WO2015014568A1 - Anordnung zur elektrischen absicherung eines potentiellen kurzschlusses bzw. einer überlast in einem gleichstromnetz mit systembedingten, variablem quellinnenwiderstand - Google Patents

Anordnung zur elektrischen absicherung eines potentiellen kurzschlusses bzw. einer überlast in einem gleichstromnetz mit systembedingten, variablem quellinnenwiderstand Download PDF

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fuse
safety device
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Horst Esschendal
Thomas Klawitter
Paul Miederer
Helmut Schmid
Hans Schwaiger
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for the electrical protection of a potential short circuit or an overload in a power system with system-dependent, variable source internal resistance.
  • the present invention relates to an improvement of a protected by means of an active or passive separation element, in particular fuse short-circuit distance in a vehicle electrical system, which is powered by an electrochemical energy storage with energy.
  • This separating element is referred to below as the first securing device. It may, for example, a fuse, Pyro-fuse, or similar. be.
  • the Bordnetze of vehicles are often supplied by electrochemical energy storage with electrical energy or buffered by this.
  • the performance of electrochemical energy storage varies greatly with different operating variables and parameters. For example, an aging state of an electrochemical energy store is responsible for increasing its internal resistance.
  • the maximum power or voltage that can be delivered by the electrochemical energy store and the maximum current that can be delivered by the electrochemical energy store limit the energy output in the worst case so considerably that overcurrent or overvoltage protection measures are applied. sometimes respond too late or not at all. This will be explained below using the example of a fuse.
  • the cable cross-sections through a fuse-protected onboard electrical network sections are usually dimensioned so that in the case of a predetermined current on the section, the fuse first responds before electrical lines could be damaged. Due to electrical insulation measures, the heat dissipation characteristics of the electrical line sections and the fuse are very different.
  • the fuse is supplied sufficiently early with an electrical power, due to which it responds and protects the electrical line.
  • the electrical line sections can be overused, without the fuse is able to protect selbige.
  • the electrical cables can be damaged and also cause consequential damage in the periphery.
  • the internal resistance of the electrochemical energy store which stores the electrical energy used for the power supply, can limit the short-circuit current such that the operating current for the fuse is not reached. For example, an aged, heavily discharged and / or cold battery limit the short-circuit current flowing in the event of a short circuit such that, in the long term, a section of the electrical line instead of the fuse represents the weakest link in the vehicle electrical system.
  • first line section and second line section are referred to as first line section and second line section, wherein the first line section has a larger cross section and the second line section has a smaller cross section contrast.
  • the electrochemical energy store can have a higher internal resistance than in a second operating state.
  • the electrochemical energy store may have a lower state of charge (SOC) and / or a higher degree of aging and / or a lower temperature than in the second operating state.
  • SOC state of charge
  • a significantly reduced short-circuit current can be expected than in the second operating state, so that the line sections lying in the circuit of the fuse overloaded in the event of a short circuit / overload, since the fuse does not trigger sufficiently fast.
  • the tripping characteristic of a fuse whose strength limit for securing a second line section of the potential short-circuit path is insufficiently dimensioned for a first operating state of the energy store.
  • the term "strength limit" of the fuse means a maximum current or a maximum power at which the resistance of the fuse is greatly increased or (almost) infinite.
  • the second line section is a section within the potential short-circuit path, which is not adequately protected by the fuse for all operating states of the energy store or the vehicle electrical system.
  • This may be, for example, a line section that has a lower cross-section than a first line section within the potential short-circuit path.
  • the term "potential short-circuit path" is understood to mean that route over which the short-circuit current flows in the event of a short circuit.
  • a short circuit path a part of the electrical system cables together with the actual short circuit.
  • a second securing device is provided, which is set up to protect the second line section against a load which occurs in the first operating state below the strength limit of the fuse.
  • a control of contactors within the electrical system for interrupting the short-circuit current can be provided.
  • a current measurement or power measurement for the short-circuit path, in particular for the second line section are performed, by which such an operating condition is recognized, although endangers the second line section, but can not be intercepted only by the fuse.
  • the load can be recognized as such, on the one hand the second Line section actually endangered, and on the other hand is actually below the strength limit of the fuse.
  • that operating state can be secured by the second securing device, which means a threat to the second line section due to a non-response of the fuse.
  • the second safety device may comprise, for example, current sensors in the form of Hall sensors, inductive sensors or shunts. If a current is measured which lies in a predefined range, the second safety device can open contactors and disconnect the short-circuit path in this way from the electrical energy store.
  • the second safety device may comprise a cell undervoltage shutdown for the electrochemical energy store.
  • Cell undervoltage shutdowns are known in the art to monitor the voltage of single cells of a multi-cell electrochemical energy store and trap the case of undervoltage by turning off the electrochemical energy store.
  • An inventive use of a cell undervoltage shutdown to secure a potential short-circuit path outside the electrical energy storage is not yet known.
  • the cell undervoltage shutdown can be modified according to the invention. For example, a temporal evolution of a cell voltage can be taken into account so that an undervoltage case can be associated with a high probability of an undesired short circuit and the short circuit is therefore highly likely to cause the cell undervoltage.
  • the cell undervoltage shutdown can detect the short circuit as far as the greatly increased short-circuit current an increased voltage drop at the internal resistance of the electrochemical energy storage or the respective cell leads.
  • an overcurrent shutdown comprising a current measuring device, may be provided in the second fuse device. The overcurrent shutdown can (as stated above) determine a reading for the short circuit current and open the contactors of the electrochemical energy store in response to detecting the first operating condition.
  • an overcurrent shutdown is expected at higher power ranges of the electrochemical energy store than a cell undervoltage shutdown.
  • a lower current threshold for overcurrent tripping and an upper voltage threshold for the cell undervoltage trip are defined so that the response ranges of overcurrent tripping and the cell undervoltage shutdown at least adjoin each other.
  • the tripping characteristic, time limits, current thresholds and voltage thresholds of the shutdown due to overcurrent and undervoltage shutdown is to be adapted to the tripping characteristic of the fuse and to the switching capacity of the separating elements of the second safety device.
  • a shutdown of the second safety device must not be too early to avoid overloading the contactors and to allow triggering of the fuse.
  • the thermal overload of the line is in the Short circuit case to avoid. In this way, a reliable protection of the potential short-circuit path over a wide working range of the electrochemical energy storage can be ensured.
  • overlapping of the operating states protected by the cell undervoltage shutdown and the overcurrent shutdown should be ensured in real applications.
  • a possible and preferred dimensioning of the above-mentioned arrangement is subject to the condition that the total number of series connected cells of the energy storage multiplied by a minimum cell voltage when responding to the cell undervoltage cut divided by a lower current limit, when responding to the overcurrent detection is greater than a maximum assumed short-circuit resistance potential short circuit distance is.
  • the minimum cell voltage is to be understood as meaning a voltage which, in the case of an identical cell voltage of all cells of the energy store, just leads to the response of the cell undervoltage shutdown. This voltage is the worst case that can prevail with regard to cell voltage during a short circuit.
  • the maximum assumed short-circuit resistance is that resistance that prevails for the entire, the short-circuit current leading route, and is also defined as a short circuit case. In this way, a particularly reliable dimensioning results through an overlap of the response areas of the cell undervoltage shutdown and the overcurrent shutdown.
  • the second safety device is configured to have such inertia for the An Anlagenfaü that on the one hand, the potential short-circuit path reliably even without a response of Protected fuse, and on the other hand, the fuse outside the first operating state before the second safety device responds. Namely, since a response of the second safety device at high currents can lead to the destruction or abnormal stress on the contactors, a fuse for response of the fuse is preferred for high currents. However, in order to safeguard a wide operating range according to the invention, it is necessary to reliably use the second safety device in conjunction with the contactors below a strength limit of the fuse.
  • the inertia of the second securing device is suitable for suppressing a response in the case of short-term current peaks, in particular also corresponding short-term control interventions.
  • short-term elevations of respectively defined threshold values are tolerated without the second securing device responding.
  • Such a dimensioning of the second securing device can be carried out as a function of "normal" to be evaluated electrical characteristics of the respective electrical system.
  • the inertia of the second protection device is more preferably suitable for distinguishing an overload case or short-circuit condition of the first and second line sections from a maximum operating mode of the first line section, and thus actually triggering only in the event of an overload and / or short circuit.
  • the second line section has a smaller line cross-section than a first line section of the same short-circuit path.
  • the second line section is dimensioned electrically weaker and forms with respect to the first Line section such a section which is more at risk in the case of a short-circuit current with high probability.
  • a means of locomotion comprising an electrochemical energy store and an arrangement discussed above.
  • the means of locomotion can be, for example, an electrically drivable vehicle (PHEV, HEV, EV, etc.).
  • the electrochemical energy store can be set up as a traction battery and at least part of the potential short-circuit path as part of a vehicle electrical system section configured to distribute the traction energy.
  • FIG. 1 is a diagram used in the invention
  • Figure 2 shows a possible topology of a vehicle electrical system comprising a
  • FIG. 1 shows the turn-off time t plotted against a current I ba tt of the high-voltage accumulator (electrochemical energy store).
  • a short-circuit current I ba tt below a limit 13 is so small that all line sections of the potential short-circuit path remain undamaged.
  • none of the safety devices to be provided according to the invention is set up to protect this operating range. Of course, this does not mean that a short-circuit current in this range should be sensibly accepted. Only a safeguard against overheating and any consequential damage is not required.
  • An operating area IV is in conventionally secured by a fuse.
  • the corresponding characteristic curve 12 for the strength of the fuse describes the switch-off time t over the current I batt .
  • the characteristic curve 13 describes the overload limit of the first line section, in other words, for example, a line with a cross section of 35 mm 2 . Above the intersection of the fuse characteristic 12 and the line characteristic 13, this line is thermally overloaded in overload or short circuit, since the fuse in this area 26 does not trigger safe.
  • the characteristic curve 14 describes the overload limit of the second line section, in other words, for example, a line with a cross section of 16 mm 2 . Above the intersection of the fuse characteristic 12 and the line characteristic 14, this line is thermally overloaded in overload or short circuit, since the fuse in this area 27 does not trigger safe.
  • an area below these critical map points (high-voltage storage currents! Ba tt) is therefore to be protected as region IM by means of overcurrent detection as a component of the second protection device.
  • This area extends between the streams 12 and 11.
  • the cell undervoltage shutdown can be used as part of the second safety device according to the invention.
  • the turn-off time of the second protection device is dimensioned such that the maximum allowable turn-off time t 2 for protecting the weakest line section is not exceeded and at the same time a minimum time ti is exceeded in order to avoid an overload of the contactors and to enable triggering of the fuse.
  • This temporal characteristic of the second safety device is due to the fact that the self-adjusting overload or short-circuit current in its final setting height is initially unknown.
  • the lower limit of overcurrent detection 12 must be greater than Operating range of the first line section 25 are defined.
  • the upper limit of the undervoltage cutoff 9 is above the minimum limit of the overcurrent cutoff 12, so that an overlapping region 11 results.
  • Fig. 2 shows an electrical system 10 as a power grid.
  • This includes a high-voltage battery 3 as an electrochemical energy storage.
  • a separating element eg, a fuse
  • an electrochemical cell 24 is shown in series with an electrochemical cell 24, wherein the electrochemical cell 24 is merely symbolic of a plurality of electrochemical cells.
  • One or more isolators eg, contactors
  • the high-voltage battery comprises a current sensor 7a and a voltage sensor 7b, the voltage sensor 7b being understood merely symbolically. He can for a variety of cell voltage measurements or asfensivizing. Part voltage measurement stand.
  • a microcontroller 7c integrated in the high-voltage battery 3.
  • the microcontroller 7c controls the contactors 8a, 8b for disconnecting or connecting the electrical lines 5, 6 from the electrochemical cell 24.
  • Electrical consumers R u and R L 2 are connected via electrical lines to the high-voltage battery 3.
  • a second line section 6 is shown, which should lead, via a first line section 5, electrical energy originating from the high-voltage battery 3 to the first load R L 2. Due to the short-circuit R K s, a short-circuit path results over the line sections 5 and 6, over which a short-circuit current flows.
  • the electrical cells 24 of the high-voltage battery 3 are in an operating state in which even in the case of a short circuit within the second line section 6, the adjusting short-circuit current is insufficient to make the fuse 4 respond in time, can be interrupted by opening the contactors 8a, 8b by means of the current sensor 7a or the cell voltage measurement 7b of the microcontroller 7c in conjunction with the shooters 8a, 8b as a second security device.

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Abstract

Es wird eine Anordnung zur elektrischen Absicherung einer potentiellen Kurzschlussstrecke in einem Stromnetz mit einem Energiespeicher mit systembedingtem, variablem Quellinnenwiderstand vorgeschlagen. Die Anordnung umfasst ein Trennelement, dessen Auslösecharakteristik zur Absicherung eines ersten und zweiten Leitungsabschnitts der potentiellen Kurzschlussstrecke in einem ersten Betriebszustand des Energiespeichers unzureichend dimensioniert ist, und eine zweite Sicherungseinrichtung, welche eingerichtet ist, den ersten und zweiten Leitungsabschnitt gegen eine Belastung, welche in dem ersten Betriebszustand unterhalb der Auslösegrenze des Trennelementes auftritt, abzusichern.

Description

Anordnung zur elektrischen Absicherung eines potentiellen
Kurzschlusses bzw. einer Überlast in einem Gleichstrom netz mit systembedingten, variablem Quellinnenwiderstand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Absicherung eines potentiellen Kurzschlusses bzw. einer Überlast in einem Stromnetz mit systembedingten, variablem Quellinnenwiderstand. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung einer mittels eines aktiven oder passiven Trennelementes, insbesondere Schmelzsicherung abgesicherte Kurzschlussstrecke in einem Bordnetz, welches durch einen elektrochemischen Energiespeicher mit Energie versorgt wird. Dieses Trennelement wird im Folgenden als erste Sicherungseinrichtung bezeichnet. Es kann beispielsweise eine Schmelzsicherung, Pyro-Fuse, o.Ä. sein. Die Bordnetze von Fahrzeugen werden häufig durch elektrochemische Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt bzw. durch diese gepuffert. Dabei schwankt die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Energiespeicher stark mit unterschiedlichen Betriebsgrößen und Kenngrößen. Beispielsweise ist ein Alterungszustand eines elektrochemischen Energiespeichers dafür verantwortlich, dass dessen Innenwiderstand ansteigt. Zusätzlich besteht eine erhebliche Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes. Die maximale vom elektrochemischen Energiespeicher abgebbare Leistung bzw. Spannung und der maximale vom elektrochemischen Energiespeicher abgebbare Strom beschränken die Energieabgabe dabei im schlechtesten Fall so erheblich, dass Überstrom- bzw. Überspannungsabsicherungsmaß- nahmen mitunter zu spät oder gar nicht ansprechen. Dies wird nachfolgend am Beispiel einer Schmelzsicherung erläutert. Die Leitungsquerschnitte durch eine Schmelzsicherung abgesicherter Bordnetzabschnitte werden üblicherweise so dimensioniert, dass im Falle eines vorbestimmten Stroms auf dem Abschnitt die Schmelzsicherung zuerst anspricht, bevor elektrische Leitungen einen Schaden nehmen könnten. Aufgrund elektrischer Isolationsmaßnahmen sind die Entwärmungscharakteristiken der elektrischen Leitungsabschnitte und der Schmelzsicherung stark voneinander verschieden. So kann es vorkommen, dass im Falle eines ersten (höheren) Überstroms die Schmelzsicherung hinreichend früh mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, aufgrund eines welchen sie anspricht und die elektrische Leitung schützt. Wird jedoch über einen hinreichend langen Zeitraum ein Strom auf einem Leitungsabschnitt erzeugt, der unterhalb des Ansprechstromes der Schmelzsicherung liegt, können die elektrischen Leitungsabschnitte über Gebühr beansprucht werden, ohne dass die Schmelzsicherung selbige abzusichern vermag. Hierdurch können die elektrischen Leitungen Schaden nehmen und zudem Folgeschäden in der Peripherie erzeugen. Im Falle eines Kurzschlusses kann auch der Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers, der die für die Stromführung verwendete elektrische Energie speichert, den Kurzschlussstrom derart begrenzen, dass der Ansprechstrom für die Schmelzsicherung nicht erreicht wird. Beispielsweise kann eine gealterte, stark entladene und/oder kalte Batterie den im Kurzschlussfall fließenden Kurzschlussstrom derart begrenzen, dass auf Dauer ein Abschnitt der elektrischen Leitung anstatt der Schmelzsicherung das schwächste Glied des Bordnetzes darstellt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik auszuräumen. Erfindungsgemäß wird daher eine Anordnung zur elektrischen Absicherung eines ersten Betriebszustandes gegen eine vordefinierte Belastung, wie z. B. einen Kurzschluss in einem Bordnetz mit einem elektrochemischen Energiespeicher vorgeschlagen. Das Bordnetz besteht aus Leitungsabschnitten mit unterschiedlichen Leitungsquerschnitten und den versorgten Komponenten.
Die unterschiedlichen Leitungsquerschnitte werden dabei als erster Leitungsabschnitt und zweiter Leitungsabschnitt bezeichnet, wobei der erste Leitungsabschnitt einen größeren Querschnitt besitzt und der zweite Leitungsabschnitt demgegenüber einen kleineren Querschnitt besitzt.
Es ergeben sich aus der o.g. Anordnung noch unterschiedliche Betriebszustände, welche hier als erster und zweiter Betriebszustand bezeichnet werden. Im ersten Betriebszustand kann der elektrochemische Energiespeicher einen höheren Innenwiderstand aufweisen als in einem zweiten Betriebszustand. Mit anderen Worten kann im ersten Betriebszustand der elektrochemische Energiespeicher einen geringeren Ladezustand (State of Charge, SOC) und/oder einen höheren Alterungsgrad und/oder eine niedrigere Temperatur als in dem zweiten Betriebszustand aufweisen. Mit anderen Worten wird in dem ersten Betriebszustand ein erheblich reduzierter Kurzschlussstrom zu erwarten sein, als in dem zweiten Betriebszustand, so dass die im Stromkreis der Schmelzsicherung liegenden Leitungsabschnitte im Falle eines Kurzschlusses / einer Überlast überlastet werden, da die Schmelzsicherung nicht hinreichend schnell auslöst.
Dabei ist die Auslösecharakteristik einer Schmelzsicherung, deren Festigkeitsgrenze zur Absicherung eines zweiten Leitungsabschnitts der potentiellen Kurzschlussstrecke für einen ersten Betriebszustand des Energiespeichers unzureichend dimensioniert. Mit anderen Worten wird der vorstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik diskutierte Fall vorgesehen, dass die Schmelzsicherung nicht für alle Betriebszustände des Energiespeichers hinreichend schnell anspricht. Unter der "Festigkeitsgrenze" der Schmelzsicherung sei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein maximaler Strom bzw. eine maximale Leistung verstanden, bei welcher der Widerstand der Schmelzsicherung sich stark erhöht bzw. (nahezu) unendlich wird. Der zweite Leitungsabschnitt ist ein Abschnitt innerhalb der potentiellen Kurzschlussstrecke, welcher nicht für sämtliche Betriebszustände des Energiespeichers bzw. des Bordnetzes hinreichend durch die Schmelzsicherung abgesichert wird. Dies kann beispielsweise ein Leitungsabschnitt sein, der einen niedrigeren Querschnitt aufweist, als ein erster Leitungsabschnitt innerhalb der potentiellen Kurzschlussstrecke. Als "potentielle Kurzschlussstrecke" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Strecke verstanden, über welche im Kurzschlussfall der Kurzschlussstrom fließt. Mit anderen Worten wird im Kurzschlussfall ein Teil der Bordnetz-Leitungen zusammen mit dem eigentlichen Kurzschluss insgesamt als Kurzschlussstrecke bezeichnet. Erfindungsgemäß wird daher eine zweite Sicherungseinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist, den zweiten Leitungsabschnitt gegen eine Belastung, welche in dem ersten Betriebszustand unterhalb der Festigkeitsgrenze der Schmelzsicherung auftritt, abzusichern. Als zweite Sicherungseinrichtung kommen erfindungsgemäß unterschiedliche Maßnahmen in Betracht. Insbesondere kann eine Ansteuerung von Schützen innerhalb des Bordnetzes zum Unterbrechen des Kurzschlussstroms vorgesehen werden. Hierzu kann eine Strommessung oder Leistungsmessung für die Kurzschlussstrecke, insbesondere für den zweiten Leitungsabschnitt, durchgeführt werden, durch welche ein solcher Betriebszustand erkannt wird, der zwar den zweiten Leitungsabschnitt gefährdet, allein durch die Schmelzsicherung jedoch nicht abgefangen werden kann. Insbesondere kann die Belastung als solche erkannt werden, welche einerseits den zweiten Leitungsabschnitt tatsächlich gefährdet, und andererseits tatsächlich unterhalb der Festigkeitsgrenze der Schmelzsicherung liegt. Mit anderen Worten kann derjenige Betriebszustand durch die zweite Sicherungseinrichtung abgesichert werden, welcher aufgrund eines Nicht- Ansprechens der Schmelzsicherung eine Gefährdung des zweiten Leitungsabschnitts bedeutet. Hierzu kann die zweite Sicherungseinrichtung beispielsweise Stromsensoren in Form von Hall-Sensoren, induktiven Sensoren oder Shunts umfassen. Wird ein Strom gemessen, der in einem vordefinierten Bereich liegt, kann die zweite Sicherungseinrichtung Schütze öffnen und die Kurzschlussstrecke auf diese Weise vom elektrischen Energiespeicher trennen.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Beispielsweise kann die zweite Sicherungseinrichtung eine Zellunterspannungsabschaltung für den elektrochemischen Energiespeicher umfassen. Zellunterspannungsabschaltungen sind im Stand der Technik bekannt, um die elektrische Spannung von Einzelzellen eines aus mehreren Zellen zusammengesetzten elektrochemischen Energiespeichers zu überwachen und den Fall einer Unterspannung durch Abschalten des elektrochemischen Energiespeichers abzufangen. Eine erfindungsgemäße Verwendung einer Zellunterspannungsabschaltung zur Absicherung einer potentiellen Kurzschlussstrecke außerhalb des elektrischen Energiespeichers ist indes noch nicht bekannt. Selbstverständlich kann die Zellunterspannungsabschaltung erfindungsgemäß modifiziert werden. Beispielsweise kann eine zeitliche Entwicklung einer Zellspannung berücksichtigt werden, so dass ein Unterspannungsfall mit einer hohen Wahrscheinlichkeit einem unerwünschten Kurzschluss zugeordnet werden kann und der Kurzschluss daher mit hoher Wahrscheinlichkeit für die Zellunterspannung ursächlich ist. Die Zellunterspannungsabschaltung kann dabei insofern den Kurzschlussfall erkennen, als der stark überhöhte Kurzschlussstrom zu einem erhöhten Spannungsabfall am Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers bzw. der jeweiligen Zelle führt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Überstromabschaltung, umfassend eine Strommesseinrichtung, in der zweiten Sicherungseinrichtung vorgesehen sein. Die Überstromabschaltung kann (wie vorstehend ausgeführt) einen Messwert für den Kurzschlussstrom ermitteln und im Ansprechen auf ein Erkennen des ersten Betriebszustandes die Schütze des elektrochemischen Energiespeichers öffnen. Indem die Mechanismen der vorgenannten zweiten Sicherungseinrichtungen in derzeitigen Topologien zum Speicherschutz vorhanden sind, kann eine Realisierung der Erfindung durch einfache erfindungsgemäße Anpassung ihrer Ansteuerung (z.B. in Form von Softwarecode) erfolgen.
Üblicherweise ist eine Überstromabschaltung bei höheren Leistungsbereichen des elektrochemischen Energiespeichers zu erwarten, als eine Zellunterspannungsabschaltung. Insbesondere für den Fall, dass sowohl eine Unterspannungsabschaltung als auch eine Überstromabschaltung erfindungsgemäß als zweite Sicherungseinrichtung vorgesehen werden, kann weiter vorteilhaft vorgesehen werden, dass ein unterer Stromschwellwert für die Überstromabschaltung und ein oberer Spannungsschwellwert für die Zellunterspannungsabschaltung so definiert sind, dass die Ansprechbereiche der Überstromabschaltung und der Zellunterspannungsabschaltung mindestens aneinander grenzen. Die Auslösecharakteristik, zeitlichen Grenzwerte, Stromschwellen und Spannungsschwellen der Abschaltung aufgrund Überstrom- und Unterspannungsabschaltung ist dabei auf die Auslösecharakteristik der Schmelzsicherung und auf das Schaltvermögen der Trennelemente der zweiten Sicherungseinrichtung abzustimmen. So darf eine Abschaltung der zweiten Sicherungseinrichtung nicht zu früh erfolgen, um eine Überlastung der Schütze zu vermeiden und ein Auslösen der Schmelzsicherung zu ermöglichen. Gleichzeitig ist die thermische Überlastung der Leitung im Kurzschlussfall zu vermeiden. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Absicherung der potentiellen Kurzschlussstrecke über einen breiten Arbeitsbereich des elektrochemischen Energiespeichers sichergestellt werden. Zur Verbesserung der Absicherung sollte in realen Anwendungsfällen ein Überlappen der durch die Zellunterspannungsabschaltung und die Überstromabschaltung abgesicherten Betriebszustände sichergestellt werden.
Eine mögliche und bevorzugte Dimensionierung der vorstehend genannten Anordnung gehorcht der Bedingung, dass die Gesamtanzahl in Reihe geschalteter Zellen des Energiespeichers, multipliziert mit einer minimalen Zelleinzelspannung beim Ansprechen der Zellunterspannungsabschaltung, geteilt durch einen unteren Stromgrenzwert, beim Ansprechen der Überstromerkennung größer als ein maximal anzunehmender Kurzschlusswiderstand der potentiellen Kurzschlussstrecke ist. Dabei ist unter der minimalen Zelleinzelspannung eine solche Spannung zu verstehen, welche bei einer identischen Zellspannung aller Zellen des Energiespeichers gerade eben zum Ansprechen der Zellunterspannungsabschaltung führt. Diese Spannung stellt den schlechtesten Fall dar, welcher hinsichtlich der Zellspannung während eines Kurzschlusses vorherrschen kann. Der maximal anzunehmende Kurzschlusswiderstand ist dabei derjenige Widerstand, der für die gesamte, den Kurzschlussstrom führende Strecke herrscht, und gleichzeitig als Kurzschlussfall definiert ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders sichere Dimensionierung durch eine Überlappung der Ansprechbereiche der Zellunterspannungsabschaltung sowie der Überstromabschaltung.
Weiter bevorzugt ist die zweite Sicherungseinrichtung eingerichtet, eine solche Trägheit für den Ansprechfaü aufzuweisen, dass einerseits die potentielle Kurzschlussstrecke zuverlässig auch ohne ein Ansprechen der Schmelzsicherung geschützt ist, und andererseits die Schmelzsicherung außerhalb des ersten Betriebszustandes vor der zweiten Sicherungseinrichtung anspricht. Da nämlich ein Ansprechen der zweiten Sicherungseinrichtung bei hohen Strömen zur Zerstörung oder abnormen Beanspruchung der Schütze führen kann, wird für hohe Ströme eine Absicherung durch Ansprechen der Schmelzsicherung bevorzugt. Zur erfindungsgemäßen Absicherung eines breiten Betriebsbereichs ist es jedoch erforderlich, unterhalb einer Festigkeitsgrenze der Schmelzsicherung zuverlässig die zweite Sicherungseinrichtung in Verbindung mit den Schützen zu verwenden.
Weiter bevorzugt ist dabei die Trägheit der zweiten Sicherungseinrichtung geeignet, einen Ansprechvorgang im Fall kurzzeitiger Stromspitzen, insbesondere auch korrespondierender kurzzeitiger Regeleingriffe, zu unterdrücken. Mit anderen Worten werden im Ansprechbereich der zweiten Sicherungseinrichtung kurzzeitige Überhöhungen jeweils definierter Schwellwerte toleriert, ohne dass die zweite Sicherungseinrichtung anspricht. So eine Dimensionierung der zweiten Sicherungseinrichtung kann dabei in Abhängigkeit als "normal" zu bewertender elektrischer Kenngrößen des jeweiligen Bordnetzes vorgenommen werden.
Weiter bevorzugt ist dabei die Trägheit der zweiten Sicherungseinrichtung geeignet einen Überlastfall oder Kurzschlussfall des ersten und zweiten Leitungsabschnittes von einem maximalen Betriebsfall des ersten Leitungsabschnittes zu unterscheiden und somit tatsächlich nur im Falle einer Überlast und/oder Kurzschlusses auszulösen.
Bevorzugt weist der zweite Leitungsabschnitt einen geringeren Leitungsquerschnitt auf als ein erster Leitungsabschnitt derselben Kurzschlussstrecke. Hierdurch ist der zweite Leitungsabschnitt elektrisch schwächer dimensioniert und bildet gegenüber dem ersten Leitungsabschnitt einen solchen Abschnitt, der im Falle eines Kurzschlussstromes mit hoher Wahrscheinlichkeit stärker gefährdet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel, umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher und eine vorstehend diskutierte Anordnung, vorgeschlagen. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (PHEV, HEV, EV etc.) sein. Dabei kann der elektrochemische Energiespeicher als Traktionsbatterie und zumindest ein Teil der potentiellen Kurzschlussstrecke als Teil eines zur Verteilung der Traktionsenergie eingerichteten Bordnetzabschnittes eingerichtet sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm zu erfindungsgemäß verwendeten
Stromüberwachungsmechanismen in Form einer Abschaltzeit des jeweiligen Sicherungsmechanismus' über einem Strom durch den Hochvoltspeicher; und
Figur 2 eine mögliche Topologie eines Bordnetzes, umfassend ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Figur 1 zeigt die Abschaltzeit t aufgetragen über einen Strom lbatt des Hochvoltspeichers (elektrochemischer Energiespeicher). In einem ersten Bereich I des elektrochemischen Energiespeichers ist ein Kurzschlussstrom lbatt unterhalb einer Grenze 13 so gering, dass sämtliche Leitungsabschnitte der potentiellen Kurzschlussstrecke unbeschadet bleiben. Mit anderen Worten ist keine der erfindungsgemäß vorzusehenden Sicherungseinrichtungen eingerichtet, diesen Betriebsbereich abzusichern. Dies bedeutet selbstverständlich nicht, dass ein Kurzschlussstrom in diesem Bereich sinnvollerweise hingenommen werden sollte. Lediglich eine Absicherung gegenüber Überhitzung und etwaigen Folgeschäden ist nicht erforderlich. Ein Betriebsbereich IV ist in herkömmlicher Weise durch eine Schmelzsicherung abgesichert. Die entsprechende Kennlinie 12 zur Festigkeit der Schmelzsicherung beschreibt die Abschaltzeit t über dem Strom lbatt. Die Kennlinie 13 beschreibt die Überlastgrenze des ersten Leitungsabschnittes, mit anderen Worten beispielsweise eine Leitung mit einem Querschnitt von 35 mm2. Oberhalb des Schnittpunktes der Sicherungskennlinie 12 und der Leitungskennlinie 13 wird diese Leitung im Überlast- oder Kurzschlussfall thermisch überlastet, da die Schmelzsicherung in diesem Bereich 26 nicht sicher auslöst. Die Kennlinie 14 beschreibt die Überlastgrenze des zweiten Leitungsabschnittes, mit anderen Worten beispielsweise eine Leitung mit einem Querschnitt von 16 mm2. Oberhalb des Schnittpunktes der Sicherungskennlinie 12 und der Leitungskennlinie 14 wird diese Leitung im Überlast oder Kurzschlussfall thermisch überlastet, da die Schmelzsicherung in diesem Bereich 27 nicht sicher auslöst. Unter Berücksichtigung einer gewissen Ansprechzeit, welche zwischen ti und t2 liegt, ist daher ein Bereich unterhalb dieser kritischen Kennfeldpunkte (Hochvoltspeicherströme !batt) als Bereich IM mittels der Überstromerkennung als Bestandteil der zweiten Sicherungseinrichtung abzusichern. Dieser Bereich erstreckt sich zwischen den Strömen 12 und 11 . Für noch niedrigere Ströme, mit anderen Worten Ströme zwischen 13 und 12 kann erfindungsgemäß die Zellunterspannungsabschaltung als Bestandteil der zweiten Sicherungseinrichtung verwendet werden. Die Abschaltzeit der zweiten Sicherungseinrichtung ist derart dimensioniert, dass die maximal zulässige Abschaltzeit t2 zum Schutz des schwächsten Leitungsabschnittes nicht überschritten wird und gleichzeitig eine minimale Zeit t-i überschritten ist, um eine Überlast der Schütze zu vermeiden und ein Auslösen der Schmelzsicherung zu ermöglichen. Diese zeitliche Charakteristik der zweiten Sicherungseinrichtung ist dadurch begründet, dass der sich einstellende Überlast- bzw. Kurzschlussstrom in seiner sich endgültig einstellenden Höhe zunächst unbekannt ist. Der untere Grenzwert der Überstromerkennung 12 muss größer als der Betriebsbereich des ersten Leitungsabschnittes 25 definiert werden. Die obere Grenze der Unterspannungsabschaltung 9 liegt oberhalb der minimalen Grenze der Überstromabschaltung 12, so dass sich ein überlappender Bereich 1 1 ergibt.
Fig. 2 zeigt ein Bordnetz 10 als Stromnetz. Dieses umfasst eine Hochvoltbatterie 3 als elektrochemischen Energiespeicher. Innerhalb der Hochvoltbatterie 3 ist ein Trennelement (z.B. eine Schmelzsicherung) 4 in Reihe zu einer elektrochemischen Zelle 24 dargestellt, wobei die elektrochemische Zelle 24 lediglich symbolisch für eine Vielzahl elektrochemischer Zellen steht. Ein oder mehrere Trennelemente (z.B. Schütze) 8a, 8b sind eingerichtet, von der elektrochemischen Zelle 24 abgehende elektrische Leitungen an die Peripherie anzuschließen bzw. von dieser zu trennen. Weiter umfasst die Hochvoltbatterie einen Stromsensor 7a und einen Spannungssensor 7b, wobei der Spannungssensor 7b lediglich symbolisch zu verstehen ist. Er kann für eine Vielzahl von Zelleinzelspannungsmessungen oder auch als Gesamtbzw. Teilspannungsmessung stehen. Strom und Spannungswerte der Sensoren 7a und 7b werden von einem in der Hochvoltbatterie 3 integrierten Microcontroller 7c ausgewertet. Der Microcontroller 7c steuert die Schütze 8a, 8b zum Trennen bzw. Verbinden der elektrischen Leitungen 5, 6 von der elektrochemischen Zelle 24. Elektrische Verbraucher Ru und RL2 sind über elektrische Leitungen mit der Hochvolt- Batterie 3 verbunden. Exemplarisch ist ein zweiter Leitungsabschnitt 6 dargestellt, welcher über einen ersten Leitungsabschnitt 5 von der Hochvoltbatterie 3 stammende elektrische Energie an den ersten Verbraucher RL2 führen sollte. Aufgrund des Kurzschlusses RKs ergibt sich eine Kurzschlussstrecke über die Leitungsabschnitte 5 und 6, über welche ein Kurzschlussstrom fließt. Sofern die elektrischen Zellen 24 der Hochvoltbatterie 3 in einem Betriebszustand sind, in welchem selbst bei einem Kurzschluss innerhalb des zweiten Leitungsabschnitts 6 der sich einstellende Kurzschlussstrom nicht ausreicht, die Schmelzsicherung 4 rechtzeitig ansprechen zu lassen, kann mittels des Stromsensors 7a oder der Zellspannungsmessung 7b der Microcontroller 7c in Verbindung mit den Schützen 8a, 8b als zweite Sicherungseinrichtung der Kurzschlussstrom durch Öffnen der Schütze 8a, 8b unterbrochen werden.
Bezugszeichenliste:
1 Anordnung
2 Kurzschlussstrecke
3 Hochvoltbatterie
4 Schmelzsicherung
5 Erster Leitungsabschnitt
6 Zweiter Leitungsabschnitt
7a Stromsensor
7b Spannungssensor
7c Microcontroller
RLI Elektrischer Verbraucher im ersten Leitungsabschnitt
RL2 Elektrischer Verbraucher im zweiten Leitungsabschnitt
RKS Kurzschlusswiderstand
Ri Variabler Innenwiderstand des elektrochemischen Speicher / Hochvoltbatterie
8a, b Schütze
9 Obere Grenze der Unterspannungserkennung für einen maximalen Widerstand im Überlastpfad
10 Bord netz
1 1 Überlappungsbereich der Unterspannungs- und Überstromerkennung
12 Auslösekennlinie der Schmelzsicherung 4
13 Grenzkurve des ersten Leitungsabschnitt
14 Grenzkurve des zweiten Leitungsabschnitt
24 Elektrochemische Zelle
25 Maximaler Betriebsbereich der im ersten Leitungsabschnitt angeschlossenen elektrischen Verbraucher
26 Über Schmelzsicherung nicht abgesicherter Bereich des ersten
Leitungsabschnittes.
27 Über Schmelzsicherung nicht abgesicherter Bereich des zweiten Leitungsabschnittes.
1 1 Maximal schaltbarer Strom des Leitungsschalters / Schütze
12 Unterer Grenzwert der Überstromerkennung
13 Maximaler stationärer Betriebsstrom des zweiten Leitungsabschnittes
t1 Mindestdauer bis zum Eingreifen der Abschaltmechanismen t2 Maximal zulässige Abschaltzeit

Claims

Patentansprüche:
1 . Anordnung (1 ) zur elektrischen Absicherung eines ersten Betriebszustandes (2) in einem Stromnetz (10) mit systembedingtem, variablem Quelleninnenwiderstand einer Energiequelle (3) umfassend:
- eine erste Sicherungseinrichtung (4), deren Ansprechverhalten zur
Absicherung des Stromnetzes (10) in einem ersten Betriebszustand gegen eine vordefinierte Belastung nicht ausreichend ist, und
- eine zweite Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b), welche eingerichtet ist, das Stromnetz (10) gegen die Belastung, welche in dem ersten Betriebszustand unterhalb dem Ansprechverhalten der ersten Sicherungseinrichtung (4) auftritt, abzusichern.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die zweite Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b)
- eine Unterspannungsabschaltung umfassend eine Spannungsmesseinrichtung (7b, 7c) für den elektrochemischen Energiespeicher umfasst, und/oder
- eine Überstromabschaltung umfassend eine Strommesseinrichtung (7a, 7c) umfasst.
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei ein unterer Stromschwellwert (12) für die Überstromabschaltung und ein oberer Spannungsschwellwert für die Zellunterspannungsabschaltung so definiert sind, dass die Ansprechbereiche (II, III) der Überstromabschaltung und der Zellunterspannungsabschaltung mindestens aneinander grenzen, sich insbesondere überlappen (1 1 ).
Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Gesamtanzahl in Reihe geschalteter Zellen des Energiespeichers (3) multipliziert mit einer minimalen Zelleinzelspannung beim Ansprechen der Zellunterspannungsabschaltung geteilt durch einen unteren Stromgrenzwert (12) beim Ansprechen der Überstromerkennung größer als ein maximal anzunehmender Kurzschlusswiderstand der potentiellen Kurzschlussstrecke (2) ist.
Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b) eingerichtet ist, eine solche Trägheit für den Ansprechfall aufzuweisen, dass einerseits die potentielle Kurzschlussstrecke (2) zuverlässig auch ohne ein Ansprechen der Schmelzsicherung (4) geschützt ist, und dass andererseits die Schmelzsicherung (4) außerhalb des ersten Betriebszustandes vor der zweiten Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b) anspricht.
6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Trägheit der zweiten Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b) geeignet ist, einen
Ansprechvorgang im Fall kurzzeitiger Stromspitzen, insbesondere auch korrespondierender kurzzeitiger Regeleingriffe, zu unterdrücken.
7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Leitungsabschnitt (6) einen geringeren Leitungsquerschnitt aufweist als ein erster Leitungsabschnitt (5) der Kurzschlussstrecke (2), und wobei die Festigkeitsgrenze der Schmelzsicherung (4) zur Absicherung des zweiten Leitungsabschnitts (6) in dem ersten Betriebszustand des Energiespeichers (3) unzureichend dimensioniert ist.
8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherungseinrichtung (7a, 7b, 7c, 8a, 8b) eingerichtet ist, im Ansprechfall ein Trennelement (8a, 8b) zu öffnen.
9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im ersten Betriebszustand die Energiequelle (3) einen höheren Innenwiderstand aufweist als in einem zweiten Betriebszustand.
10. Fortbewegungsmittel umfassend einem Energiespeicher (3) und eine Anordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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