer DC-Ladestation reagiert aufgrund der Bauteil-Toleranzen der Schütze immer einer der Batteriestränge vor der dem anderen Batteriestrang, wenn auch mit einem sehr geringen Zeitversatz. Für den Fall zweier Batteriestränge, halbiert sich der Kurzschlussstrom dadurch jedoch nicht, da die beiden Batteriestränge sich nicht wie ideale Stromquellen, sondern eher wie Spannungsquellen mit einem Innenwiderstand verhalten. Im später trennenden Batteriestrang steigt damit der Strom sprunghaft an, sobald die Schütze des ersten Batteriestrangs geöffnet wurden. Dieser Umstand kann verwendet werden, um die Ersatz-Schmelzsicherungskennlinie des gesamten Hochvolt-Energiespeichersystems im Kurzschlussfall aktiv umzuschalten. Die Ersatz-Sicherungskennlinie, welche die Summenkennlinie der beiden Sicherungen darstellt, ist im Falle des komplett zugeschalteten Mehrstrangsystems ungefähr viermal so träge wie die eines einzelnen Batteriestrangs, da der Strom sich paritätisch aufteilt und die Auslösezeit einer Schmelzsicherung nahezu quadratisch. Um nun die Ersatzkennlinie aktiv umzuschalten, wird im Falle eines detektierten Überstromes einer der beiden Batteriestränge sehr schnell geöffnet. Der Strom kommutiert auf den zweiten Batteriestrang und das Gesamtsystem reagiert sehr viel schneller auf den Kurzschluss.The method according to the invention provides a cascaded response to an overcurrent event. Overcurrent is a current value that exceeds a specified current strength for a specified period of time. Usually, all battery strings react almost simultaneously to an overcurrent. In the case of very high short-circuit currents, the fuse, which is usually a fuse, disconnects; in the case of lower overcurrents, the contactors are opened. In the case of an externally applied short-circuit resistance, for example at a DC charging station, due to the component tolerances of the contactors, one of the battery strings always reacts before the other battery string, albeit with a very small time delay. In the case of two battery strings, the short-circuit current is not halved because the two battery strings do not behave like ideal current sources, but rather like voltage sources with an internal resistance. In the later disconnecting battery string, the current increases suddenly as soon as the contactors of the first battery string are opened. This fact can be used to actively switch over the replacement fuse characteristic of the entire high-voltage energy storage system in the event of a short circuit. The substitute fuse characteristic, which represents the cumulative characteristic of the two fuses, is around four times as slow as that of a single battery string in the case of the fully connected multiple string system, since the current is divided equally and the tripping time of a fuse is almost quadratic. In order to now actively switch over the substitute characteristic, one of the two battery strings is opened very quickly in the event of a detected overcurrent. The current commutates to the second battery string and the entire system reacts much faster to the short circuit.
Diesen Überlegungen liegen beispielsweise folgende Annahmen zugrunde. Der Gesamtstrom des Hochvolt-Energiespeichersystems teilt sich auf die beiden Batteriestränge jeweils zur Hälfte auf. Die Sicherungen in den beiden Batteriesträngen können bei sehr hohen Strömen, beispielsweise einem Gesamtstrom größer als 6000 A, einen Kurzschluss schnell genug trennen können, beispielsweise in einem Zeitintervall kleiner als 100 msec. Jeder Batteriestrang kann durch ein Schütz bei einem mittleren Stromwert, beispielsweise bei maximal 3000 A getrennt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll eine ausreichend schnelle Trennung im Kurzschlussfall zwischen beispielsweise 1000 A und 6000 A ermöglichen. Der Kurzschlussstrom sinkt beim Trennen eines Batteriestrangs um einen bestimmten Wert, beispielsweise um 1000 A.These considerations are based on the following assumptions, for example. The total current of the high-voltage energy storage system is divided equally between the two battery strings. At very high currents, for example a total current greater than 6000 A, the fuses in the two battery strings can separate a short circuit quickly enough, for example in a time interval of less than 100 msec. Each battery string can be separated by a contactor at an average current value, for example at a maximum of 3000 A. The method according to the invention should enable a sufficiently rapid disconnection in the event of a short circuit between 1000 A and 6000 A, for example. When a battery string is disconnected, the short-circuit current drops by a certain value, for example by 1000 A.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft mit diesen Annahmen wie folgt ab. Es wird ein Überstrom in dem Hochvolt-Energiespeichersystem detektiert, dessen genaue Höhe nicht bekannt ist. Daraufhin wird beispielsweise für ein Zeitintervall von 100 msec gewartet, ob die beiden Sicherungen trennen, was bei einem Gesamt-Stromwert größer 6000 A erfolgen würde. Falls das nicht der Fall ist, wird der erste Batteriestrang über die Schütze geöffnet, was erlaubt ist, da der Gesamtstrom dann offensichtlich kleiner als 6000 A und damit der Strom pro Batteriestrang kleiner als 3000 A ist. Damit steigt jetzt der Strom durch den zweiten Batteriestrang auf beispielsweise 6000 A - 1000 A = 5000 A. Daraufhin wird beispielsweise für ein weiteres, dieses Mal kleineres Zeitintervall von 50 msec gewartet, ob im zweiten Batteriestrang die Sicherung auslöst, um den Strom zu trennen. In dem Beispiel beträgt das erste Zeitintervall 100ms. Der Strom steigt im zweiten Batteriestrang nach Trennen des ersten Batteriestrangs jedoch an. Deswegen muss das weitere Zeitintervall nicht so groß sein wie das erste Zeitintervall.With these assumptions, the method according to the invention proceeds as follows. An overcurrent is detected in the high-voltage energy storage system, the exact amount of which is not known. Thereupon, for example, a time interval of 100 msec is waited for to see whether the two fuses separate, which would occur with a total current value greater than 6000 A. If this is not the case, the first battery string is opened via the contactors, which is permitted because the total current is then obviously less than 6000 A and thus the current per battery string is less than 3000 A. This means that the current through the second battery string now rises to, for example, 6000 A - 1000 A = 5000 A. Thereupon, for example, a further, this time smaller time interval of 50 msec is waited to see whether the fuse in the second battery string triggers to disconnect the current. In the example, the first time interval is 100 ms. However, the current increases in the second battery string after the first battery string is disconnected. Therefore the further time interval does not have to be as large as the first time interval.
Die Sicherung im zweiten Batteriestrang würde beispielsweise auslösen, wenn der Stromwert größer 3000 A wäre. Falls das nicht der Fall ist, wird der zweite Batteriestrang mit den Schützen getrennt, da der Stromwert offensichtlich kleiner als 3000 A beträgt.The fuse in the second battery string would trigger if the current value were greater than 3000 A. If this is not the case, the second battery string with the contactors is disconnected, since the current value is obviously less than 3000 A.
Vorteilhaft kann, wenn aus anderen Gründen, z.B. Redundanz, sowieso ein Mehrstrangsystem vorliegt, auf diese Weise nicht nur sehr viel schneller auf einen Kurzschluss reagiert werden, ohne Einbußen bei der Ladestromstärke hinnehmen zu müssen. Es werden dafür auch keine zusätzlichen teuren und komplexen Komponenten benötigt. Außerdem ist das vorgeschlagene Verfahren besonders robust gegenüber fälschlicherweise erkannter Kurzschlüsse. Wird zum Beispiel aufgrund eines Sensorfehlers auf einen vermeintlichen Überstrom reagiert, obwohl kein Kurzschluss vorliegt, wird lediglich für einen kurzen Moment einer der beiden Batteriestränge deaktiviert. Folgt auf diese Erstreaktion kein Auslösen der Schmelzsicherung, kann die Fehlerkennung korrigiert werden. Der Batteriestrang wird einfach wieder zugeschaltet, ohne dass der Fehler von außen wahrnehmbar gewesen wäre.If, for other reasons, for example redundancy, there is a multiple line system anyway, it is advantageous not only to react much more quickly to a short circuit in this way, without having to accept losses in the charging current. There are no additional expensive ones and complex components are required. In addition, the proposed method is particularly robust with respect to erroneously recognized short circuits. If, for example, there is a reaction to an alleged overcurrent due to a sensor error, although there is no short circuit, one of the two battery strings is only deactivated for a brief moment. If this initial reaction does not trigger the fuse, the error detection can be corrected. The battery string is simply switched on again without the error being noticeable from the outside.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die weiteren Schritte ausgeführt werden: im Fall, dass entweder die erste Sicherung oder die zweite Sicherung auslöst, Warten für ein vorgegebenes zweites Zeitintervall, ob die entsprechende Sicherung des jeweils anderen Batteriestrangs auslöst; im Fall, dass die entsprechende Sicherung des jeweils anderen Batteriestrangs nicht auslöst, Trennen des zweiten Batteriestrangs durch das wenigstens eine Schütz. Vorteilhaft kann so bei Vorliegen eines Stromwertes unterhalb eines unteren Grenzwerts der andere Batteriestrang reversibel über das Schütz getrennt werden.According to an advantageous embodiment of the method, the further steps can be carried out: in the event that either the first fuse or the second fuse trips, waiting for a predefined second time interval to see whether the corresponding fuse of the other battery string triggers; in the event that the corresponding fuse of the respective other battery string does not trip, the second battery string is disconnected by the at least one contactor. In this way, the other battery string can advantageously be reversibly disconnected via the contactor when a current value is present below a lower limit value.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das zweite Zeitintervall wenigstens einer Zeitdauer des 0,5-fachen des ersten Zeitintervalls entsprechen. Insbesondere kann das zweite Zeitintervall wenigstens einer Zeitdauer des 0,25-fachen des ersten Zeitintervalls entsprechen. Dabei wird berücksichtigt, dass die Ersatz-Sicherungskennlinie ist im Falle des komplett zugeschalteten Mehrstrangsystems ungefähr viermal so träge ist wie die eines einzelnen Batteriestrangs, da der Strom sich paritätisch aufteilt und die Auslösezeit einer Schmelzsicherung nahezu quadratisch.According to an advantageous embodiment of the method, the second time interval can correspond to at least a time duration of 0.5 times the first time interval. In particular, the second time interval can correspond to at least a time duration of 0.25 times the first time interval. It is taken into account that the substitute fuse characteristic is approximately four times as slow in the case of a fully connected multiple string system as that of an individual battery string, since the current is divided equally and the tripping time of a fuse is almost square.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die weiteren Schritte ausgeführt werden: im Fall, dass nach Trennen eines Batteriestrangs und Warten für das vorgegebene zweite Zeitintervall kein Auslösen der Sicherung des jeweils anderen Batteriestrangs erfolgt und auch kein Überstrom mehr erkannt wird, Zuschalten des getrennten Batteriestrangs und Korrektur der Fehleranzeige. Wird zum Beispiel aufgrund eines Sensorfehlers auf einen vermeintlichen Überstrom reagiert, obwohl kein Kurzschluss vorliegt, wird lediglich für einen kurzen Moment einer der beiden Batteriestränge deaktiviert. Folgt auf diese Erstreaktion kein Auslösen der Schmelzsicherung, kann die Fehlerkennung korrigiert werden. Der Batteriestrang wird einfach wieder zugeschaltet, ohne dass der Fehler von außen wahrnehmbar gewesen wäre. In diesem Fall lag offensichtlich kein Kurzschluss vor, was auf einen möglichen Sensorfehler hindeuten würde.According to an advantageous embodiment of the method, the further steps can be carried out: in the event that after disconnecting a battery string and waiting for the specified second time interval, the fuse for the other battery string is not triggered and no more overcurrent is detected, switching on the separated battery string and Correction of the error display. If, for example, there is a reaction to an alleged overcurrent due to a sensor error, although there is no short circuit, one of the two battery strings is only deactivated for a brief moment. If this initial reaction does not trigger the fuse, the error detection can be corrected. The battery string is simply switched on again without the error being noticeable from the outside. In this case there was obviously no short circuit, which would indicate a possible sensor fault.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können bei einer Stromstärke größer einem oberen Grenzwert die Batteriestränge durch eine Sicherung im jeweiligen Hochvoltpfad getrennt werden. Dabei können vorteilhaft auf Grund des hohen Stromwertes beide Sicherungen ausgelöst werden.According to an advantageous embodiment of the method, when the current strength is greater than an upper limit value, the battery strings can be separated by a fuse in the respective high-voltage path. Both fuses can advantageously be triggered because of the high current value.
Im obigen Beispiel würde die Trennung durch die Sicherungen bei einem Gesamt-Strom von größer als 6000 A erfolgen.In the example above, the fuses would be disconnected if the total current was greater than 6000 A.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können bei einer Stromstärke zwischen dem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert die Batteriestränge durch ein Schütz in einem der Hochvoltpfade und eine Sicherung im anderen der Hochvoltpfade getrennt werden. Ist ein Batteriestrang durch ein Schütz getrennt, steigt der Strom im anderen Batteriestrang an, sodass in diesem Batteriestrang die Sicherung anspricht.According to an advantageous embodiment of the method, if the current intensity is between the upper limit value and a lower limit value, the battery strings can be separated by a contactor in one of the high-voltage paths and a fuse in the other of the high-voltage paths. If a battery string is separated by a contactor, the current in the other battery string increases, so that the fuse in this battery string responds.
Im obigen Beispiel würde bei Stromwerten zwischen beispielsweise 4000 A und 6000 A der erste Batteriestrang durch die Schütze getrennt und daraufhin der zweite Batteriestrang durch die Sicherung.In the above example, for current values between 4000 A and 6000 A, for example, the first battery string would be disconnected by the contactors and then the second battery string by the fuse.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können unterhalb einem unteren Grenzwert die Batteriestränge durch ein Schütz in einem der Hochvoltpfade und ein Schütz im anderen der Hochvoltpfade getrennt werden. Bei einer Trennung des ersten Batteriestrangs durch ein Schütz sinkt der Strom in diesem Fall auf einen niedrigeren Wert, sodass auch der zweite Strang durch das Schütz getrennt werden kann.According to an advantageous embodiment of the method, the battery strings can be separated by a contactor in one of the high-voltage paths and a contactor in the other of the high-voltage paths below a lower limit value. If the first battery string is disconnected by a contactor, the current in this case drops to a lower value, so that the second string can also be disconnected by the contactor.
Im obigen Beispiel würden bei Strömen unterhalb 4000 A der erste Batteriestrang durch die Schütze und anschließend der zweite Batteriestrang ebenfalls durch die Schütze getrennt.In the above example, for currents below 4000 A, the first battery string would be separated by the contactors and then the second battery string would also be separated by the contactors.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hochvolt-Energiespeichersystem, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, für ein Verfahren wie oben beschrieben vorgeschlagen. Das Energiespeichersystem umfasst wenigstens einen ersten Batteriestrang mit einer ersten Batterie in einem ersten Hochvoltpfad, wobei in dem ersten Hochvoltpfad eine erste Sicherung, und wenigstens ein Schütz mit der ersten Batterie in Reihe geschaltet sind; und einen zweiten Batteriestrang mit einer zweiten Batterie in einem zweiten Hochvoltpfad, wobei in dem zweiten Hochvoltpfad eine zweite Sicherung, und wenigstens ein Schütz mit der zweiten Batterie in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der zweite Batteriestrang mit dem ersten Batteriestrang parallel geschaltet.According to a further aspect of the invention, a high-voltage energy storage system, in particular an electrically driven vehicle, is proposed for a method as described above. The energy storage system comprises at least one first battery string with a first battery in a first high-voltage path, a first fuse and at least one contactor being connected in series with the first battery in the first high-voltage path; and a second battery string with a second battery in a second high-voltage path, a second fuse and at least one contactor being connected in series with the second battery in the second high-voltage path. The second battery string is connected in parallel with the first battery string.
Vorteilhaft kann bei einem parallel geschalteten Hochvolt-Energiespeichersystem mit zwei Batteriesträngen nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, nicht nur sehr viel schneller auf einen Kurzschluss reagiert werden, ohne Einbußen bei der Ladestromstärke hinnehmen zu müssen. Es werden dafür auch keine zusätzlichen teuren und komplexen Komponenten benötigt. Besonders vorteilhaft kommt dies zum Tragen, wenn aus anderen Gründen, z.B. Redundanz, sowieso ein Mehrstrangsystem vorliegt.In the case of a high-voltage energy storage system connected in parallel with two battery strings according to the method according to the invention described above, it is not only possible to react much more quickly to a short circuit without having to accept losses in the charging current. No additional expensive and complex components are required for this. This is particularly advantageous if, for other reasons, such as redundancy, there is a multiple line system anyway.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Hochvolt-Energiespeichersystems kann der erste Hochvoltpfad an beiden Polen der ersten Batterie jeweils ein Schütz aufweisen, und der zweite Hochvoltpfad kann an beiden Polen der zweiten Batterie jeweils ein Schütz aufweisen. Auf diese Weise kann eine besonders günstige Trennung der Batteriestränge im Fehlerfall beidpolig erfolgen. Damit kann einer erhöhten Sicherheitsanforderung Rechnung getragen werden.According to an advantageous embodiment of the high-voltage energy storage system, the first high-voltage path can each have a contactor at both poles of the first battery, and the second high-voltage path can each have a contactor at both poles of the second battery. In this way, a particularly favorable separation of the battery strings can take place at both poles in the event of a fault. An increased security requirement can thus be taken into account.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Hochvolt-Energiespeichersystem wie oben beschrieben vorgeschlagen. Ein solches Fahrzeug kann vorteilhaft alle erforderlichen Sicherheitsanforderungen erfüllen, da dessen Hochvolt-Energiespeichersystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders schnell und effizient im Kurzschlussfall stromlos geschaltet werden kann.According to a further aspect of the invention, a vehicle with a high-voltage energy storage system as described above is proposed. Such a vehicle can advantageously meet all the necessary safety requirements, since its high-voltage energy storage system can be switched off particularly quickly and efficiently in the event of a short circuit according to the method according to the invention.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawings. In the drawings, an embodiment of the invention is shown. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into useful further combinations.
Dabei zeigen:
-
1 eine Systemübersicht eines Hochvolt-Energiespeichersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben eines Hochvolt-Energiespeichersystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a system overview of a high-voltage energy storage system according to an embodiment of the invention; and -
2 a flowchart of the method for operating a high-voltage energy storage system according to an embodiment of the invention.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.Identical or similar components are numbered with the same reference symbols in the figures. The figures show only examples and are not to be understood as restrictive.
Das Hochvolt-Energiespeichersystem
Die beiden Batteriestränge
In
Wenn in der vorliegenden Beschreibung auf einen Kurzschluss als Fehlerfall Bezug genommen wird, ist damit beispielsweise ein durch die DC-Ladestation
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Hochvolt-Energiespeichersystems
In Schritt
Daraufhin wird in Schritt
Im Fall, dass keine der Sicherungen
Danach wird in Schritt
Falls die Sicherung
Im Fall, dass die zweite Sicherung
Im Fall, dass in Schritt
Hat nur eine der beiden Sicherungen
Haben beide Sicherungen
Im Fall, dass die entsprechende Sicherung
In Schritt
Im Fall, dass nach Trennen eines Batteriestrangs
Das zweite Zeitintervall
Bei einer Stromstärke größer einem oberen Grenzwert
Bei einer Stromstärke zwischen dem oberen Grenzwert
Unterhalb einem unteren Grenzwert
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- erster Batteriestrangfirst battery string
- 1111
- erste Batteriefirst battery
- 1212
- erster Hochvoltpfadfirst high-voltage path
- 1313th
- erster Hochvoltpfadfirst high-voltage path
- 1414th
- SicherungFuse
- 1616
- SchützContactor
- 1818th
- SchützContactor
- 2020th
- zweiter Batteriestrangsecond battery string
- 2121st
- zweite Batteriesecond battery
- 2222nd
- zweiter Hochvoltpfadsecond high-voltage path
- 2323
- zweiter Hochvoltpfadsecond high-voltage path
- 2424
- SicherungFuse
- 2626th
- SchützContactor
- 2828
- SchützContactor
- 3030th
- Hochvolt-HauptpfadMain high-voltage path
- 3232
- Hochvolt-HauptpfadMain high-voltage path
- 3434
- VerbindungspunktConnection point
- 3636
- VerbindungspunktConnection point
- 4040
- DC-LadestationDC charging station
- 4242
- Anschlussconnection
- 4444
- Anschlussconnection
- 100100
- Energiespeichersystem Energy storage system
- T1T1
- erstes Zeitintervallfirst time interval
- T2T2
- zweites Zeitintervallsecond time interval
- I1I1
- unterer Strom-Grenzwertlower current limit value
- I2I2
- oberer Strom-Grenzwertupper current limit value
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102018003892 A1 [0006]DE 102018003892 A1 [0006]
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DE102022001412B3 (en) | 2022-04-25 | 2023-08-17 | Mercedes-Benz Group AG | Method for operating a high-voltage energy store, short-circuit separating element and high-voltage energy store |
-
2020
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