AT524732B1

AT524732B1 - Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug mit einem Schütz und einem pyrotechnischen Stromtrenner

Info

Publication number: AT524732B1
Application number: ATA50070/2021A
Authority: AT
Original assignee: Astotec Automotive Gmbh
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-02-15
Also published as: AT524732A1

Abstract

Eine Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug hat zumindest einen Schütz (12), zu dem für Unterbrechungen hoher Ströme ein pyrotechnischer Stromtrenner (13) in Serie geschaltet ist, der bei Levitation des Schützes (12) gezündet wird. Erfindungsgemäß ist eine Auswerteschaltung (17) mit einer Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung zur Detektion der charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen eines Schwellichtbogens vorgesehen, die bei Auftreten derartiger Strom-/Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) generiert. Auf diese Weise wird nicht nur Levitation erkannt, sondern es werden u.a. auch verschmorte Kontakte detektiert. Die Messleitungen (18, 18') der Auswerteschaltung können am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sein, aber auch am Schütz (12). In letzterem Fall kann die Auswerteschaltung (17) zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) erzeugen, wenn der Spannungsabfall am Schütz (12) einen Grenzwert überschreitet, sodass auch Überströme erkannt werden, die noch nicht zur Levitation führen.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug mit zumindest einem Schütz und einem dazu in Serie geschalteten pyrotechnischen Stromtrenner, wobei der pyrotechnische Stromtrenner bei Levitation des Schützes gezündet wird.

[0002] In Elektrofahrzeugen muss während des Parkzustands die sogenannte Hochvoltbatterie es handelt sich hierbei in der Regel um Spannungen zwischen 250 V und 1000 V — allpolig abgeschaltet sein, was mittels zweier Schütze realisiert wird.

[0003] Zusätzlich können noch weitere Schütze z.B. zum Ändern der Anordnung der Batteriebänke vorhanden sein. Zusätzlich wird zur sicheren Trennung im Falle eines Unfalls oder Kurzschluss ein Stromtrenner verbaut.

[0004] Pyrotechnische Stromtrenner sind mittlerweile etablierte Komponenten zur Erhöhung der Sicherheit von Elektrofahrzeugen.

[0005] Ausgehend von ersten Stromtrennern für 12 V-Systeme, wie z.B. in der WO 2004/077478 A1 von Dynamit Nobel beschrieben, wurden leistungsfähigere Trenner für höhere Ströme und Spannungen entwickelt, wie z.B. in US 10068732 B2 von Autoliv beschrieben.

[0006] Diese Bauteile mussten jedoch aktiv angesteuert werden und können damit eine Sicherung nicht ersetzen. Um diese Funktion zu ermöglichen, wurde von Fa. Mersen in FR 3041143 A1 vorgeschlagen, den Spannungsabfall bei der Auslösung einer Sicherung zum Zünden eines pyrotechnischen Stromtrenners in Serie zu benützen. Von dieser Idee ist eine Variante mit einem zusätzlichen zweiten Zündkreis für eine externe Auslösung in FR 3073664 A1 offenbart. Nachteilig ist allerdings immer noch die Alterung der als Uberstromsensor dienenden Sicherung. Um dem entgegenzuwirken wird in DE 10 2018 109824 B3 von Autokabel die Spannungsdifferenz an einem Schütz bei Levitation infolge von Uberstrom benützt, um die Offnungsbewegung des Ankers pyrotechnisch weiter zu unterstützen. Dieses System besitzt eine große Robustheit in Bezug auf Stromtragfähigkeit, jedoch keine Flexibilität zur Reaktion auf den Zustand des Fahrzeugs und nur ein eingeschränktes Trennvermögen im Kurzschlussfall.

[0007] In DE 10 2016 101252 A1, die auch von Autokabel stammt, ist eine ähnliche Schaltung beschrieben. Hier ist jedoch ein pyrotechnischer Stromtrenner in Serie mit dem Schütz geschaltet.

[0008] Diese Serienschaltung befindet sich auf der Low-side. Auf der High-side befindet sich ein weiteres Schütz. Damit es im Kurzschlussfall sicher zu Levitation kommt, ist das Schütz auf der Low-side mit Absicht unterdimensioniert, es kann also nur geringere Ströme trennen als das Schütz auf der High-side (Absatz [0040] dieser Schrift). Im Kurzschlussfall kommt es daher im Schütz auf der Low-side zu Levitation, der pyrotechnische Stromtrenner zündet und unterbricht den Stromfluss. Daraufhin können beide Schütze die Batterie von der restlichen Elektrik galvanisch trennen, ohne dass deren Stromtrennvermögen überschritten wird.

[0009] In dieser Schrift ist nicht erklärt, wie die Levitation erkannt wird. Die einfachste Lösung ist, den Zünddraht parallel zum Schütz zu schalten. Bei Levitation fällt am Schütz wegen des entstehenden Lichtbogens eine erhebliche Spannung (meist rund 60 V) ab, die den pyrotechnischen Stromtrenner zündet. Es ist aber auch möglich, eine Messschaltung vorzusehen, wie dies in den Absätzen [0030] und [0031] der zwei Jahre später veröffentlichten, auch von Autoliv stammenden, oben bereits erwähnten DE 10 2018 109824 B3 beschrieben ist: es wird detektiert, ob ein Spannungsabfall zwischen einigen 10 V und einigen 100 V vorliegt, und nur wenn der Spannungsabfall in diesem Fenster liegt, zündet der pyrotechnische Antrieb, der die Öffnungsbewegung des Schützes unterstützt. Damit wird eine Auslösung bei geöffnetem Schütz, wo die gesamte Bordspannung am Schütz abfällt, vermieden.

[0010] Nachteilig an der Lösung gemäß der erwähnten DE 10 2016 101252 A1 ist insbesondere, dass das Schütz auf der Low-side unterdimensioniert sein muss. Bei einer Abschaltung muss daher immer darauf geachtet werden, dass zuerst das Schütz auf der High-side und erst dann

das Schütz auf der Low-side abschaltet, wodurch eine Zeitverzögerung entsteht, die sicherheitstechnisch nicht optimal ist. Weiters ist problematisch, dass der pyrotechnische Stromtrenner nur dann auslöst, wenn tatsächlich ein hoher Kurzschlussstrom fließt. Wenn es z.B. nur über verschmorte Kontakte zu einem Kurzschluss kommt, d.h. die verkohlte Isolierung einen Parallelwiderstand zum Verbraucher bildet, aber immer noch einen nennenswerten Widerstandswert hat, kommt es möglicher Weise zu keiner Abschaltung. Sicher kommt es dann zu keiner Abschaltung, wenn verschmorte Kontakte einen zusätzlichen Serienwiderstand im Stromkreis bilden. Dennoch können solch verschmorte Kontakte leicht zu einem Fahrzeugbrand führen.

[0011] DE 102016107707 B3 und DE 102014206270 A1 zeigen Vorrichtungen, die Spannungsabfälle auswerten können und mittels Steuerungen das Auslösen einer pyrotechnischen Sicherung/Trennelement veranlassen können. Allerdings sind diese Vorrichtungen nicht in der Lage die charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen von Schwelllichtbogen zu detektieren.

[0012] DE 102013017409 A1 zeigt ein Batteriesystem für elektromotorische Fahrzeuge. Das Batteriesystem weist einen Trennmechanismus auf, der betätigt wird, wenn ein Schütz versagt. Der Trennmechanismus trennt dabei eine Hochvolt-Batterie von einem Hochvolt-Bordnetz. Auch hier ist die Vorrichtung nicht in der Lage die charakteristischen Strom- /Spannungsschwankungen von Schwellichtbogen zu detektieren.

[0013] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen.

[0014] Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Auswerteschaltung mit einer Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung zur Detektion der charakteristischen Stram-/ Spannungsschwankungen eines Schwellichtbogens vorgesehen ist, die bei Auftreten derartiger Strom-/Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners generiert.

[0015] Fehlerlichtbogen-Schutzschalter, kurz AFDD (von englisch: Arc Fault Detection Device) sind von stationären elektrischen Anlagen bekannt. Sie analysieren Strom- und Spannungsverlauf mittels digitaler Signalverarbeitung und unterbrechen den Stromkreis bei Signaturen, die typisch für Schwellichtbögen sind. Sie verhindern damit Uberhitzungen an schlechten Kontaktstellen oder bei Uberschlägen zwischen zwei Leitern.

[0016] Erfindungsgemäß wird eine diesen Fehlerlichtbogen-Schutzschaltern entsprechende Auswerteschaltung verwendet, um das Schütz (oder die Schütze) zu überwachen. Solch eine Schaltung spricht insbesondere dann an, wenn es zu Levitation der Kontakte eines Schützes, der sich vorteilhaft in der HV+ Leitung befindet, kommt. Somit wird das Zündsignal für einen pyrotechnischen Stromtrenner nicht nur im Falle von Levitation erzeugt, sondern auch dann, wenn im Stromkreis Kontakte verschmoren, egal, ob diese verschmorten Kontakte einen Serienwiderstand bilden oder einen Parallelwiderstand (Kurzschluss). Auch ein Kurzschluss, bei dem es im Schütz zu keiner Levitation kommt, wird von solch einer Schaltung erkannt.

[0017] Grundsätzlich könnte man die Auswerteschaltung in Serie in den Stromkreis schalten, aber das wäre schaltungstechnisch aufwändig, weil der gesamte Strom (mehrere 1000 A) von der Auswerteschaltung aufgenommen werden müsste.

[0018] Es ist daher bevorzugt, dass die Messleitungen der Auswerteschaltung am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sind.

[0019] Alternativ dazu können die Messleitungen der Auswerteschaltung am Schütz angeschlossen sein, sodass die Auswerteschaltung den Spannungsabfall am Schütz detektiert. Da das Schütz einen geringen ohmschen Widerstand hat, kann man am Schütz die charakteristischen Stromschwankungen in Form von Spannungsschwankungen abgreifen.

[0020] Es ist zweckmäßig, wenn der pyrotechnische Stromtrenner über einen Eingang zusätzlich von der Fahrzeugelektronik auslösbar ist. Auf diese Weise kann der Stromkreis unterbrochen werden, wenn ein Unfall passiert. Die Fahrzeugelektronik muss Unfälle ohnehin detektieren, um Airbags und andere Sicherheitselemente auszulösen, sodass es leicht ist, im Falle eines Unfalls zusätzlich den pyrotechnischen Stromtrenner auszulösen. Somit wird im Falle eines Unfalls der

Stromkreis auch dann unterbrochen, wenn es zu keinem Kurzschluss kommt bzw. bevor es zu einem allfälligen Kurzschluss kommt.

[0021] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auslösung des pyrotechnischen Stromtrenners blockierbar ist. Dazu kann eine Trennvorrichtung, z.B. ein Reed-Relais, zur Trennung von zumindest einer Zündleitung des pyrotechnischen Stromtrenners oder von zumindest einer Messleitung der Auswerteschaltung vorgesehen sein.

[0022] Die Blockierung kann durch die Fahrzeugelektronik erfolgen. Dazu kann die Auswerteschaltung einen zusätzlichen Eingang aufweisen, der von der Fahrzeugelektronik angesteuert wird. Wenn ein Reed- Relais in der Zündleitung vorgesehen ist, wird dieses durch die Fahrzeugelektronik angesteuert. In diesem Fall erfolgt die Trennung der Zündleitung unabhängig von der Auswerteschaltung.

[0023] Der Grund für die Blockierung durch die Fahrzeugelektronik liegt darin, dass es passieren kann, dass (wegen Ladung von Kondensatoren) während des Hochfahrens des Systems so hohe Ströme fließen, dass es zu Levitation kommt. Auch während Phasen hoher Beschleunigung können die Ströme kurzfristig So hoch sein, dass es zu Levitation kommt. In diesen Fällen kann die Fahrzeugelektronik die Auslösung des pyrotechnischen Gasgenerators verhindern.

[0024] Auch im Parkmodus ist eine Blockierung der Auslösung sinnvoll: hier sind die Schütze offen, und es besteht kein Bedarf einer Zündung. Es ist somit nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Auslösung bei abgeschaltetem Schütz blockiert ist. Wenn ein Reed-Relais verwendet wird, dann kann man zu diesem Zweck ganz einfach die Spule des ReedRelais in Serie mit der Spule des Schützes schalten.

[0025] Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners erzeugt, wenn der Spannungsabfall am Schütz einen Grenzwert überschreitet. Das Schütz hat nämlich einen bestimmten (wenn auch sehr geringen) Widerstand, sodass der Spannungsabfall dem Strom proportional ist. Auf diese Weise ist auch die Erkennung kleinerer Überströme möglich. Diese sogenannten "Soft Over Currents" bewegen sich im Bereich zwischen dem zulässigen Höchststrom und dem Strom, der zur Levitation des Schützes führt. Dieser Strom kann über den Spannungsabfall am Schütz bestimmt werden. Da sich der Widerstand eines Schützes über die Lebensdauer des Fahrzeugs ändert, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteschaltung bei jedem Schließen des Schützes dessen Widerstand misst und den Grenzwert in Abhängigkeit vom gemessenen Widerstand festlegt. Das Schütz wirkt somit als Stromsensor zur Erkennung eines Überstroms und als Trigger bei Auftreten eines großen UÜberstroms, der zu einer Lichtbogenbildung im Schütz führt.

[0026] Durch die besondere Beschaltung wird eine Reaktion auf verschiedene Fahrzeugzustände ermöglicht.

[0027] An Hand der beiliegenden Zeichnung wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. [0028] Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung und

[0029] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer abgeänderten erfindungsgemäßen Schutzschaltung.

[0030] In eine Hochvoltleitung 11 (HV+) ist ein Schütz 12 geschaltet, das dazu dient, den Stromkreis zu unterbrechen, wenn das Fahrzeug geparkt ist. Da ein Schütz nicht in der Lage ist, derart hohe Ströme, wie sie im Kurzschlussfall in einem Elektrofahrzeug auftreten, zu unterbrechen, ist zusätzlich ein pyrotechnischer Stromtrenner 13 in Serie zum Schütz 12 geschaltet. Dieser pyrotechnische Stromtrenner 13 weist ein Gehäuse 14 auf, durch das die Hochvoltleitung 11 hindurchgeführt ist. Das Gehäuse 14 weist einen Hohlraum auf, in dem ein Kolben 15 verschiebbar ist. Auf der der Hochvoltleitung 11 abgewandten Seite des Kolbens 15 befindet sich eine pyrotechnische Ladung 16. Diese kann über Zündleitungen 19, 19' gezündet werden, wodurch der Kolben 15 in Richtung zur Hochvoltleitung 11 beschleunigt wird und diese durchschlägt, sodass der Stromkreis zuverlässig unterbrochen wird.

[0031] Zu beiden Seiten des Schützes 12 sind Messleitungen 18, 18' angeschlossen, die zu einer

Auswerteschaltung 17 führen. Erfindungsgemäß wertet die Auswerteschaltung 12 die Spannung analog wie ein AFDD aus, d.h. es werden die charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen ausgewertet, und wenn diese auftreten, wird Spannung an die Zündleitungen 19, 19’ gelegt, sodass die pyrotechnische Ladung 16 zündet und der Stromkreis durch den Kolben 15 unterbrochen wird. Solch charakteristische Strom-/Spannungsschwankungen treten insbesondere dann auf, wenn es infolge eines starken Überstroms zu Levitation im Schütz 12 kommt. Aber auch im Fall schlechter Kontakte spricht eine derartige Auswerteschaltung 12 an.

[0032] Die Auswertung erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn das Schütz 12 angezogen sein soll. Dieser Zustand kann durch Stromfluss durch die Spule des Schützes 12 ermittelt werden, was ganz einfach dadurch möglich ist, dass man die Spule eines Reed-Relais 20 in Serie zur Spule des Schützes 12 schaltet. Dieses Reed-Relais 20 unterbricht (Fig. 1) eine Messleitung 18’ oder (Fig. 2) eine Zündleitung 19.

[0033] Neben den starken Kurzschlüssen, die sich mittels Sicherung gut absichern lassen, kann die Auswerteschaltung 17 auch UÜberlasten erkennen, indem sie mit einem Spannungskomparator die am Schütz 12 abfallende Spannung mit einem Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten den pyrotechnischen Stromtrenner 13 zündet. Da der Widerstand eines Schützes sich mit der Zeit ändert, ja sogar nach jedem Schließvorgang etwas unterschiedlich ist, ist es dabei zweckmäßig, wenn die Auswerteschaltung 17 nach jedem Schließen des Schützes den Widerstand bestimmt und danach den Grenzwert festlegt. Solch eine Widerstandsmessung kann z.B. dadurch erfolgen, dass über die Messleitungen 18, 18' ein Wechselstromsignal eingespeist wird und die sich ergebende Wechselspannung gemessen wird. Wenn man die Wechselspannung genau mit der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms filtert, kann man Störungen durch den sonst über das Schütz fließenden Strom fast vollständig eliminieren.

[0034] Die Auswerteschaltung hat noch einen zusätzlichen Eingang 21, über den die Fahrzeugelektronik einen Zündbefehl einspeisen kann. Wenn die Bordelektronik einen Unfall erkennt, kann sie einen Zündbefehl absetzen, sodass auch ohne Kurzschluss die pyrotechnische Trennvorrichtung 13 den Stromkreis unterbricht.

[0035] Über diesen Eingang 21 können auch Blockierbefehle eingespeist werden, z.B. wenn unmittelbar nach dem Hochfahren der Systeme oder bei besonders starken Beschleunigungsvorgängen ein außergewöhnlich hoher Stromfluss erwartet wird, bei dem die Auswerteschaltung 17 sonst auslösen würde. Alternativ kann ein weiteres Reed-Relais vorgesehen werden, dessen Spule von der Fahrzeugelektronik angesteuert wird.

Claims

Patentansprüche

1. Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug mit zumindest einem Schütz (12) und einem dazu in Serie geschalteten pyrotechnischen Stromtrenner (13), wobei der pyrotechnische Stromtrenner (13) bei Levitation des Schützes (12) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (17) mit einer Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung zur Detektion der charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen eines Schwellichtbogens vorgesehen ist, die bei Auftreten derartiger Strom-/ Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) generiert.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleitungen (18, 18’) der Auswerteschaltung am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sind.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messleitungen (18, 18’) der Auswerteschaltung (17) am Schütz (12) angeschlossen sind.

4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Stromtrenner (13) über einen Eingang (21) zusätzlich von der Fahrzeugelektronik auslösbar ist.

5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung des pyrotechnischen Stromtrenners (12) blockierbar ist.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Blockierung der Auslösung eine Trennvorrichtung, z.B. ein Reed-Relais (20), zur Trennung von zumindest einer Zündleitung (19, 19') des pyrotechnischen Stromtrenners (13) oder von zumindest einer Messleitung (18, 18') der Auswerteschaltung (27) vorgesehen ist.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung durch die Fahrzeugelektronik blockierbar ist.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung, z.B. das Reed- Relais (20), durch die Fahrzeugelektronik angesteuert ist.

9. Schutzschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockierung während des Hochfahrens des Systems erfolgt.

10. Schutzschaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockierung während Phasen hoher Beschleunigung erfolgt.

11. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung bei abgeschaltetem Schütz (12) blockiert ist.

12. Schutzschaltung nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang der Trennvorrichtung, z.B. die Spule des Reed-Relais (20), in Serie mit der Spule des Schützes (12) geschaltet ist.

13. Schutzschaltung nach Anspruch 3 und gegebenenfalls einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (17) zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) erzeugt, wenn der Spannungsabfall am Schütz (12) einen Grenzwert überschreitet.

14. Schutzschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) nach jedem Schließen des Schützes (12) dessen Widerstand misst und den Grenzwert in Abhängigkeit vom gemessenen Widerstand festlegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen