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Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend ein Energiespeichermodul, das an ein Bordnetz angeschlossen ist sowie ein Verfahren zur Überprüfung eines ersten Schaltelements, das zwischen ein Energiespeichermodul und ein Bordnetz geschaltet ist.
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Jedes Kraftfahrzeug benötigt eine jederzeit zur Verfügung stehende elektrische Energiequelle. Diese hat die Aufgabe, zum Beispiel einen Anlasser oder eine Zündanlage mit Energie zu versorgen. Solange ein Verbrennungsmotor läuft, steht elektrische Energie eines Generators zur Verfügung. Bei stillstehendem Motor (zum Beispiel beim Parken) oder beim Starten ist dagegen eine vom Verbrennungsmotor unabhängige Energiequelle beziehungsweise ein Energiespeicher erforderlich.
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Mit der Entwicklung neuer Akkumulator-Technologien, insbesondere der Lithium-Ionen-Technologie, stehen immer mehr Alternativen zur Ablösung der zwar etablierten, aber technologisch nicht überlegenen Bleibatterie bereit. Im Vergleich zu Bleibatterien müssen Lithium-Ionen-Batterien jedoch gegenüber Fehlbedienung, Überladung oder andere Störungen abgesichert werden, um zum Beispiel ein thermisches Durchgehen zu verhindern. Die Absicherung kann entweder durch elektromechanische Komponenten wie Sicherungen und Schütze oder auch durch Halbleiterkomponenten erfolgen. Diese Absicherungen müssen in der Lage sein auch bei hoher Strombelastung der Batterie einen Trennvorgang sauber auszuführen. Eine derartige Absicherung ist aus Hybridanwendungen für Elektrofahrzeuge bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2011 054 461 A1 beschrieben. Bei dieser Lösung wird bei einer Überprüfung von Schützen die elektrische Verbindung unterbrochen. Während dieser Zeit übernimmt dann eine 12 V-Bleibatterie die Versorgung des Bordnetzes mit Dauerstromverbrauchern, wie beispielsweise Alarmanlagen. Bei einer Starterbatterie auf Lithiumionenbasis besteht ein Problem darin, dass diese Batterie die einzige On-Board-Batterie ist. Werden hierbei sicherheitsrelevante Tests durch Abkoppeln der Batterie durchgeführt, ist ein Bordnetz eines Fahrzeugs vorübergehend vollkommen von einer Energieversorgung abgeschnitten. Eine Vorsehung zusätzlicher Batterien ist teuer und umständlich. So würde dies beispielsweise Einbauraum beanspruchen und ein Gewicht des Fahrzeugs zusätzlich erhöhen. Eine temporäre Stromversorgung bei Schaltern, die bei einem Test geöffnet sind, mittels eines parallelen Spannungswandlers, wie in Druckschrift
EP 2 354 532 A1 beschrieben, wäre mit Zusatzaufwand verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Anordnung und ein Verfahren zu beschreiben, welche das beschriebene Problem lösen, ohne eine zusätzliche Batterie oder Schaltung vorzusehen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung umfassend ein Energiespeichermodul. Das Energiespeichermodul ist an ein Bordnetz angeschlossen. Die Anordnung umfasst des Weiteren zwei Schaltelemente und ein Steuergerät. Das erste Schaltelement ist in einem Hauptstrompfad zwischen dem Energiespeichermodul und dem Bordnetz angeordnet. Das zweite Schaltelement ist parallel zu dem ersten Schaltelement angeordnet. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, das erste Schaltelement für einen Funktionstest des ersten Schaltelements zu öffnen. Das Steuergerät ist weiter dazu eingerichtet, für die Dauer des Funktionstests das zweite Schaltelement zu schließen, um eine ununterbrochene Energieversorgung des Bordnetzes sicherzustellen.
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Zur Erhöhung der Sicherheit in einem Fahrzeug ist zwischen dem Energiespeichermodul und dem Bordnetz ein Schaltelement vorgesehen, welches den Hauptstrompfad unterbricht, wenn ein Problem an dem Energiespeichermodul oder im Bordnetz auftritt.
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Ist das Energiespeichermodul, beziehungsweise eine Batterie jedoch das einzige Energieversorgungselement, so wäre in der Zeit, in der das Schaltelement zwecks Funktionstest geöffnet wird, das Bordnetz ohne Energieversorgung. Um die Energieversorgung für das Bordnetz sicherzustellen, auch wenn ein Funktionstest durchgeführt wird, wird gemäß dem ersten Aspekt ein zweites Schaltelement vorgesehen, welches so angeordnet ist, dass das erste Schaltelement überbrückt werden kann. Das zweite Schaltelement ist in der Regel dauerhaft offen, sodass es keinen Einfluss auf den Hauptstrompfad hat. Ist das Fahrzeug ausgeschaltet, sodass keine Energieversorgung außer der Batterie zur Verfügung steht, so kann zu diesem Zeitpunkt gefahrlos ein Funktionstest der sicherheitsrelevanten Schaltelemente durchgeführt werden. Um jedoch einzelne elektrische Verbraucher, wie zum Beispiel einen Bordcomputer oder eine Uhr zu versorgen, während der Funktionstest durchgeführt wird, kann das zweite Schaltelement geschlossen werden, sodass der Strompfad zur Versorgung von Dauerverbrauchern nun über dieses zweite Schaltelement läuft. Lastanschlüsse des zweiten Schaltelements sind hierzu direkt mit Lastanschlüssen des ersten Schaltelements verbunden.
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Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen handelt es sich bei den Schaltelementen entweder um elektromechanische Schütze oder um Halbleiterschütze.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Überprüfung eines ersten Schaltelements beschrieben. Das erste Schaltelement ist zwischen einem Energiespeichermodul und einem Bordnetz geschaltet. Das erste Schaltelement kann hierbei einen Hauptstrompfad zwischen dem Energiespeichermodul und dem Bordnetz unterbrechen. Das erste Schaltelement ist durch ein zweites Schaltelement überbrückbar. Lastanschlüsse des zweiten Schaltelements sind direkt mit Lastanschlüssen des ersten Schaltelements verbunden. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Schließen des zweiten Schaltelements, und somit Überbrücken des ersten Schaltelements;
- - Öffnen und Überprüfen des ersten Schaltelements, während das zweite Schaltelement geschlossen ist;
- - Öffnen des zweiten Schaltelements, sobald die Überprüfung beendet und das erste Schaltelement geschlossen ist.
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Eine Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens stellt sicher, dass während eines Tests des ersten Schaltelements der Hauptstrompfad mit einem Nebenstrompfad überbrückt wird, sodass Verbraucher des Bordnetzes jederzeit mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen hierbei:
- 1 ein schematisches Schaltdiagramm einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein erstes Schaltelement einen ersten Zustand aufweist,
- 2 ein schematisches Schaltdiagramm gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei das erste Schaltelement einen zweiten Zustand aufweist und
- 3 ein schematisches Schaltdiagramm gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
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Viele Kraftfahrzeuge weisen diverse elektrische Verbraucher 15 auf. Derartige Verbraucher 15 können beispielsweise permanente Verbraucher wie Bordcomputer, Uhren oder Alarmanlagen, aber auch nichtpermanente Verbraucher wie Scheibenheitzung, Frontheizung oder Scheibenwischer sein. Diese Verbraucher 15 sind über ein Bordnetz 10 mit einem Energiespeicher 20 verbunden. Das Bordnetz 10 bezieht hierbei für verschiedene Anwendungen Energie aus dem Energiespeicher 20. Beispielsweise stellt der Energiespeicher 20 Energie zum Starten eines Motors bereit. Der Energiespeicher 20 weist im Ausführungsbeispiel ein Energiespeichermodul 30 auf. Das Energiespeichermodul 30 ist im Ausführungsbeispiel als Lithium-Ionen-Akku ausgebildet. Das Energiespeichermodul 30 ist in anderen Ausgestaltungen ein beliebiges anderes Batteriemodul und ist nicht auf die Lithiumionentechnologie beschränkt. Das Energiespeichermodul 30 ist über ein erstes Schaltelement 40 über einen Hauptstrompfad 50 mit dem Bordnetz 10 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist das erste Schaltelement 40 ein elektromechanisches Schütz. Bei einem derartigen Schütz werden zwei Kontakte des Hauptstrompfads 50 durch ein bewegliches Kontaktelement verbunden. Das bewegliche Kontaktelement ist so eingerichtet, dass es normal offen ist, und durch eine mechanische oder elektrische Einwirkung geschlossen werden kann. Dies geschieht beispielsweise über einen sekundären Spulenkreislauf . Um das Bordnetz 10 mit Energie aus dem Energiespeicher 20 zu versorgen, ist das erste Schaltelement 40 geschlossen.
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Tritt in dem Energiespeichermodul 30 ein Fehler auf, zum Beispiel eine zu hohe Temperatur, so wird das erste Schaltelement 40 durch ein Steuergerät 60 automatisch geöffnet. Somit wird das Energiespeichermodul 30 von dem Bordnetz 10 getrennt. Durch diesen Sicherheitsmechanismus wird das Energiespeichermodul 30 und das Bordnetz 10 geschützt.
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Derartige mechanische Schütze können jedoch Fehlfunktionen aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass der bewegliche Kontakt des Schützes an den beiden Kontakten des Hauptstrompfads 50 festgeschweißt wird. Somit würde in einem Notfall das Steuergerät 60 das erste Schaltelement 40 nicht öffnen können und ein dauerhafter Schaden an dem Energiespeichermodul 30 oder am Bordnetz 10 wäre möglich. Um die Sicherheit des Bordnetzes 10 als auch des Energiespeichers 20 zu gewährleisten, ist es wünschenswert, das erste Schaltelement 40 auf seine Funktionstauglichkeit zu überprüfen. Hierzu wird das erste Schaltelement kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen. Während dieses kurzen Vorganges wird im Ausführungsbeispiel der Widerstand am ersten Schaltelement 40 gemessen. Funktioniert das erste Schaltelement 40 wie vorgesehen, so nimmt der Widerstand während des Tests stark zu. Bleibt das erste Schaltelement 40 jedoch geschlossen, so bleibt der Widerstand klein. In anderen Ausgestaltungen wird die Funktionalität des ersten Schaltelements 40 mit einer anderen Methode gemessen. Diese Methode kann beispielsweise die Messung einer Spuleninduktivität einer Schaltspule, die Bestimmung einer Schaltstellung mittels eines Wegsensors oder eines Annäherungssensors oder auch die Messung einer Spannungsdifferenz an zwei Lastanschlüssen des ersten Schaltelements 40 sein.
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Durch das beabsichtigte Öffnen des ersten Schaltelements 40 während eines Funktionstests ist das Bordnetz 10 jedoch für die Dauer des Funktionstests vom Energiespeichermodul 30 getrennt. Hierdurch können Daten in Speichern von Verbrauchern gelöscht oder Verbraucher im Bordnetz 10 anderweitig beeinflusst werden. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 wird dieses Problem dadurch behoben, dass parallel zu dem ersten Schaltelement 40 ein zweites Schaltelement 70 geschaltet wird. Das zweite Schaltelement 70 hat im Ausführungsbeispiel eine kleinere Stromtragfähigkeit als das erste Schaltelement 40.
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In 1 ist die Situation dargestellt, in der das erste Schaltelement 40 geschlossen und das zweite Schaltelement 70 geöffnet ist. Dies stellt einen normalen Betriebszustand dar. Soll ein Funktionstest des ersten Schaltelements 40 durchgeführt werden, so schließt das Steuergerät 60 das zweite Schaltelement 70, so dass beide Schaltelemente 40 und 70 geschlossen sind. Nun wird das erste Schaltelement 40 geöffnet und das Steuergerät 60 führt den Funktionstest am Schaltelement 40 durch. Diese Situation ist in 2 dargestellt. Der Hauptstrompfad 50 ist an der Stelle des ersten Schaltelements 40 durch das zweite Schaltelement 70 überbrückt. Somit ist sichergestellt, dass das Bordnetz 10 weiterhin durch den Energiespeicher 20 mit Energie versorgt wird. Wurde der Funktionstest durchgeführt, so wird das erste Schaltelement 40 wieder geschlossen und das zweite Schaltelement 70 geöffnet.
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In einer nicht dargestellten Ausgestaltung handelt es sich bei den beiden Schaltelementen 40 und 70 um ähnliche oder identische Schaltelemente.
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3 zeigt eine Ausgestaltung der in den 1 und 2 mit 40 und 70 dargestellten Schaltelemente. Somit wird alternativ zu elektromechanischen Schützen eine Anordnung aus Halbleiterbauelementen als Schaltelement verwendet. Gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Hauptstrompfad 50 durch eine Mehrzahl einzelner Halbleiterschaltelemente A, B, C und D, die zusammen zu einem Halbleiterschütz geschaltet sind, unterbrochen. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Halbleiterschaltelemente nicht zu einem, sondern zu 2 Halbleiterschütze zusammengeschaltet und werden getrennt geschaltet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel besteht das Halbleiterschütz aus vier einzelnen selbstsperrenden MOSFETs, die parallel in den Strompfad geschaltet sind. Während eines normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs, in dem kein Funktionstest des ersten Schaltelements 40 durchgeführt wird, arbeiten alle vier Halbleiterschaltelemente A, B, C und D als ein erstes Schaltelement 40 zusammen. Hierbei werden alle Halbleiterschaltelemente A, B, C und D durch das Steuergerät 60 gleichermaßen geschaltet. Soll ein Funktionstest des ersten Schaltelements 40 durchgeführt werden, so werden für die Dauer des Funktionstests die einzelnen Halbleiterschaltelemente A, B, C und D aufgeteilt. Im Ausführungsbeispiel werden die beiden Halbleiterschaltelemente A und B zusammen als erstes Schaltelement 40 und die beiden Halbleiterschaltelemente C und D zusammen als zweites Schaltelement 70 geschaltet. Normalerweise sind alle vier Halbleiterschaltelemente A bis D leitend geschlossen. Für den Funktionstest werden nun von dem Steuergerät 60 die beiden Halbleiterschaltelemente A und B als erstes Schaltelement 40 geöffnet und somit deren Funktionstest durchgeführt. Während des Funktionstests bleiben die beiden Halbleiterschaltelemente C und D als zweites Schaltelement 70 zum Überbrücken des ersten Schaltelements 40 geschlossen. Um die Funktion der beiden Halbleiterschaltelemente C und D zu überprüfen, wird im Anschluss die Funktionalität der einzelnen Halbleiterschaltelemente A bis D umgekehrt dem ersten und dem zweiten Schaltelement 40 und 70 zugeordnet. Nun stellen die beiden Halbleiterschaltelemente C und D das erste Schaltelement 40 und die beiden Halbleiterschaltelemente A und B das zweite Schaltelement 70 dar. Nun kann wie im umgekehrten Fall die Funktionalität des ersten Schaltelements 40, in diesem Fall der beiden Halbleiterschaltelemente C und D, getestet werden. Im Anschluss an den Test werden wieder alle vier Halbleiterschaltelemente A bis D gleichermaßen als erstes Schaltelement 40 zur Sicherheitsunterbrechung des Strompfads 50 eingesetzt.
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Selbstverständlich ist die Anzahl der einzelnen Halbleiterschaltelemente A, B, C, D, die in diesem Ausführungsbeispiel mit vier angegeben ist, nicht beschränkt. So können zum Beispiel größere erste Schaltelemente 40 aus fünf, sechs oder mehr Halbleiterschaltelementen bestehen. Genauso denkbar ist es, dass lediglich drei Halbleiterschaltelemente eingesetzt werden. Ebenso selbstverständlich ist es, dass die Zuordnung der einzelnen Halbleiterschaltelemente zu dem ersten und zweiten Schaltelement 40 beziehungsweise 70 für die Dauer des Funktionstests variabel ist. Beispielsweise werden im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils die Halbleiterschaltelemente A und B sowie C und D zusammengefasst. Es ist jedoch genauso denkbar, die Halbleiterschaltelemente B bis D zusammenzufassen oder die Halbleiterschaltelemente A, C, D.
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In den beiden 1 bis 3 beschriebenen Ausgestaltungen wurde die Funktionsweise anhand elektromechanischer Schütze und Halbleiterschütze, bestehend aus selbstsperrenden MOSFETs, erklärt. Die Wahl genau dieser Bauelemente ist selbstverständlich nicht einschränkend gemeint. Ebenso können beliebige andere zur Unterbrechung eines Strompfads vorgesehene Bauelemente verwendet werden. In weiteren Ausgestaltungen ist das erste Schaltelement 40 ein Schütz und das zweite Schaltelement 70 ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente A, B, C, D. Selbstverständlich ist der umgekehrte Fall ebenso möglich, in dem das erste Schaltelement 40 ein oder mehrere Halbleiterschaltelemente A, B, C, D ist und das zweite Schaltelement 70 ein Schütz.