Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz

Stand der Technik

Fahrzeuge, die eine Elektromaschiene zum Antrieb enthalten, benötigen auch einen energiespeicher, der üblicherweise eine Ausgangsspannung von ≥ 60 V DC bzw. 25 V AC aufweist. Bei solch hohen Spannungsquellen werden besondere Anforderungen an den Schutz von Personen gefordert, so dass entsprechende Schutzmaßnahen vorgesehen werden. In Fahrzeugen, die solche hohen Spannungsquellen aufweisen ist aufgrund von einschlägigen Sicherheitsnormen eine Potentialtrennung zwischen einem vorhandenen 14 V Bordnetz und dem Traktionsnetz zum Betrieb der Elektromaschiene(n) und ggf. anderer Verbraucher mit Spannungen von ≥ 60 V DC bzw. 25 V AC vorgesehen. Aus diesem Grund können Fl-Schalter dort nicht eingesetzt werden.

Üblicherweise wird daher der Überstromschutz mit Hilfe von Schmelzsicherun- gen realisiert. Auf diese Weise werden die Leitungen innerhalb des Traktionsnetzes gegen Überhitzung und somit gegen Brand geschützt.

Tritt innerhalb des Energiespeichers ein Kurzschluss oder eine mehrfache Verbindung mit leitenden Gehäuseteilen auf, beispielsweise ein doppelter Isolations- fehler mit unterschiedlichem Potential, so kann man diesen mit oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren nicht erkennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung solche Fehler innerhalb des Energiespeichers zu erken- nen und geeignete Schutzmassnahmen für das angeschlossene Netz einzuleiten.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Vorrichtung zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist zur Messung eines Spannungsverlaufs mindes- tens einer Messeinheit des Energiespeichers unter Last, zum Abgleich der

Messwerte mit einem Referenzwert und, bei Abweichung eines Messwerts von einem Referenzwert ausserhalb eines Toleranzbereichs, zur Auslösung einer Trennung des Energiespeichers vom Netz.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass durch Messung eines Spannungsverlaufs von einzelnen Zellen des Energiespeichers, von Zellengruppen oder des gesamten Energiespeichers Messgrößen erhalten werden, die durch einen Abgleich mit einem Referenzwert eine Entscheidung darüber zulassen, ob der Energiespeicher noch unbedenklich weiter betrieben werden kann oder ob ein Zustand vorliegt, der eine Isolation des Energiespeichers vom angeschlossenen Netz notwendig macht. Dabei erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl die Aufnahme von Spannungsverläufen eines oder mehrerer Messeinheiten des Energiespeichers, einen Vergleich der ermittelten Messwerte mit einem Referenzwert und, bei Feststellung einer signifikanten Abweichung ei- nes oder mehrerer Messwerte vom Referenzwert, die ggf. direkte Auslösung einer Trennung des Energiespeichers vom restlichen Netz. So kann ein Netz vor den Auswirkungen beispielsweise eines Kurzschlusses oder eines doppelten Isolationsfehlers im angeschlosenen Energiespeicher effektiv geschützt werden.

Unter einem Energiespeicher kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jeder Energiespeicher verstanden werden, der eine Energie mittels e- lektrochemischer Prozesse speichert. Insbesondere sind darunter Energiespeicher zu verstehen, die eine oder mehrere in Reihe und gegebenenfalls auch parallel geschaltete Akkumulator- und/oder Batteriezellen enthalten.

Bevorzugte Energiespeicher können Brennstoffzellen, insbesondere vom Typ alkalische Brennstoffzelle (AFC), Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC), Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) aufweisen. Weitere bevorzugte elektrochemische Energiespeicher können Akkumulatorzellen, insbesondere vom Typ Pb -

Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium-Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Li-Ion - Lithium-Ionen-Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium-Mangan-Akku, LiFePO ₄ - Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium-Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen-Akku, Na/NiCI -

Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie-Batterie SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon-Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku aufweisen. Der Energiespeicher kann eine oder mehrere Zellen aufweisen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für alle Energie- Speicher anwendbar, die ein Strom- und/oder Spannungskennlinienfeld aufweisen.

Die Vorrichtung dient zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz. Dabei ist der Energiespeicher derart mit einem Netz verbunden, dass ein geschlossener Stromkreis entsteht, in dem der Energiespeicher einen Verbraucher mit Strom versorgt.

Die Vorrichtung weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass ein Spannungsverlauf mindestens einer Messeinheit des Energiespeichers unter Last messbar ist. Dabei kann eine Messeinheit jeweils eine Zelle des Energiespeichers, eine

Gruppe von Zellen (bevorzugt in Reihe geschaltet) des Energiespeichers oder den gesamten Energiespeicher umfassen. Die Spannung einer Messeinheit wird dabei über Kontakte jeweils am Plus- sowie am Minuspol der Messeinheit abgenommen, während die Messeinheit unter Last steht. Die meisten modular aufge- bauten Energiespeicher weisen Spannungssensoren auf, über die der Energiespeicher überwacht und ggf. auch gesteuert werden kann. Diese Spannungssensoren können verwendet werden, um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Spannungsverläufe von Messeinheiten des Energiespeichers aufzunehmen. Die Messung kann bevorzugt während des laufenden Betriebs des Energiespeichers durchgeführt werden. Es kann abber auch eine Last im Wesentlichen zu Messzwecken angelegt werden. Die Messung der Spannung einer Messeinheit kann kontinuierlich oder wiederholend in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Es sind auch Mischformen möglich. Es können eine, mehrere oder alle Messeinheiten eines Energiespeichers vermessen werden. Werden mehr als eine Messeinheit eines Energiespeichers vermessen, so kann die Messung der jeweiligen Span- nung für die ausgewählten Messeinheiten parallel und/oder sequentiell erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass die Messwerte mit einem Referenzwert abgleichbar sind. Der Refernezwert ist dabei so gewählt, dass ein Über- oder Unterschreiten des Referenzwertes ü- ber einen Toleranzbereich hinaus auf einen Fehlerfall im Energiespeicher geschlossen werden kann, beispielsweise einen Kurzschluss oder einen doppelten Isolationsfehler. Der Referenzwert kann vom verwendeten Energiespeicher abhängen und muss ggf. für jeden Energiespeichertyp neu bestimmt und vor, ggf. erstmaliger, Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung festgelegt wer- den. Der Referenzwert kann dabei ein fester oder schwankender Wert sein, der aus eine mathematischen Modell oder einem Kennlinienfeld des Energiespeichers abgeleitet werden kann. Der Refernezwert kann aber auch kontinuierlich neu ermittelt und festgelegt werden. Der Referenzwert kann beispielsweise aus einem Schwellenwert gebildet werden, der eine gerade noch zu tolerierende Dif- ferenz bei einem Vergleich der Spannungsverläufe verschiedener Messeinheiten eines einzigen Energiespeichers untereinander wiedergibt. Die gemessenen Spannungswerte werden mit einem bestimmten Referenzwert verglichen und es wird festgestellt, ob einer der Messwerte von dem Referenzwert ausserhalb eines Toleranzbereichs abweicht. Weicht die gemessene Spannung einer ersten Messeinheit um einen Wert von der gemessenen Spannung einer zweiten Messeinheit des Energiespeichers ab, der oberhalb eines Referenzwertes (z-B. eines Schwellenwertes) liegt, so löst die Vorrichtung ein Signal aus, welches eine Trennung des Energiespeichers vom Netz veranlasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine oder mehrere Speicher-, Kontroll- und/oder Steuereinhei- ten aufweisen, die derart ausgestaltet und abgestimmt sind, dass der gewünschte Abgleich der Messwerte mit einem Referenzwert bewerkstelligt und die entsprechenden Massnahmen, z.B. Auslösung einer Trennung des Energiespeichers vom Netz, einleitbar sind.

Die Vorrichtung weist Mittel auf und ist derart ausgestaltet, dass, bei Abweichung eines Messwertes von einem Referenzwert ausserhalb eines Toleranzbereichs, eine Trennung des Energiespeichers vom angeschlossenen Netz auslösbar ist. Liegt eine Abweichung eines Messwertes von einem Referenzwert in dem Maße vor, dass eine Trennung ausgelöst werden soll, so kann die in Betrieb befindliche erfindungsgemäße Vorrichtung den Trennvorgang ein leiten. Dabei kann die Vor- richtung so ausgestaltet sein, dass die Trennung direkt oder indirekt, ggf. automatisch, über elektrische, elektronische und/oder mechanische Mittel ausgelöst und/oder bewirkt wird. Dazu können beispielsweise elektrische, elektronische und/oder mechanische Schalter vorgesehen sein, die zwischen den Polen des Energiespeichers und den weiteren Netzbestandteilen angebracht sind und die eine Unterbrechung der leitenden Verbindungen zwischen Energiespeicher und restlichem Netz erlauben. Solche Schalter können beispielsweise Relais oder Schütze sein. Solche Schalter können z.B. Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des Netzes und/oder des Energiespeichers sein. Erfindungswesentlich ist, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Vorrichtung die Trennvorrichtungen auslösen kann, beispielsweise über ein elektrisches oder ein mechanisches Signal.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind unter dem Begriff „Fahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die eine Batterie aufweisen, unabhängig davon welchen Antrieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff „Fahrzeug" Fahrzeuge mit einem Elektroantrieb, z.B. HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybridfahrzeuge), EV (Elektrofahr- zeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die eine Batterie für die elektrische Energieversorgung von Fahrzeug und/oder Fahrzeugkomponenten einsetzen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenem Netz, umfas- send die Schritte: a) kontinuierliche oder wiederholte Messung eines Spannungsverlaufs an mindestens einer Messeinheit des Energiespeichers unter Last; b) Vergleich der Messwerte mit einem Referenzwert und c) bei Abweichung eines Messwerts von dem Refernezwert ausserhalb eines Toleranzbereichs, Auslösen einer Trennung des Energiespeichers vom Netz. Dabei gelten die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gemachten Ausführungen in gleichem Maße auch für das erfindungsgemäße Verfahren.

Insbesondere können Spannungsverläufe für mehr als eine Messeinheit parallel und/oder sequentiell gemessen werden.

Die Erfindung bezieht sichh auch auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überstromschutz eines Netzes umfassend einen Energiespeicher bei Vorliegen eines doppelten Iso- lationsfehlers und/oder eines Kurzschlusses innerhalb des Energiespeichers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz.

Bezugszeichenhste:

1 Energiespeicher

1 a bis "I n in Reihe geschaltete Zellen des Energiespeichers

2a, 2b Gruppen von Zellen

3a bis 3o Anschlüße

4 Steuergerät

5 Auswertalgorithmus

6a, 6b Schütze

7a, 7b Verbindung, die ein Öffnen der Schütze erlaubt

8a, 8b , 8c Messeinheiten

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung: In Fig. 1 ist eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Auslösung einer Trennung eines Energiespeichers von einem angeschlossenen Netz dargestellt.

Der Energiespeicher 1 weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Zellen 1a bis 1 n auf, die jeweils eine Teilspannung der Gesamtausgangsspannung des Energiespeichers liefern. Die einzelenen Zellen 1a bis 1 n sind mindestens teilweise über die zugehörigen Anschlüsse 3a bis 3o separat ansprechbar. Mehrere Zellen können auch in Gruppen 2a, 2b zusammengefasst und gemeinsam als Gruppe über entsprechend ausgewählte Anschlüsse 3a bis 3n ansprechbar sein.

Eine Messeinheit kann eine Zelle des Energiespeichers (z.B. 8a), eine Gruppe von Zellen (z.B. 8b, 8c) oder den gesamten Energiespeicher umfassen. Über eine entsprechende Auswahl der Anschlüsse 3a bis 3o werden Spannungsdaten der ausgewählten Messeinheiten 8a bis 8c unter Last abgegriffen und einem Steuergerät 4 zugeführt. Die Anschlüsse 3a bis 3n sind dazu mit einem Steuergerät 4 verbunden. Das Steuergerät 4 dient zur Aufnahme der gemessenen Spannungsmessdaten der Messeinheiten 8a bis 8c, zur Auswertung und zum Abgleich der Messdaten mit einem Referenzwert und zur Steuerung der Auslösung eines Signals, welches die Trennung des Energiespeichers vom Netz enlei- tet. Dazu umfasst das Steuergerät 4 einen Auswertealgorithmus 5, der die gemessenen Spannungswerte der Messeinheiten 8a bis 8c mit einem bestimmten Referenzert vergleicht und bestimmt, ob eine Abweichung vorliegt, die ausser- halb eines Toleranzbereichs um diesen Referenzwert liegt. Ist dies der Fall, so löst das Steuergerät 4 ein Signal aus, welches die Trennung des Energiespei- chers vom Netz einleitet. Das Signal wird vom Steuergerät 4 über Verbindungen

7a, 7b an die Schalter 6a, 6b weitergeleitet. Die Schalter können beispielsweise Schütze sein. Das Signal bewirkt, dass die Schalter 6a, 6b von einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet werden und damit den Energiespeicher vom angeschlossenen Netz trennen.