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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung eines elektrochemischen Energiespeichersystems, einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems, einem Computerprogramm sowie einer Verwendung eines Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren für eine Kurzschlusserkennung bekannt, die jedoch nur mit einem Nennstrom bzw. Abschaltstrom getestet werden können.
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Das Dokument
DE 10 2010 030 826 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines Lastpfades in einem Fahrzeug, wobei der Lastpfad eine Gleichspannungsquelle, eine mit einem Minuspol dauerhaft verbundene schaltbare Last und einen dauerhaft mit einem Pluspol verbundenen Lastschalter umfasst, welcher über ein Laststeuersignal steuerbar ist, wobei im geschlossenen Zustand des Lastschalters ein Laststrom durch die schaltbare Last leitbar ist, und eine zugehörige Schaltungsanordnung zur Diagnose eines Lastpfades. Erfindungsgemäß wird während der Diagnose ein Teststrom mit einem definierten Pegel erzeugt und in Abhängigkeit von einem Teststeuersignal über einen Testschalter an einem Ausgangsanschluss an die schaltbare Last ausgegeben, wobei eine resultierende Spannung am Ausgangsanschluss erfasst, aufbereitet und ausgewertet wird, wobei der Lastschalter während der Diagnose geöffnet wird, und wobei über das Teststeuersignal und den resultierenden Schaltzustand des Testschalters mindestens zwei verschiedene Diagnosefälle erzeugt werden.
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Das Dokument
JP 2017 166 975 A stellt einen Kurzschlussprüfkreis und eine Lastantriebsvorrichtung bereit, mit denen es möglich ist, einen offenen Zustand und einen Kurzschlusszustand eines Widerstands durch eine einfache Konfiguration genau zu prüfen.
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Das Dokument
DE 10 2017 211 476 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit eines ersten Widerstands eines Batteriesystems mit einer Konstantstromquelle.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Erzeugen eines Prüfstroms, dessen Stromstärke wesentlich niedriger als eine vorgegebene Stromstärke eines potentiellen Kurzschlussstroms ist;
- b) Ermitteln einer Prüfstromgröße mittels eines Stromerfassungsmittels, welche den erzeugten Prüfstrom repräsentiert;
- c) Verstärken der ermittelten Prüfstromgröße mittels eines Verstärkers, der einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor aufweist und während eines Normalbetriebs des elektrochemischen Energiespeichersystems überbrückt ist;
- d) Vergleichen der verstärkten Prüfstromgröße mit einer vorgegebenen Soll-Prüfstromgröße;
- e) Erzeugen eines Signals, das die Funktionsfähigkeit der Kurzschlusserkennung repräsentiert, in Abhängigkeit des Vergleichs;
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Erfindungsgemäß wird die Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung mit einem elektrischen Strom mit einer im Vergleich zu einer Stromstärke eines potentiellen Kurzschlussstroms wesentlich niedrigeren Stromstärke überprüft. Dadurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass die Kurzschlusserkennung ordnungsgemäß funktioniert.
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In einer alternativen Ausführungsform wird der Prüfstrom mittels eines Vorwiderstands erzeugt, welcher in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung des elektrochemischen Energiespeichersystems einen vorgegebenen Prüfstrom erzeugt.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren folgenden weiteren Schritt:
- f) Zuschalten des elektrochemischen Energiespeichersystems in einen Normalbetrieb in Abhängigkeit des Signals.
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Dadurch wird das elektrochemische Energiespeichersystem nur dann in einen Normalbetrieb zugeschaltet, wenn eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit Kurzschlusserkennung eine ordnungsgemäße Funktionsweise ergeben hat.
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Das Signal umfasst ein elektrisches, optisches, akustisches und/oder haptisches Signal.
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Das Verfahren wird in einem Diagnosebetrieb des elektrochemischen Energiespeichersystems während eines Hochlaufs durchgeführt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise bereits vor einem Normalbetrieb des elektrochemischen Energiespeichersystems die Funktionsfähigkeit der Kurzschlusserkennung in einem Diagnosebetrieb überprüft. Das elektrochemische Energiespeichersystem wird dann nur in einen Normalbetrieb zugeschaltet, wenn die Überprüfung in dem Diagnosebetrieb eine ordnungsgemäße Funktionsweise der Kurzschlusserkennung ergeben hat.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems umfasst mindestens ein Stromerfassungsmittel, insbesondere einen Shunt-Widerstand oder Hall-Sensor, mindestens einen Schalter, einen Verstärker, einen Komparator, eine Treiberschaltung, insbesondere einen Relais-Treiber oder einen Gate-Treiber, mindestens ein erstes Mittel, insbesondere ein analoges Frontend, mindestens ein zweites Mittel, insbesondere ein elektronisches Steuergerät, sowie mindestens ein viertes Mittel, insbesondere eine Konstantstromquelle oder einen Vorwiderstand, welche eingerichtet sind, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ausführt.
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Ferner ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung findet vorteilhafterweise Verwendung in elektrochemischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichersystems 101, umfassend einen ersten Shunt-Widerstand 102, eine schaltbare Konstantstromquelle 105, einen ersten Schalter 104, einen zweiten Schalter 113, einen zweiten Shunt-Widerstand 103, ein erstes Mittel 106 sowie ein zweites Mittel 107.
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Das erste Mittel 106 weist eine erste Spannungsversorgung und das zweite Mittel 107 eine zweite Spannungsversorgung auf. Somit weisen das erste Mittel 106 und das zweite Mittel 107 unabhängige Spannungsversorgungen bzw. Referenzspannungen auf. Das bedeutet, dass Fehler einer elektrischen Spannung der ersten Spannungsversorgung nicht auf das zweite Mittel 107 übertragen werden. Das erste Mittel 106 und das zweite Mittel 107 sind mit einer spannungsunabhängigen Verbindung 108, beispielsweise einer Datenleitung, verbunden.
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Das erste Mittel 106 und/oder das zweite Mittel 107 sind dazu eingerichtet die Konstantstromquelle 105 in einem Diagnosebetrieb, also beispielsweise vor einem Normalbetrieb des elektrochemischen Energiespeichersystems 101, einzuschalten und einen Prüfstrom zu erzeugen, dessen Stromstärke, beispielsweise 1A, wesentlich niedriger als eine vorgegebene Stromstärke eines potentiellen Kurzschlussstroms ist.
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Das erste Mittel 106 ist dazu eingerichtet, eine erste Spannungsgröße zu erfassen, welche einen elektrischen Spannungsabfall über dem ersten Shunt-Widerstand 102, auch als Systemwiderstand des elektrochemischen Energiespeichersystems 101 bezeichnet, repräsentiert. Das erste Mittel 106 ist beispielsweise ein analoges Frontend des elektrochemischen Energiespeichersystems 101.
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Das zweite Mittel 107 ist dazu eingerichtet, eine zweite Spannungsgröße zu erfassen, welche einen elektrischen Spannungsabfall über dem zweiten Shunt-Widerstand 103 repräsentiert. Das zweite Mittel 107 ist beispielsweise ein elektronisches Steuergerät des elektrochemischen Energiespeichersystems 101, insbesondere ein Zentralrechner
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Somit wird der erzeugte Prüfstrom redundant über den ersten Shunt-Widerstand 102 und das erste Mittel 106 und über den zweiten Shunt-Widerstand 103 und das zweite Mittel 107 erfasst, als mittels zwei unabhängiger Shunt-Widerstände 102, 103 und zwei unabhängigen Mittel 106, 107.
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Ein Widerstandswert des zweiten Shunt-Widerstands 103 ist vorzugsweise wesentlich größer als ein Widerstandswert des ersten Shunt-Widerstands 102, beispielsweise um den Faktor Hundert.
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Ferner umfasst die Vorrichtung 100 einen Verstärker 109, einen Komparator 110, ein drittes Mittel 111, insbesondere eine Baugruppe zum Erfassen einer elektrischen Spannung, sowie eine Relaistreiber 112.
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Mittels dem dritten Mittel 111, beispielsweise ein Current Sense Amplifier, welcher auch einen Verstärkungsfaktor aufweisen kann, wird eine Spannungsgröße erfasst, welche einen elektrischen Spannungsabfall über dem ersten Shunt-Widerstand 102 repräsentiert und eine Prüfstromgröße in Abhängigkeit der erfassten Spannungsgröße und von einem vorgegebenen Nennwert des ersten Shunt-Widerstands 102 ermittelt, welche den erzeugten Prüfstrom repräsentiert. Mittels des Verstärkers 109 wird die Prüfstromgröße verstärkt, beispielsweise mit einem Verstärkungsfaktor von 100.
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Ein Überprüfen einer Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung eines elektrochemischen Energiespeichersystems 101 mit einem Prüfstrom mit einer Stromstärke von beispielsweise 1A entspricht dadurch einem Kurzschlussstrom mit einer Stromstärke von 100A. Dies entspricht einem Verstärkungsfaktor von 100, welcher über den Verstärker 109 beliebig vorgebbar ist. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Funktionsfähigkeit der Kurzschlusserkennung mit einem Prüfstrom mit einer Stromstärke von beispielsweise 1A getestet.
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Entspricht die Prüfstromgröße der Soll-Prüfstromgröße, welche am Komparator 110 vorgebbar ist, liefert der Komparator 110 ein Ausgangssignal, welches im Normalbetrieb den Relais-Treiber 112 ausschaltet und somit das elektrochemische Energiespeichersystem 101 nicht zuschaltet.
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Im Diagnosebetrieb ist der Relais-Treiber 112 ausgeschaltet und es wird nur ein Signal am Ausgang des Komparators 110 über ein elektronisches Steuergerät 107 ausgewertet, um eine Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung im Diagnosebetrieb zu verifizieren.
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In einem Normalbetrieb wird der Verstärker 109 überbrückt. Somit wird die Kurzschlusserkennung erst bei einem elektrischen Strom mit einer Stromstärke von 100A aktiviert. Wird ein Kurzschluss im Normalbetrieb erkannt, wird der Relais-Treiber 112 abgeschaltet.
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Sollte in einem Fehlerfall der Schalter zur Überbrückung des Verstärkers 109 keine Überbrückung ermöglichen, wird bei einem elektrischen Strom mit einer Stromstärke über 1A bereits ein Kurzschluss erkannt, wodurch das elektrochemische Energiespeichersystem 101 abgesichert ist.
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Im Diagnosebetrieb fließt der elektrische Prüfstrom durch den ersten Shunt-Widerstand 102 und das elektrochemische Energiespeichersystem 101. Im Normalbetrieb würde ein potentieller Kurzschlussstrom in dieselbe Richtung fließen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das dritte Mittel 111 elektrische Ströme in beide Richtungen erkennen und somit auch Ladeströme außerhalb der Spezifikation des das elektrochemischen Energiespeichersystems 101 abschalten.
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Das elektrochemische Energiespeichersystem 101 umfasst einen zweiten Schalter 113, mittels dem das elektrochemische Energiespeichersystem 101 elektrisch mit Anschlusspolen 114, 115 verbindbar ist, beispielsweise um einen Traktionsantrieb eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs anzutreiben.
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Die Vorrichtung 100 ist beispielsweise auf einer Leiterplatte oder Platine angeordnet, wohingegen der erste Shunt-Widerstand 102 als Teil des elektrochemischen Energiespeichersystems 101 auf einem von der Leiterplatte bzw. Platine unabhängigen Träger angeordnet ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Verfahren zum Überprüfen einer Funktionsfähigkeit einer Kurzschlusserkennung eines elektrochemischen Energiespeichersystems 101 wird in einem Schritt 200 gestartet, beispielsweise in einem Diagnosebetrieb des elektrochemischen Energiespeichersystems 101. In dem Schritt 200 wird ein Prüfstroms mittels der Konstantstromquelle 105 erzeugt, dessen Stromstärke wesentlich niedriger als eine vorgegebene Stromstärke eines potentiellen Kurzschlussstroms ist.
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In einem Schritt 210 wird eine Spannungsgröße erfasst, welche einen elektrischen Spannungsabfall über einem ersten Shunt-Widerstand 102 repräsentiert.
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In einem Schritt 220 wird eine Prüfstromgröße mittels eines dritten Mittels 111 in Abhängigkeit der erfassten Spannungsgröße und von einem vorgegebenen Nennwert des ersten Shunt-Widerstands 102 ermittelt, welche den durch die Konstantstromquelle 105 erzeugten Prüfstrom repräsentiert.
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In einem Schritt 230 wird die ermittelte Prüfstromgröße mittels eines Verstärkers 109 verstärkt, der einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor aufweist, beispielsweise v=100, und während eines Normalbetriebs des elektrochemischen Energiespeichersystems 101 überbrückt ist.
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In einem Schritt 240 wird die verstärkte Prüfstromgröße mit einer vorgegebenen Soll-Prüfstromgröße verglichen.
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In einem Schritt 250 wird ein Signal, das die Funktionsfähigkeit der Kurzschlusserkennung repräsentiert, in Abhängigkeit des Vergleichs in Schritt 240 erzeugt.
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In Schritt 260 wird das elektrochemische Energiespeichersystem 101 in einen Normalbetrieb in Abhängigkeit des in Schritt 250 erzeugten Signals und/oder in Abhängigkeit des Vergleichs in Schritt 240 zugeschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010030826 A1 [0003]
- JP 2017166975 A [0004]
- DE 102017211476 A1 [0005]
