Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Fehlfunktion von Schützen eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses für ein Elektrofahrzeug

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fehlfunktion von zwei Schützen eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses für ein Elektrofahrzeug.

Es ist vorgesehen, Elektrofahrzeuge mit Ladeanschlüssen für die Verbindung mit DC-Ladesäulen (Gleichspannungsladesäulen) zu versehen. Der fahrzeuganteilige Ladeanschluss ist dabei üblicherweise durch eine Klappe geschützt, vergleichbar dem seit langem bekannten Tankdeckel. Als Trennelemente zwischen Fahrzeug-Ladeanschluss und fahrzeuginterner Stromverteilung werden Schütze eingesetzt. Diese Schütze werden im Weiteren DC-Lade-Schütze oder allgemein Schütze genannt. Aus Gründen der technischen Sicherheit muss verhindert werden, dass beim niederohmigen Ausfall der Trennelemente (d.h. der DC-Lade-Schütze) unkontrolliert Spannung am Ladeanschluss anliegt. Es ist bekannt, dass Schütze unter Umständen trotz Öffnungsbefehl im geschlossenen Zustand hängenbleiben können. Beispielsweise durch mechanisches Blockieren oder Verschweißen der Schaltkontakte. Dieser Fehlerzustand muss sicher detektiert werden, um die Sicherheitsanforderungen erfüllen zu können. Seit Langem sind Diagnoseverfahren für den Schaltzustand eines Schützes bekannt, die die Spannung an beiden Anschlussseiten des Schützes überwachen und über den Vergleich der Spannungswerte vor und nach einem Schaltbefehl auf die Schaltfähigkeit des Schützes schließen. Ein großes Problem dieser Verfahren ist die Robustheit, d.h. die sichere Unterscheidung zwischen „Fehler" und „kein Fehler". Ursache für diese Schwäche Ist die Vielzahl an Störungseinflüssen während des Betriebs eines Elektrofahrzeugs. Die Spannungsmessung kann beeinflusst werden von Lastzuständen der Antriebe bzw. der Batterie, den Betriebsarten (z.B. Rekuperationsbetrieb, aktive/passive Entladung der HV-Leitungen im Anschluss an den Betrieb des Fahrzeugs), angeschlossenen Nebenverbrauchern (Heizer, Pumpen, etc.). Weiter besteht die Möglichkeit, dass aufgrund der Fahrzeugarchitektur eine Spannungsmessung jenseits der Schütze vor dem Schließen der Schütze nicht durchführbar ist, weil die leitende Verbindung zum Bezugspotential fehlt. Um eine Zerstörung des Schützes zu vermeiden, müssen üblicherweise vor dem Schaltvorgang beide Anschlussseiten des Schützes auf ungefähr dieselbe Spannung vorgeladen werden. Es bleibt daher evtl nur wenig Zeit (wenige 10 ms) zur Durchführung der Diagnose, um den Start des Fahrzeugs nicht unnötig zu verzögern.

Aus DE 102011 054461 A1 und DE 102011 077363 A1 sind Verfahren zum Erkennen von verschweißten oder hängengebliebenen Kontakten von Leistungsschützen mittels Strom- und Spannungsmessung bekannt.

Weiter sind Schütze mit so genannten Hilfskontakten zur Überwachung des Schaltzustandes des Lastkontakts verfügbar. Die Überwachung mittels Hilfskontakten erfordert allerdings eine zusätzliche Verdrahtung und Auswertung, und birgt zusätzliche Fehlerquellen. Zudem sind Schütze mit Hilfskontakten deutlich teurer als Schütze ohne Hilfskontakte.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fehlfunktion von zwei Schützen eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses für ein Elektrofahrzeug vorzusehen, die eine Gefährdung von Personen ausschließen und die Diagnose vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Erfindung ist gemäß den Gegenständen der abhängigen Patentansprüche weitergebildet.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Bestimmen einer Fehlfunktion von zwei Schützen eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses für ein Elektrofahrzeug vor, wobei zwischen beiden Schützen eine Ladespannung mit einem Plus- und Minuspol anlegbar ist, wobei ein erstes Schütz im Pluspol angeordnet ist und ein zweites Schütz im Minuspol angeordnet ist. Das Verfahren hat die folgenden Schritte: Antreiben eines der beiden Schütze, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, und Antreiben des anderen der beiden Schütze, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, wobei die Ladespannung nicht anliegt; Anlegen einer internen Referenzgleichspannung (zum Beispiel eine Batteriespannung des Elektrofahrzeugs) des Elektrofahrzeugs zwischen beiden Schützen, wobei ein Pluspol der Referenzgleichspannung an dem ersten Schütz angelegt wird und ein Minuspol der Referenzgleichspannung an dem zweiten Schütz angelegt wird; Messen eines ersten Spannungspotentials zwischen beiden Schützen an einer Ausgangsseite der Schütze; Messen eines zweiten Spannungspotentials zwischen beiden Schützen an einer Eingangsseite der Schütze; und Bestimmen der Fehlfunktion der beiden Schütze auf der Grundlage der gemessenen Spannungspotentiale.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Zustand A eingerichtet, bei dem beide Schütze angetrieben werden, um sie in den geöffneten Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential im Wesentlichen Null ist; und/oder es wird bestimmt, dass beide Schütze im geschlossenen Zustand blockiert sind, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Zustand B eingerichtet, bei dem das erste Schütz angetrieben wird, um es in den geöffneten Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential im Wesentlichen Null ist; und/oder es wird bestimmt, dass das erste Schütz im geschlossenen Zustand blockiert ist und das zweite Schütz nicht im geöffneten Zustand blockiert ist, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Zustand C eingerichtet wird, bei dem das erste Schütz angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass das erste Schütz oder das zweite Schütz im geöffneten Zustand blockiert ist, wenn das erste Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential im Wesentlichen Null ist; und/oder es wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Zustand D eingerichtet, bei dem das erste Schütz angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz angetrieben wird, um es in den geöffneten Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass das erste Schütz nicht im geöffneten Zustand blockiert ist und das zweite Schütz im geschlossenen Zustand blockiert ist, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen; und/oder es wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential im Wesentlichen Null ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Zustände in der Reihenfolge A, B, C, D, A eingerichtet.

Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Elektrofahrzeug eine Klappe auf, die für einen Zugang zu einem Ladeanschluss zu öffnen ist, wenn die Ladespannung anzulegen ist; wobei die Klappe geschlossen wird, wenn das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren während einer Fahrt des Elektrofahrzeugs durchgeführt. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fehlfunktion von zwei Schützen eines

Gleichspannungs-Ladeanschlusses für ein Elektrofahrzeug vor, wobei zwischen beiden Schützen eine Ladespannung mit einem Plus- und Minuspol anlegbar ist, wobei ein erstes Schütz im Pluspol angeordnet ist und ein zweites Schütz im Minuspol angeordnet ist. Die Vorrichtung ist dazu konfiguriert, eines der beiden Schütze anzutreiben, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, und das andere der beiden Schütze anzutreiben, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, wobei die Ladespannung nicht anliegt; eine interne Referenzgleichspannung (zum Beispiel eine Batteriespannung des Elektrofahrzeugs) des Elektrofahrzeugs zwischen beiden Schützen anzulegen, wobei ein Pluspol der Referenzgleichspannung an dem ersten Schütz angelegt wird und ein Minuspol der Referenzgleichspannung an dem zweiten Schütz angelegt wird; ein erstes Spannungspotential zwischen beiden Schützen an einer Ausgangsseite der Schütze zu messen; ein zweites Spannungspotential zwischen beiden Schützen an einer Eingangsseite der Schütze zu messen; und die Fehlfunktion der beiden Schütze auf der Grundlage der gemessenen Spannungspotentiale zu bestimmen.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung in dem Elektrofahrzeug angebracht und dazu konfiguriert, das vorstehend beschriebene Verfahren während einer Fahrt des Elektrofahrzeugs durchzuführen.

Die Schütz-Diagnose geschieht mit mehreren Spannungsmessungen an verschiedenen Messorten an beiden Seiten des Schütz-Leistungskontakts und zu verschiedenen Zeitpunkten (vor und nach einem Schaltbefehl). Die Fahrzeug-Architektur ermöglicht Schaltvorgänge der DC-Ladeschütze zum Zweck der Diagnose der Ladeschütze. Diese Teil-Schaltvorgänge können zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn der Ladeklappe geschlossen und damit eine Gefährdung von Personen ausgeschlossen ist. Vorteilhaft hierbei ist, dass dadurch auch keine Störung der Spannungsmeldung am ladeseitigen Anschluss eintreten kann. Diese sehr geringen Kapazitäten können auch nur sehr wenig Energie speichern. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann der Begriff, dass ein Spannungspotential „im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht“, bedeuten, dass eine Differenz zwischen dem Spannungspotential und der Referenzgleichspannung kleiner ist als eine bestimmte Toleranz, beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz der Referenzspannung, beispielsweise kleiner als 10%. Im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung kann der Begriff, dass ein Spannungspotential „im Wesentlichen Null ist“, bedeuten, dass das Spannungspotential kleiner ist als eine bestimmte Toleranz, beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz der Referenzspannung, beispielsweise kleiner als 10%.

Im Kontext der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Eingangsseite der Schütze“ auf jene Seite der Schütze, an der die Ladespannung angelegt wird, und der Begriff „Ausgangsseite der Schütze“ bezieht sich entsprechend auf die dazu entgegengesetzte Seite der Schütze.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 2 zeigt vorhandene Kapazitäten im Ersatzschaltbild der Fig. 1.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren wird dabei von einer Vorrichtung (nicht gezeigt) ausgeführt. Das Verfahren bestimmt eine Fehlfunktion von zwei Schützen 5, 6 eines Gleichspannungs-Ladeanschlusses 7 für ein Elektrofahrzeug, wobei zwischen beiden Schützen 5, 6 eine Ladespannung mit einem Plus- und Minuspol anlegbar ist, wobei ein erstes Schütz 5 im Pluspol angeordnet ist und ein zweites Schütz 6 im Minuspol angeordnet ist. Das erste Schütz 5 liegt dabei an Anschlüssen 1 , 2 in der Plusleitung, und das zweite Schütz 6 liegt an Anschlüssen 3, 4 in der Minusleitung.

Das Verfahren hat einen Schritt zum Antreiben eines der beiden Schütze 5, 6, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, und zum Antreiben des anderen der beiden Schütze 5, 6, um es in einen geöffneten oder geschlossen Zustand zu versetzen, wobei die Ladespannung nicht anliegt. Das Verfahren hat einen Schritt zum Anlegen einer internen Referenzgleichspannung (zum Beispiel eine Batteriespannung) U1 des Elektrofahrzeugs zwischen beiden Schützen 5, 6, wobei ein Pluspol der Referenzgleichspannung U1 an dem ersten Schütz 5 angelegt wird und ein Minuspol der Referenzgleichspannung an dem zweiten Schütz 6 angelegt wird. Das Verfahren hat einen Schritt zum Messen eines ersten Spannungspotentials U1 zwischen beiden Schützen 5, 6 an einer Ausgangsseite der Schütze 5, 6, und zum Messen eines zweiten Spannungspotentials U2 zwischen beiden Schützen 5, 6 an einer Eingangsseite der Schütze 5, 6. Das Verfahren hat einen Schritt zum Bestimmen der Fehlfunktion der beiden Schütze 5, 6 auf der Grundlage der gemessenen Spannungspotentiale U1 , U2.

Zunächst wird ein Zustand A eingerichtet, bei dem beide Schütze 5, 6 angetrieben werden, um sie in den geöffneten Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential U1 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential U2 im Wesentlichen Null ist. Alternativ oder zusätzlich wird bestimmt , dass beide Schütze 5, 6 im geschlossenen Zustand blockiert sind, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential U 1 , U2 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen.

Dann wird ein Zustand B eingerichtet, bei dem das erste Schütz 5 angetrieben wird, um es in den geöffneten Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz 6 angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt , dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential U1 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential U2 im Wesentlichen Null ist. Alternativ oder zusätzlich wird bestimmt, dass das erste Schütz 5 im geschlossenen Zustand blockiert ist und das zweite Schütz 6 nicht im geöffneten Zustand blockiert ist, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential U 1 , U2 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen.

Wenn im Zustand A das zweite Spannungspotential U2 von im Wesentlichen Null gemessen wird, erfolgt der Übergang zum Zustand B, d.h. das zweite Schütz 6 wird geschlossen. Wenn das zweite Spannungspotential U2 alleine durch das Schließen des zweiten Schützes 6 ansteigt, ist das erste Schütz 5 im geschlossenen Zustand blockiert bzw. verschweißt, und es ist nicht im geöffneten Zustand blockiert.

Dann wird ein Zustand C eingerichtet, bei dem das erste Schütz 5 angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz 6 angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt , dass das erste Schütz 5 oder das zweite Schütz 6 im geöffneten Zustand blockiert ist, wenn das erste Spannungspotential U1 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential U2 im Wesentlichen Null ist. Alternativ oder zusätzlich wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential U1, U2 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen.

Wenn im Zustand B das zweite Spannungspotential U2 von im Wesentlichen Null gemessen wird, erfolgt der Übergang zum Zustand C, d.h. das erste Schütz 5 wird geschlossen, und das zweite Spannungspotential U2 muss jetzt auf den Wert von dem ersten Spannungspotential U1 ansteigen, ansonsten ist eines der beiden Schütze 5, 6 im geöffneten Zustand blockiert.

Dann wird ein Zustand D eingerichtet, bei dem das erste Schütz 5 angetrieben wird, um es in den geschlossenen Zustand zu versetzen, und das zweite Schütz 6 angetrieben wird, um es in den geöffneten Zustand zu versetzen. Es wird bestimmt, dass das erste Schütz 5 nicht im geöffneten Zustand blockiert ist und das zweite Schütz 6 im geschlossenen Zustand blockiert ist, wenn sowohl das erste als auch das zweite Spannungspotential U 1 , U2 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entsprechen. Alternativ oder zusätzlich wird bestimmt, dass keine Fehlfunktion anliegt, wenn das erste Spannungspotential U1 im Wesentlichen der Referenzgleichspannung entspricht und das zweite Spannungspotential U2 im Wesentlichen Null ist.

Wenn das zweite Spannungspotential U2 angestiegen ist, wird das erste Schütz 5 geöffnet. Das zweite Spannungspotential U2 muss jetzt wieder absinken. Wenn nicht, ist das zweite Schütz 6 im geschlossenen Zustand blockiert, und das erste Schütz 5 ist nicht im geöffneten Zustand blockiert.

Zuletzt wird das erste Schütz 5 wieder geöffnet, d.h. der Zustand A wird wieder eingerichtet. Vorzugsweise werden die Zustände in dieser Reihenfolge A, B, C, D, A eingerichtet, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Reihenfolge beschränkt ist.

Nach Beenden der Testschaltungen verbleibt keine gefährliche Energie im Bereich des Ladeanschlusses 7, da einerseits die Kapazitäten in dem Bereich sehr klein sind, und andererseits der Spannungsteiler der Messung am zweiten Schütz 6 als passive Entladeschaltung dient.

Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Elektrofahrzeug eine Klappe auf, die für einen Zugang zu einem Ladeanschluss 7 zu öffnen ist, wenn die Ladespannung anzulegen ist. Die Klappe wird geschlossen, wenn das Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchgeführt wird. Auf diese Weise kann das Verfahren außerhalb der Ladezeiten des Elektrofahrzeugs durchgeführt werden. Es ist auch möglich, das Verfahren während einer Fahrt des Elektrofahrzeugs durchzuführen. Damit kann eine Möglichkeit von Berührung durch Personen ausgeschlossen werden.

Fig. 2 zeigt vorhandene Kapazitäten im Ersatzschaltbild der Fig. 1. Als CX wird eine Kapazität zwischen den Hochspannungspotentialen bezeichnet, als CY wird eine Kapazität zwischen einem Hochspannungspotential und der Fahrzeugmasse bezeichnet. Es befindet sich nur sehr wenig CX- und CY-Kapazität zwischen den Schützen 5, 6 und dem Ladeanschluss 7, daher ist ein Schließen der Schütze 5, 6 auch ohne Vorladung des Bereichs zwischen dem Ladeanschluss 7 und der internen Stromverteilung gefahrlos möglich, d.h. es kommt nicht zu hohen Inrush-Strömen, die die Schütze 5, 6 zerstören könnten.