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DE102020205992A1 - Verfahren zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug Download PDF

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DE102020205992A1
DE102020205992A1 DE102020205992.6A DE102020205992A DE102020205992A1 DE 102020205992 A1 DE102020205992 A1 DE 102020205992A1 DE 102020205992 A DE102020205992 A DE 102020205992A DE 102020205992 A1 DE102020205992 A1 DE 102020205992A1
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Markus Stolz
Marcus Sommerfeld
Holger Näther
Andreas Kliever
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Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Bei einem Verfahren zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs (1), das einen Hauptenergiespeicher (6), einen daraus mit Energie versorgten elektrischen Antrieb (2,4) sowie eine Anzahl von Nebenaggregaten (18) aufweist, die mittels eines Nebenaggregatpfads (22) mit dem Hauptenergiespeicher (6) energieübertragungstechnisch verknüpft sind, werden für den Nebenaggregatpfad (22) drei für den im Nebenaggregatpfad (22) fließenden Strom charakteristische Informationsgrößen erfasst. Weiterhin wird eine Plausibilisierung eines Istwerts einer der drei Informationsgrößen anhand der anderen beiden Istwerte durchgeführt und der plausibilisierte Istwert, oder ein aus den für plausibel befundenen Istwerten abgeleiteter Mischwert, hinsichtlich wenigstens eines Auslösekriteriums beurteilt. Außerdem wird ein Abschaltsignal an eine Steuerung einer Hauptabsicherung (10) des Hauptenergiespeichers (6) ausgegeben, wenn ein vorgegebenes Auslösekriterium von dem Istwert oder dem Mischwert erfüllt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das insbesondere dazu eingerichtet ist, das vorstehende Verfahren durchzuführen.
  • Elektrische Kraftfahrzeuge erfordern eine sichere (im Sinn von „verlässlich“) Abschaltung oder Trennung der Hauptenergiespeicher, die meist als Hochvoltbatterien mit ca. 400 bis 800 Volt Spannung ausgeführt sind, um bei Überlast, bspw. einem Fehler (z. B. einem Kurzschluss oder dergleichen) in einem elektrischen Antrieb, einem Unfall oder dergleichen, das dem Hauptenergiespeicher nachgeschaltete Bordnetz stromlos schalten zu können. Dies dient bei einem Unfall bspw. dem Berührungsschutz von Rettungskräften am Fahrzeug, aber auch zur Vermeidung von (insbesondere stehenden) Lichtbögen, Überschlägen oder dergleichen, was bei einem Unfall unter Umständen zur Entzündung des eigenen oder auch eines anderen Fahrzeugs, bspw. von Betriebsmitteln oder sonstigen Materialien führen könnte. Dazu umfassen elektrische Kraftfahrzeuge zunächst Schütze, die üblicherweise die positive und negative Hochvoltphase des Hauptenergiespeichers - auch beim Abstellen des Kraftfahrzeugs - vom Bordnetz schalten. Da diese aber im Fehlerfall theoretisch verschweißen und somit nicht mehr geschaltet werden könnten, weisen moderne elektrische Kraftfahrzeuge regelmäßig auch pyrotechnische Sicherungen auf, die durch Zündung einer Explosivladung eine Hochvoltphase vom Bordnetz trennen.
  • Üblicherweise ist neben dem elektrischen Antrieb, der meist bei vergleichsweise hohen Strömen (bspw. um 600 A) betrieben wird, auch wenigstens ein durch den Hauptenergiespeicher mit Energie versorgtes Nebenaggregat vorhanden, bspw. ein DC/DC-Wandler und/oder nicht sicherheitsrelevante Systeme (z. B. ein AC-Ladegerät, eine Klimaanlage, eine Heizung, Multimedia- und Kommunikationssysteme). Ein solches Nebenaggregat wird mit (meist deutlich) geringerem Strom betrieben als der elektrische Antrieb. Deshalb weist der entsprechend zugeordnete Nebenaggregatpfad auch kleinere Leitungsquerschnitte auf als der zum elektrischen Antrieb führende Hauptpfad. Um diese Leitungsquerschnitt abzusichern, kommen üblicherweise Schmelzsicherungen zum Einsatz. Aus DE 10 2014 214 840 A1 ist außerdem bekannt, zusätzlich zu den Schmelzsicherungen eine Strommessung im Nebenaggregatpfad durchzuführen und ein überlastetes oder zu einer Überlastung führendes Nebenaggregat abzuschalten oder in seiner Leistung zu „drosseln“.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs weiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines (bevorzugt landgestützten) Kraftfahrzeugs, das einen Hauptenergiespeicher, einen daraus mit Energie versorgten elektrischen Antrieb sowie eine Anzahl von Nebenaggregaten aufweist, die mittels (vorzugsweise jeweils) eines Nebenaggregatpfads mit dem Hauptenergiespeicher energieübertragungstechnisch verknüpft sind.
  • Verfahrensgemäß werden für den (oder den jeweiligen) Nebenaggregatpfad drei für den im Nebenaggregatpfad fließenden Strom (insbesondere also für die Strombelastung der den Nebenaggregatpfad bildenden Leitung) charakteristische Informationsgrößen - vorzugsweise unabhängig voneinander - erfasst. Dabei wird eine Plausibilisierung eines Istwerts einer der drei Informationsgrößen anhand der anderen beiden Istwerte (d. h. der Istwerte der anderen beiden Informationsgrößen) durchgeführt. Der plausibilisierte Istwert, oder ein aus den für plausibel befundenen Istwerten abgeleiteter Mischwert, wird anschließend hinsichtlich wenigstens eines Auslösekriteriums beurteilt. Ferner wird ein Abschaltsignal an eine Steuerung einer Hauptabsicherung des Hauptenergiespeichers ausgegeben, wenn ein vorgegebenes Auslösekriterium von dem Istwert oder dem Mischwert erfüllt wird.
  • Erfindungsgemäß wird also der oder der jeweilige Nebenaggregatpfad mittels (jeweils) dreier Informationsgrößen überwacht, die zur gegenseitigen Plausibilisierung dienen. Dies ist insbesondere für den Fall zweckmäßig, dass für den oder den jeweiligen Nebenaggregatpfad zusätzliche, insbesondere passive Sicherungselemente entfallen sollen. Hierbei muss nämlich die Sicherheit zur Erfassung einer Überschreitung des Auslösekriteriums erhöht werden, da die „Sicherheitsebene“ der passiven Sicherungselemente unter Umständen nicht mehr vorhanden ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt deshalb also eine Plausibilisierung durch den Vergleich von drei Informationsgrößen, die vorzugsweise gleicher Art sind. Ein fehlerhaftes Ergebnis einer Informationsquelle (oder: eines Mittels zur Bestimmung der Informationsgröße) kann dabei daran erkannt werden, dass die Istwerte der beiden anderen Informationsquellen auf den gleichen Zustand hindeuten (bspw. innerhalb zulässiger Messabweichungen den gleichen Wert aufweisen), der fehlerhafte Istwert aber auf einen anderen Zustand. Bei nur zwei Informationsquellen ist dies nicht möglich, da in einem solchen Fall bei zwei zueinander unterschiedlichen Ergebnissen (d. h. Istwerten) nicht zu entscheiden ist, welcher Istwert fehlerhaft ist. Ohne eine derartige Plausibilisierung ist eine rein „funktionelle“ (d. h. insbesondere software- oder logikbasierte) Abschaltung (oder zumindest Überwachung) von Nebenaggregatpfaden im Fahrtbetrieb nicht zulässig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren stellt also vorzugsweise eine Nebenaggregatabsicherung für das Kraftfahrzeug dar.
  • Bevorzugt wird für den (oder den jeweiligen) Nebenaggregatpfad mittels drei separater Sensoren (die jeweils eine Informationsquelle oder eines der Mittel zur Bestimmung der Informationsgrößen darstellen) als Informationsgröße jeweils eine Messgröße erfasst. Anders ausgedrückt wird vorzugsweise als jeweilige Informationsquelle insbesondere jeweils ein Sensor herangezogen. Der jeweilige Istwert wird dabei von dem jeweiligen aktuellen Messwert gebildet.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst - wie vorstehend beschrieben - den elektrischen Antrieb, den Hauptenergiespeicher, der die vorstehend genannte Hauptabsicherung aufweist, und eine Anzahl von Nebenaggregaten. Der elektrische Antrieb und das oder das jeweilige Nebenaggregat sind dabei mit dem Hauptenergiespeicher mittels eines Hauptpfads (der also zum elektrischen Antrieb führt) bzw. eines Nebenaggregatpfads (der zu dem oder dem jeweiligen Nebenaggregat führt) energieübertragungstechnisch verknüpft. Für den oder den jeweiligen Nebenaggregatpfad sind dabei Mittel zur Bestimmung der vorgenannten Informationsgrößen vorhanden. Bevorzugt sind in dem oder dem jeweiligen Nebenaggregatpfad dabei die vorgenannten drei separaten Sensoren zur Erfassung der jeweiligen für die Strombelastung der Leitung charakteristischen Messgröße als Informationsgröße eingebunden. Außerdem umfasst das Kraftfahrzeug eine Steuereinheit (auch als „Controller“ bezeichnet), die dazu eingerichtet ist, das hier und im Folgenden beschriebene Verfahren insbesondere selbsttätig durchzuführen.
  • Das Verfahren und das Kraftfahrzeug weisen also die gleichen Merkmale auf und teilen sich mithin die gleichen Vorteile.
  • Charakteristisch bedeutet hier und im Folgenden, dass die Informationsgröße eine quantitative Information über die Größe der jeweiligen Strombelastung (d. h. insbesondere des über den Nebenaggregatpfad, konkret dessen Leitung fließenden Stroms) beinhaltet, so dass sich die Strombelastung bzw. der Strom eindeutig aus der Informationsgröße ablesen lässt. Die Informationsgröße kann hierbei die Größe der jeweiligen Strombelastung unmittelbar angeben. Bei der Informationsgröße kann es sich grundsätzlich aber auch um eine Größe handeln, die zu der anzuzeigenden Strombelastung direkt oder indirekt proportional ist. Ferner kann die Informationsgröße mit der anzuzeigenden Strombelastung auch in einer nicht-linearen, beispielsweise einer logarithmischen, exponentiellen oder polynomialen (also quadratischen, kubischen, etc.) Beziehung stehen.
  • Zur Vereinfachung wird für den Begriff „Informationsgröße“ im Folgenden unabhängig von der Art der Bestimmung der Begriff „Messgröße“ verwendet, entsprechend auch „Messwert“ anstelle „Istwert“.
  • Die Steuereinheit (oder: der Controller) kann im Rahmen der Erfindung als nichtprogrammierbare elektronische Schaltung ausgebildet sein und hierbei beispielsweise in eine Steuerung der Hauptabsicherung (die in diesem Fall vorzugsweise ebenfalls als nichtprogrammierbare elektronische Schaltung ausgebildet ist) integriert sein. Die Steuereinheit ist alternativ durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Softwaremoduls implementiert ist. Dieses Softwaremodul kann hierbei insbesondere einen Bestandteil einer übergreifenden Steuersoftware (Firmware) der Steuerung des Hauptenergiespeichers und/oder der Hauptabsicherung bilden.
  • In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird als Auslösekriterium für den oder den jeweiligen Nebenaggregatpfad ein von einer Auftrittsdauer abhängiger Schwellwert gewählt. Dies hat den Vorteil, dass neben vergleichsweise schnellen Fehlern, bspw. einem Kurzschluss im Antrieb oder dergleichen, die meist einen hohen Fehlerstrom generieren - und vorzugsweise von der Hauptabschaltung des Hauptenergiespeichers schnell erkannt werden -, auch vergleichsweise langsam oder lang andauernde Fehler gerade in einem Nebenaggregat vorliegen können.
  • Vorzugsweise wird in diesem Fall als der (vorstehende, auftrittsdauerabhängige) Schwellwert ein Wert kleiner als ein zur Hauptabschaltung dienender, von der Steuerung der Hauptabsicherung überwachter Absolutwert herangezogen. Denn dieser „Absolutwert“ der Hauptabsicherung ist regelmäßig und zweckmäßigerweise derart bemessen, dass Ströme, die zum Betrieb des elektrischen Antriebs erforderlich sind, diese liegen häufig im Bereich um 600 A, eben nicht zu einer Auslösung der Hauptabschaltung führen. Dazu ist es erkanntermaßen erforderlich, dass der „Absolutwert“ hinreichend Abstand (inklusive einer fachgerechten Toleranz) zu den im bestimmungsgemäßen Betrieb regelmäßig auftretenden Stromwerten aufweist. Deshalb ist die Hauptabschaltung aber auch „blind“ für Fälle, in denen in einem Nebenaggregat bspw. ein geringerer Strom (-Wert) anliegt, der über eine vergleichsweise lange Dauer aber zu einer Schädigung des Nebenaggregatpfads, dem Nebenaggregat und/oder des gesamten Kraftfahrzeugs führen kann. Bspw. kann für eine Klimaanlage ein Strom von 200 A für eine Dauer von einigen (bspw. 5 bis 30) Sekunden oder mehr (bspw. auch bis ca. einer Minute) zu einem irreparablen Schaden führen. Der Schwellwert liegt deshalb - insbesondere in Abhängigkeit von dem „Antriebsstrom“ des elektrischen Antriebs - zweckmäßigerweise im Bereich von 100 bis 800 A.
  • In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird als Auftrittsdauer eine längere Dauer als eine Auslösedauer für die Abschaltung bei Überschreitung des von der Steuerung der Hauptabsicherung überwachten Absolutwerts herangezogen. Die Auslösedauer der Hauptabsicherung liegt dabei vorzugsweise etwa bei 4 Millisekunden bis etwa 3 Sekunden, vorzugsweise etwa bei 5 Millisekunden bis 2 Sekunden. Insbesondere ist die Auslösedauer der Hauptabsicherung derart gewählt, dass bei einem Fehlerfall mit hohem Fehlerstrom - s. insbesondere die vorstehenden Ausführungen - selbst Leitungen des oder des jeweiligen Nebenaggregatpfads vor Schaden geschützt sind. Vorzugsweise liegt die vorstehend genannte Auftrittsdauer der Nebenaggregatabsicherung zwischen 30 bis 100 Millisekunden und bis zu einer Minute. Bevorzugt wird die Auftrittsdauer dabei in Abhängigkeit von dem Messwert des Stroms sowie in Abhängigkeit des Materials der Leitung des Nebenaggregatpfads dynamisch ermittelt, insbesondere auf Basis eines „Stromintegrals“, das insbesondere aus einer I2t-Kennlinie für das Material der Leitung entnommen wird. So kann bspw. bei einem vergleichsweise hohen Messwert schnell und bei einem eher geringen Überschreiten eines betriebstypischen Werts im Vergleich „später“ ausgelöst werden.
  • Als Hauptabsicherung des Hauptenergiespeichers werden in einer bevorzugten Ausführung zwei (insbesondere reversibel schaltbare) galvanische Trennelemente (bspw. Schütze), sowie vorzugsweise wenigstens eine pyrotechnische Sicherung, unter Entfall von Schmelzsicherungen herangezogen. Bevorzugt kommen im gesamten Bordnetz keine Schmelzsicherungen mehr zum Einsatz.
  • Ohne das hier und im Folgenden beschriebene Verfahren, konkret ohne die vorstehend beschriebene Plausibilisierung ist der Entfall von Schmelzsicherungen, die prinzipiell unverlierbare Eigenschaften aufweisen, aus Sicherheitsgründen insbesondere während des Fahrtbetriebs nicht zu kompensieren. Dies ist unter anderem auch insbesondere dann der Fall, wenn der DC/DC-Wandler im Nebenaggregatpfad eingebunden ist. Sicherheitsvorschriften für Kraftfahrzeuge verbieten üblicherweise ein Abschalten von Systemkomponenten während der Fahrt, das nicht auf eindeutigen Bedingungen (wie sie grundsätzlich Schmelzsicherungen bieten können) basiert, sondern funktionell, insbesondere durch Software abgebildet ist. Denn in letzteren Fällen ist meist eine Verlässlichkeit auf die der Entscheidung zugrundeliegenden Daten kaum gegeben. Dieses Problem wird aber durch die Plausibilisierung gemäß der vorliegenden Erfindung behoben. Dazu wird zwar ein vergleichsweise höherer Aufwand - nämlich die dreifache Messgrößen-Bestimmung - betrieben, der aber durch Einsparung von Hardware - den Schmelzsicherungen - ausgeglichen werden kann.
  • In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante werden mehrere Nebenaggregate eingesetzt, die vorzugsweise auch mittels jeweils eines zugeordneten Nebenaggregatpfads von dem Hauptenergiespeicher aus mit Energie versorgt werden. Für den Fall, dass der von der Auftrittsdauer abhängige Schwellwert von einer Gesamt-Betriebsenergie zumindest aller Nebenaggregate vergleichsweise langsam angenähert wird, wird vorteilhafterweise eine Leistungsreduktion oder ein Energieentzug (Deaktivierung) aufeinanderfolgend für einzelne, insbesondere nicht sicherheitsrelevante, Nebenaggregate vorgenommen. Dadurch kann gleichzeitig mit einer Abschaltung von potentiell kritischen oder fehlerhaften Verbrauchern auch eine Analyse durchgeführt werden, um den kritischen bzw. fehlerhaften Verbraucher zu identifizieren. Wird während der aufeinanderfolgenden Leistungsreduktion (bspw. um 50 %) oder des Deaktivierens festgestellt, dass der zeitabhängige Schwellwert nicht mehr angenähert wird, können bspw. andere als das letzte Nebenaggregat in ihrer Leistungsaufnahme wieder gesteigert („hochgefahren“) werden. Dies stellt quasi ein Ausschlussverfahren dar, um das fehlerhafte Nebenaggregat „finden“ zu können. Bspw. wird der zeitabhängige Schwellwert hierbei durch ein „Stromintegral“ - d. h. Strom ist hier die Messgröße der Sensoren - gebildet. „Läuft“ dieses Stromintegral voll, kann anhand von „Zwischen-Schwellwerten“ (insbesondere anhand der Dauer, bis diese erreicht werden) entschieden werden, ob eine schrittweise Leistungsreduktion oder Deaktivierung noch möglich ist, oder ob eine sofortige Deaktivierung aller Nebenaggregate insbesondere über die Hauptabsicherung (d. h. durch eine Hauptabschaltung) erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden als Sensoren im Nebenaggregatpfad Stromsensoren eingesetzt. Die erfasste Messgröße - der Strom - gibt mithin die zur Beurteilung einer Überlastung genutzte Größe direkt wieder. In einer optionalen Variante werden - zumindest als Zusatzoption zur insbesondere weiteren Plausibilisierung - Temperatursensoren eingesetzt, in einer Variante auch alternativ zu den Stromsensoren.
  • Vorzugsweise weisen die Sensoren eine Genauigkeit von 1 Prozent (bei Temperatursensoren bspw. 5 Kelvin) und eine Abtastrate von 100 Hz auf. Dies stellt einen guten Kompromiss aus Genauigkeit, Schnelligkeit und Kosten dar. Schnellere und präzisere Sensoren sind in Abhängigkeit von einer geforderten Sicherheitsstufe aber ebenfalls denkbar.
  • In einer optionalen Verfahrensvariante werden die vorstehend genannten Sensoren, insbesondere die Stromsensoren mit anderen, insbesondere ohnehin vorhandenen Mitteln zur Bestimmung der Informationsgröße (bzw. Messgröße) kombiniert, insbesondere derart, dass drei Informationsquellen zur Verfügung stehen. Hierdurch können vorteilhafterweise Kosten gespart werden.
  • Insbesondere für den Fall, dass die drei Informationsquellen (konkret die vorstehend beschriebenen Mittel zur Bestimmung der Informationsgrößen) über verschiedene Komponenten verteilt oder zumindest nicht innerhalb derselben Komponente (d. h. insbesondere dem gleichen Nebenaggregat) angeordnet sind, werden auch Latenzzeiten des Bussystems, mittels dessen die Informationsgrößen übertragen werden, berücksichtigt. Diese Latenzzeiten ergeben sich bspw. durch den Sendezyklus des Bussystems (bspw. 10 ms). In solchen Fällen ist bspw. eine Vermeidung von Lichtbögen durch eine hinreichend schnelle Abschaltung nicht möglich.
  • In einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensvariante wird ein zulässiger „Gesamt-Nebenaggregat-Strom“ „simuliert“ oder abgeleitet. Dieser wird dabei bspw. aus einem von dem Hauptenergiespeicher zur Verfügung gestellten Gesamtstrom abzüglich einem von dem elektrischen Antrieb benötigten Antriebsstrom berechnet. Dies kann zum Beispiel zur (insbesondere weiteren) Plausibilisierung verwendet werden. Optional kann aber auch ein solcher simulierter Strom als eine der vorgenannten Informationsgrößen - die dann genau genommen keine auf einer tatsächlichen, direkten Messung basierende Messgröße darstellt - verwendet. Weiter optional wird der insbesondere zeitabhängige Schwellwert für die Nebenaggregatabschaltung an dem Gesamt-Nebenaggregat-Strom bemessen, d. h. insbesondere in Abhängigkeit von diesem und insbesondere auch von den Nebenaggregaten selbst gewählt. Bspw. wird für jeden Nebenaggregatpfad ein eigener Schwellwert vorgegeben.
  • Wie vorstehend beschrieben ist das Kraftfahrzeug, insbesondere dessen Hauptenergiespeicher, der Hauptpfad und der oder der jeweilige Nebenaggregatpfad in einer bevorzugten Ausführung frei von Schmelzsicherungen.
  • Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • 1 in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisches Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, und
    • 2 und 3 in Ansicht gemäß 1 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 1, das zum Betrieb einen elektrischen Antrieb 2 aufweisend einen Elektromotor 4 umfasst. Zur Energiebereitstellung weist das Kraftfahrzeug 1 außerdem einen Hauptenergiespeicher, kurz als „Traktionsbatterie 6“ bezeichnet, auf. In die Traktionsbatterie 6 integriert ist ein Batteriemanagementsystem 8, das die Steuerung von Lade- und Entladeprozessen übernimmt. Außerdem ist in das Batteriemanagementsystem 8 eine Hauptabsicherung 10 sowie die zugehörige Steuerung in Form eines Mikrocontrollers eingebunden. Die Hauptabsicherung 10 umfasst zwei Schütze 12, die einer positiven und einer negativen Phase der Traktionsbatterie 6 zugeordnet sind. Außerdem umfasst die Hauptabsicherung 10 eine pyrotechnische Sicherung, kurz als „Pyrofuse 14“ bezeichnet, die einer der beiden Phasen der Traktionsbatterie 6 zugeordnet ist und zu deren mechanischer Trennung im Hauptfehlerfall dient. Die Schütze 12 und die Pyrofuse 14 werden von der Steuerung der Hauptabsicherung 10 angesteuert.
  • Das Kraftfahrzeug 1 umfasst außerdem eine Steuerung 16 für den Elektromotor 4, die unter anderem einen Pulsweitenregler aufweist. Die Steuerung 16 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch als Verteiler für den von der Traktionsbatterie 6 bereitgestellten Strom an den Elektromotor 4 und an Nebenaggregate 18, hier bspw. einen DC/DC-Wandler, einen elektrischen Klimakompressor und eine Heizung. Der Elektromotor 4 ist dabei über einen Hauptpfad 20 an die Traktionsbatterie 6 angebunden. Die Nebenaggregate 18 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Nebenaggregatpfad 22 eingebunden. Dieser zweigt dabei an der Steuerung 16 von dem Hauptpfad 20 ab.
  • In dem durch die vorstehend beschriebenen Komponenten gebildeten Bordnetz sind keine Schmelzsicherungen mehr vorhanden. Um dennoch eine Abschaltung oder Trennung bei einem Fehlerfall in einem der Nebenaggregate 18 zu ermöglichen - der elektrische Antrieb 2 ist über die Hauptabsicherung 10 abgesichert-, sind in den Nebenaggregatpfad 22 als Informationsquellen oder „Mittel“ zur Bestimmung jeweils einer für den über den Nebenaggregatpfad 22 fließenden Strom charakteristischen Informationsgröße (auch: Messgröße) drei Stromsensoren 24 eingebunden. In die drei zum Elektromotor 4 führenden Phasen ist jeweils ein Stromsensor 26 eingebunden.
  • Die drei Stromsensoren 24 des Nebenaggregatpfads 22 sind zur gegenseitigen Plausibilisierung vorgesehen und liefern ihre Messwerte an die Hauptabsicherung 10. Die darin enthaltene Steuerung prüft im Rahmen eines Verfahrens zur Absicherung des Bordnetzes im Fahrbetrieb die Messwerte der drei Stromsensoren 24 und vergleicht diese zur Plausibilisierung. Sind die Messwerte plausibel, d. h. sind im Rahmen von vorgegebenen Grenzen (insbesondere mindesten zwei Messwerte) gleich, vergleicht die Steuerung einen der Messwerte - oder alternativ jeden oder einen aus den plausiblen (bei einem Fehler eines Stromsensors 24 auch nur zwei Messwerte) gebildeten Mischwert, bspw. einen Mittelwert - mit einem zeitabhängigen Schwellwert. Zeitabhängig ist der Schwellwert dahingehend, dass neben der reinen Überschreitung dabei geprüft wird, ob der gemessene Strom auch für eine vorgegebene Zeit den Schwellwert überschreitet. Bspw. kann nämlich ein Nebenaggregat 18 kurzzeitig einen vergleichsweise hohen Strom, bspw. 600 A ertragen, aber über einen Zeitraum von wenigen Sekunden nur noch bspw. 150 A.
  • Außerdem überwacht die Hauptabsicherung 10 den Hauptpfad 20 auf einen Fehler gegen Kurzschluss. Die Auslösezeit der Hauptabsicherung 10 liegt dabei bei 5 ms bis 2 s.
  • Zur weiteren Plausibilisierung ermittelt die Hauptabsicherung 10 anhand der drei Stromsensoren 26 im Hauptpfad 20 den für den Elektromotor 2 erforderlichen Antriebsstrom und subtrahiert diesen von dem Gesamtstrom, der von der Traktionsbatterie 6 bereitgestellt wird. Das Ergebnis stellt den für die Nebenaggregate 18 zur Verfügung stehenden Nebenaggregatstrom dar. Dieser stellt dabei auch einen oberen Grenzwert dar, der nicht überschritten werden darf.
  • Stellt die Hauptabsicherung 10 aufgrund einer Überschreitung des zeitabhängigen - d. h. von der Dauer des Auftretens eines Stroms abhängigen - Schwellwerts fest, dass im Nebenaggregatpfad 22 ein Fehler vorliegt, schaltet die Hauptabsicherung 10 die Schütze 12.
  • Stellt die Hauptabsicherung 10 fest, dass sich der Nebenaggregatstrom dem zeitabhängigen Schwellwert annähert, bspw. indem ein „Stromintegral“ oberhalb einer ersten Schwelle „vollläuft“, entzieht die Hauptabsicherung 10 der Reihe nach den nicht sicherheitsrelevanten Nebenaggregaten 18, also im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem elektrischen Klimakompressor und der Heizung die Leistung. Deutet sich daraufhin ein „Leeren“ des Stromintegrals, also eine Reduzierung des „gezogenen“ Nebenaggregatstroms an, kann das zuletzt abgeschaltete Nebenaggregat 18 als Ursache gesehen werden. Schaltet die Hauptabsicherung 10 die Nebenaggregate 18 wieder einzeln zu und tritt wiederum ein Füllen des Stromintegrals auf, kann so das fehlerhafte Nebenaggregat 18 identifiziert, konkret die Identifikation plausibilisiert werden.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. In diesem Fall ist jedes Nebenaggregat 18 in einen eigenen Nebenaggregatpfad 22 eingebunden. In jedem Nebenaggregatpfad 22 sind dabei jeweils drei Stromsensoren 24 eingebunden. Die Absicherung eines jeden Nebenaggregatpfads 22 erfolgt dabei analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1. Die drei Stromsensoren 24 eines jeden Nebenaggregatpfads 22 werden somit untereinander plausibilisiert, bevor eine Entscheidung über eine potentielle Deaktivierung oder sogar einer Auslösung der Hauptabsicherung 10 getroffen wird. Dies hat den Vorteil, dass sicherheitsrelevante und nicht sicherheitsrelevante Komponenten (Nebenaggregate 18) voneinander separiert werden können, so dass auch eine Leistungsreduktion oder Deaktivierung eines jeden Nebenaggregats 18 einzeln möglich ist.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. In diesem Fall zweigt ein einzelner Nebenaggregatpfad 22 bereits in der Traktionsbatterie 6 ab. Ein Stromsensor 24 des Nebenaggregatpfads 22 ist deshalb bereits in der Traktionsbatterie 6 angeordnet. Zwei weitere Stromsensoren 24 zu Plausibilisierung sind im weiteren Verlauf des Nebenaggregatpfads 22 angeordnet. Auch hier erfolgt die Absicherung der Nebenaggregatpfads 22 analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • In einem weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stromsensoren 24 durch Temperatursensoren ersetzt. Optional ist nur einer der Stromsensoren 24 durch einen Temperatursensor ersetzt. Da ein Temperaturanstieg ein Zeichen für eine potentiell unzulässige Belastung einer Leitung des Nebenaggregatpfads 22 ist, kann auch aus einem Temperaturmesswert eine Information zur aktuellen Belastung des Nebenaggregats 18 gewonnen werden, bspw. anhand von Lookup-Tabellen, Umrechnungsformeln oder dergleichen.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Kraftfahrzeug
    2
    Antrieb
    4
    Elektromotor
    6
    Traktionsbatterie
    8
    Batteriemanagementsystem
    10
    Hauptabschaltung
    12
    Schütz
    14
    Pyrofuse
    16
    Steuerung
    18
    Nebenaggregat
    20
    Hauptpfad
    22
    Nebenaggregatpfad
    24
    Stromsensor
    26
    Stromsensor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014214840 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur elektrischen Absicherung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs (1), das einen Hauptenergiespeicher (6), einen daraus mit Energie versorgten elektrischen Antrieb (2,4) sowie eine Anzahl von Nebenaggregaten (18) aufweist, die mittels eines Nebenaggregatpfads (22) mit dem Hauptenergiespeicher (6) energieübertragungstechnisch verknüpft sind, wobei verfahrensgemäß - für den Nebenaggregatpfad (22) drei für den im Nebenaggregatpfad (22) fließenden Strom charakteristische Informationsgrößen erfasst werden, - eine Plausibilisierung eines Istwerts einer der drei Informationsgrößen anhand der anderen beiden Istwerte durchgeführt wird, - der plausibilisierte Istwert, oder ein aus den für plausibel befundenen Istwerten abgeleiteter Mischwert, hinsichtlich wenigstens eines Auslösekriteriums beurteilt wird, und - ein Abschaltsignal an eine Steuerung einer Hauptabsicherung (10) des Hauptenergiespeichers (6) ausgegeben wird, wenn ein vorgegebenes Auslösekriterium von dem Istwert oder dem Mischwert erfüllt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Auslösekriterium für den oder den jeweiligen Nebenaggregatpfad (22) ein von einer Auftrittsdauer abhängiger Schwellwert gewählt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei für den Schwellwert ein Wert kleiner als ein zur Auslösung der Hauptabschaltung dienender, von der Steuerung der Hauptabsicherung (10) überwachter Absolutwert herangezogen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei als Auftrittsdauer eine längere Dauer als eine Auslösedauer für die Abschaltung bei Überschreitung des von der Steuerung der Hauptabsicherung (10) überwachten Absolutwerts herangezogen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Hauptabsicherung (10) des Hauptenergiespeichers (6) galvanische Trennelemente, vorzugsweise Schütze (12), sowie insbesondere wenigstens eine pyrotechnische Sicherung (14), unter Entfall von Schmelzsicherungen herangezogen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei mehrere Nebenaggregate (18) eingesetzt werden und wobei für den Fall, dass der von der Auftrittsdauer abhängige Schwellwert von einer Gesamt-Betriebsenergie zumindest aller Nebenaggregate (18) vergleichsweise langsam angenähert wird, eine Leistungsreduktion oder ein Energieentzug aufeinanderfolgend für einzelne Nebenaggregate (18) vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Informationsgrößen mittels drei separater Sensoren (24) erfasst werden, insbesondere wobei als Sensoren im Nebenaggregatpfad (22) Stromsensoren (24) eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein zulässiger Gesamt-Nebenaggregat-Strom aus einem von dem Hauptenergiespeicher (6) zur Verfügung gestellten Gesamtstrom abzüglich einem von dem elektrischen Antrieb (2,4) benötigten Antriebsstrom berechnet wird.
  9. Kraftfahrzeug (1) mit einem elektrischen Antrieb (2,4), mit einem Hauptenergiespeicher (6), der eine Hauptabsicherung (10) aufweist, mit einer Anzahl von Nebenaggregaten (18), wobei der elektrische Antrieb (2,4) und das oder das jeweilige Nebenaggregat (18) mit dem Hauptenergiespeicher (6) mittels eines Hauptpfads (20) bzw. eines Nebenaggregatpfads (22) energieübertragungstechnisch verknüpft sind, wobei drei Mittel (24) zur Bestimmung jeweils einer für den im Nebenaggregatpfad (22) fließenden Strom charakteristischen Informationsgröße vorhanden sind, und mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
  10. Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 9, wobei der Hauptenergiespeicher (6), der Hauptpfad (20) und der oder der jeweilige Nebenaggregatpfad (22) frei von Schmelzsicherungen sind.
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