CN112020758A - 机动车中的高压开关，高压车载电网及高压开关运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压开关，其具有与第一固定触头(4a)相连的第一连接触头(6a)，与第二固定触头(4b)相连的第二连接触头(6b)，布置在第一固定触头和第二固定触头之间并将第一固定触头连接到第二固定触头的桥接触头(8)，其中，该桥接触头通过按压力压在固定触头中的至少一个上，并且能够通过拉力从固定触头中的至少一个松开，并且具有在拉力方向上作用在桥接触头上的驱动器(18)。测量电路在至少一个固定触头和桥接触头之间发生悬浮的情况下感测固定触头之间的电压降，并根据感测到的电压降控制驱动器，使驱动器以拉力方向上的力作用在桥接触头上。驱动器(18)优选为烟火驱动器。

Description

机动车中的高压开关，高压车载电网及高压开关运行方法

技术领域

本发明涉及一种高压开关，尤其是在汽车应用中，例如在混合动力电动汽车(HEV)，电池电动汽车(BEV)或燃料电池汽车(FCV)中。此外，本发明涉及一种用于运行这种高压车载电网系统的方法。

背景技术

电动汽车的份额将在未来增加。可以观察到从化石燃料到电动的汽车驱动的逐步过渡。该应用例如在混合动力车辆(HEV)，电池电动车辆(BEV)以及燃料电池车辆(FCV)中是有意义的。

随着尤其是带有电动主驱动器的电动汽车的份额在未来几年和数十年内不断增加，车载电源网络的需求将发生巨大变化。接受电动驱动器的决定性因素是高压车载电网的可靠性和安全性。

取决于电气化程度，即驱动功率中电气的比例是多少，电气功率在10到120KW之间。与常规的12V车载电源网络相比，电动车辆的车载电源网络中的工作电压要高得多。这通过集成作为可充电储能器的高压电池实现。由于明显更高的工作电压，车载电网的复杂性增加，因此对继电器，导线和保险丝等车载组件的要求也随之增加。

从高压电池可靠地关闭高压车载电网是非常重要的一点，尤其是在安全关键时刻。在高达1000V DC的电压和几千安培范围内的短路电流中，对开关继电器和保险丝的要求非常高。在正常情况和发生事故的情况下，都必须确保继电器和保险丝的可靠开关行为。在运行期间，与发生事故或故障的情况相比，所需的开关电流要低得多。在运行期间，例如在维护和修理期间，虽然需要电流隔离，但要切换的电流相对较低。在运行期间或在没有短路电流流过的其他异常情况下，可以通过切换继电器来关闭电源。

但是，在发生短路的情况下，会流过相当大的电流，并必须安全断开。通常，为此在高压侧和低压侧均使用保险丝和继电器的组合。保险丝用于在短路情况下断开，而继电器通常用于在运行情况下断开。

从DE 10 2016 101 252 A1中已知一种高压车载电网，其中通过利用开关继电器上的悬浮来降低开关电压。

在本发明中已经认识到，保险丝和继电器的传统组合意味着相当大的耗费。保险丝和继电器各个相应组合的设计必须协调，以确保即使发生短路也能使保险丝安全跳闸。还已经认识到，由于不同的开关元件，目前为止的电路是复杂且昂贵的。另外，并非在车辆中所有可能需要紧急关闭的地方都提供用于触发烟火保险的触发信号。尤其应避免额外的布线，并且仍应提供足够的安全性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种高压开关，该高压开关以少量的组件在发生故障的情况下保证安全触发。

该目的通过根据权利要求1的高压开关，根据权利要求15的高压车载电网和根据权利要求16的方法解决。

根据本发明的高压开关优选地布置在高压电池与电气驱动器之间。与常规的12V，24V或48V车辆车载电源网络相反，在电动车辆的高压车载电源网络中，电池正极(高压侧)和电池负极(低压侧)通过电缆连接到电动机。在这些情况下，接地回路不会通过车身实现。

根据本发明的高压电池优选是可再充电的能量存储器，其可以直接地或通过合适的升压转换器提供大约100V至大约1000V的输出电压。在高压车载电网的输出侧，通常会提供一个DC/DC转换器，以将输入电压转换为适合电驱动的输出电压。能量存储器上的输出电压作为直流电压(DC)通过高压车载电网的电导线施加到电动马达上。

电驱动器以很高的功率运行，功率范围从10kW到120kW以上。即使在上述高电压下，这些高功率也导致很高的电流。

在正常运行期间，通常将这种大电流通过高压开关引导。在本发明中现在已经认识到，对于紧急断开，例如在发生碰撞的情况下，高压开关中的悬浮可以用作开关脉冲。

因为在紧急情况下，例如在发生短路的情况下，会产生非常大的电流，在高压开关处会发生所谓的悬浮，短路电流被引导通过该高压开关。悬浮也被称为“电磁排斥”。这里，尽管继电器中的线圈被激发，仍会发生桥接触头的强制运动。这是由两个导体之间的电磁排斥引起的，电流以相反的方向流过这两个导体。在高压开关的情况下，排斥是由于固定触头未与桥接触头形成全面接触。这导致电流流过固定触头，到达与桥接触头的接触位置。接触位置是在固定触头和桥接触头之间的端面上某处的狭窄位置。因此，电流必须沿着从固定触头的外套面，经由固定触头的端面流到狭窄位置，并从那里经由桥接触头的端面，回到桥接触头的外套面。因此，端面上的电流彼此相对。产生的非正交电流方向导致桥接触头和固定触头之间的排斥。如果在继电器中发生悬浮，则可能会出现接触开口，并且会通过该接触开口在桥接触头和固定触头之间产生电弧。

根据本发明，由悬浮产生的增加的阻力被用来避免引入额外控制线。直接在桥接触头的燃烧电弧上方建立驱动装置，尤其是烟火驱动装置的点火电压，以便在没有外部点火脉冲的情况下，通过隔离电路，尤其是烟火驱动装置将开关断开。

在根据本发明的高压开关中设置有第一固定触头和第二固定触头，两者均优选位于高压开关的壳体中。每个固定触头都可以通过位于壳体外部的连接触头进行接触。特别地，第一连接触头间接地连接到能量存储器，并且第二连接触头间接地连接到传动系统。没有连接在之间的电气和电子组件的网络的直接连接也是可能的。

当高压开关闭合时，高压开关的固定触头通过桥接触头彼此短路。为此，桥接触头以挤压力压靠至少一个，优选两个固定触头。通过抬起桥接触头，可以断开两个固定触头之间的电气连接。高压开关优选形成为常开接点。通过给线圈通电，可以通过将桥接触头压向至少一个，优选两个固定触头来引起固定触头之间连接的闭合。

桥接触头优选地相对于两个固定触头可移动，但是也可以附接到一个固定触头并且仅可相对于第二固定触头移动。

在正常运行中如果切换为零电流，则桥接触头从固定触头中的至少一个上抬起。这是正常的运行状态，在该运行状态下切换是没有问题的，因为要切换的电流最大为几百安培。

如果在桥接触头上施加与挤压力相反的力，则可以将桥接触头从固定触头抬起。为此设置了一个驱动器，该驱动器可引起这种提升。

在紧急情况下，例如在发生碰撞或其他短路的情况下，电流会流过高压开关，该电流要比正常运行状态下流过的电流高得多。

在故障情况下流动的这些电流是如此之高，以至于可在至少一个固定触头和桥接触头之间产生前述的悬浮。由于电流在固定触头和桥接触头的端面处以相反的方向流动，因此桥接触头克服了挤压力而从固定触头上抬起。通过高电流在桥接触头和至少一个固定触头之间产生的电磁排斥力可大于挤压力。

由于在这种情况下分离过程是快速的，并且桥接触头和固定触头之间的空间距离只有十分之几毫米到几毫米，因此在分离时立即在固定触头和桥接触头之间形成电弧。剩余电流通过电弧从固定触头流向桥接触头，或反之。

在正常运行中，高压开关闭合，两个固定触头之间的电压降几乎为零。固定触头通过桥接触头短路，接触电阻可以小于1mΩ。即使在高电流下，在这种情况下，固定触头或与固定触头连接的连接触头之间的电压降也很小。

测量电路，例如无源电阻器，可以与固定触头并联连接。该测量电路可用于检测固定触头之间的电压降。测量电路优选是无源的，并且形成用于在至少一个固定触头和桥接触头之间存在悬浮的情况下感测固定触头之间的电压降。这样的电压降可以为几十V至几百V。

如果检测到预先确定的电压降，则测量电路可以触发控制驱动器，使得驱动器以沿拉力方向的力作用在桥接触头上。由此，驱动器通过使桥接触头和固定触头间隔开来使仍在燃烧的电弧熄灭。驱动器仅需确保断开流过电弧的剩余电流。因此，悬浮使驱动器触发而没有外部触发信号。在所产生的电弧上的电压降足以触发驱动器。

测量电路被设计成用于检测，尤其是被动地确定由于悬浮引起的固定触头和桥接触头之间的电压降。在这种情况下，驱动器会自动触发，使得其以机械方式作用在桥接触头上。这里，力沿拉力的方向定向。该力使得两个固定触头之间通过电弧而依旧存在的通过桥接触头的电连接完全断开。

如果传动系统侧发生短路，则短路电流会流过高压开关，该短路电流引起悬浮。悬浮引起的电压降会自动触发驱动器，以使驱动器可作用在桥接触头上，从而断开固定触头之间的剩余电连接。不需要外部控制线。

该驱动器优选是烟火驱动器，其可以由固定触头之间的电压降触发。在烟火驱动器内部，可以设置一个测量电阻器，该测量电阻器由于电压降而被流过固定触头的电流加热，从而自动激活烟火驱动器。这种电阻可以是测量电路。因此，即使在短路的情况下，也可以使用无源电路来非常安全地断开高压开关。不带驱动器的高压开关仅需要设计用于分离运行电流。与必须被设计成还断开短路电流的高压开关相比，这带来了可观的成本优势。在运行情况下，根据本发明的高压开关必须能够断开运行电流，在出现故障的情况下，附加驱动器会完全断开高压开关的可能尚未完全断开的连接。

桥接触头优选以弹簧加载的形式以挤压力压向固定触头上。桥接触头也可通过磁力压向固定触头。

根据一个实施例提出，测量电路由固定触头之间的电压供电。由于在固定触头和桥接触头之间发生悬浮时的电压降，会产生流经测量电路的电流。这样就给测量电路供电。这导致驱动器的触发，使得驱动器以沿拉力方向的力作用在桥接触头上。

根据一个实施例提出，测量电路是无源的。无源测量电路具有特别的优点，即无需额外的馈电线连至高压开关来断开短路电流。实际上，根据本发明的高压开关可以安全地断开短路电流而无需额外的布线。该驱动器的形成方式是，当超过固定触头之间的电压时，驱动器会自动触发。唯一的触发标准可以是固定触头之间的电压。测量电路的经定义的电阻导致取决于该电压降的经定义的电流流经测量电路，该电压降可引起驱动器的触发。

根据一个实施例提出，在悬浮的情况下，足以触发驱动器的高电流流过驱动器。因此，悬浮是唯一的触发标准，并且导致独立于附加组件的完全断开。

根据本发明的高压开关或其驱动器必须被设计成使得驱动器可以断开由于悬浮而流动的剩余电流。这种断开可以通过驱动器在拉力的方向上加速桥接触头并由此消除电弧来实现。驱动器也可以在拉力的方向上完全断开桥接触头。在悬浮情况下，流过桥接触头的电流要小于短路电流。电流由电弧的电阻决定。如果桥接触头完全断开，则仅还需要切断该流动电流。在沿桥接触头的分离位置处，不会再形成电弧，因为桥接触头上的电流不再足够大。取而代之的是，通过完全断开桥接触头来消除在桥接触头与至少一个固定触头之间仍在燃烧的电弧。

优选地，可以通过具有螺栓的驱动器来完全断开或抬起桥接触头。在驱动器被触发的情况下，由于沿拉力方向的爆炸能量，螺栓优选以烟火的方式被加速到桥接触头上。桥接触头可以通过螺栓分开。螺栓在其面向桥触头的端面上可以具有切割面。螺栓尤其在桥接触头的方向上逐渐变细，使得其可以像刀一样穿过桥接触头。

也可以通过螺栓将桥接触头抬离一个或两个固定触头。这里，螺栓可以压向桥接触头的指向固定触头的下表面上。螺栓的推动使桥接触头远离固定触头加速，并将其抬离固定触头中的至少一个。这增加了固定触头和桥接触头之间的距离，从而消除了燃烧的电弧。

如已经说明的那样，高压开关具有壳体。优选地，螺栓在壳体中被引导，固定触头和桥接触头也布置在壳体中。

此外，驱动器可以至少部分地位于壳体中。

也可以额外通过外部控制信号来触发驱动器。这样的外部控制信号可以是碰撞信号，例如安全气囊控制信号。如果发生碰撞而没有发生短路，则必须将能量存储器与传动系统断开。碰撞信号，例如安全气囊控制信号可以施加到驱动器上，并根据在悬浮情况下的激活来触发驱动器。例如，通过外部信号点燃烟火驱动器，这会使桥接触头从固定触头上抬起。在这种还没有短路电流流过的情况下，只有运行电流流过高压开关，并且可以通过将桥接触头从固定触头上抬起而直接断开该电流。

根据一个实施例提出，测量电路感测电压带中的电压降。电压带由下限和上限电压定义。上限电压低于可以连接到高压开关的储能器的电压。仅当电压带内部有电压降时，测量电路才会触发驱动器。

附图说明

在下文中，借助于示出实施例的附图来更详细地说明本发明。

图中：

图1a-c示出了根据一个实施例的高压开关的示意图；

图2示出了机动车车载电网的示意图。

具体实施方式

图1示出了高压开关2，其具有连接到第一连接触头6a的第一固定触头4a和连接到第二连接触头6b的第二固定触头4b。固定触头4a，b经由桥接触头8彼此短路。

固定触头4a，b和桥接触头6布置在壳体10内。在壳体10内，固定触头4a，b布置在固定位置并且例如牢固地锚固到壳体。相反，桥接触头是可移动的，尤其是平行于壳体10中的方向12。

方向12表示力方向，桥接触头8被沿该力方向压向固定触头4a，b。

在桥接触头8的区域中，尤其是在固定触头4a，b之间的桥接触头8的中央，布置有发射通道14。发射通道14引导螺栓16，该螺栓可以由烟火驱动器18驱动。

烟火驱动器18形成为测量电路，并且分别通过测量导线20a，20b与固定触头4a，4b短路。因此，通过驱动器18在固定触头4a，b之间测量电压。在驱动器18中，可以设置在此未示出的电阻器，当在固定触头4a，4b之间存在电压时，电阻器由于流动的电流而发热并因此例如点燃驱动器18中的烟火弹。

在图1a中，开关2以闭合位置示出，并且桥接触头8在固定触头4a，4b之间形成短路。因此，在固定触头4a，b上没有明显的电压降，并且驱动器18未被激活。

在正常情况下，借助于未示出的机构，可以将桥接触头8从固定触头4a，b上抬起。在运行情况下，电流流过桥接触头8，通过将桥接触头8从固定触头4a，b上抬起，可以直接断开该电流。桥接触头8也可以仅从固定触头4a，b中的一个提起，并且与固定触头4a，b中的另一个固定连接。该功能在常规继电器中是众所周知的。

在故障的情况下，尤其是在短路的情况下，流过固定触头4a，b和桥接触头8的电流可以是正常工作电流的倍数。这种增加的电流可导致桥接触头8从固定触头4a，b中的至少一个悬浮。这在图1b中示出。

在图1b中可以看出，大电流22流过桥接触头8。该大电流22例如可以由短路引起。该大电流22引起桥接触头8从固定触头4a，b悬浮。在至少一个固定触头4a，b和桥接触头8的端面处沿相反方向的电流导致电磁力24，电磁力24引起桥接触头8和固定触头4a，b之间的排斥。由于该排斥，在桥接触头8与固定触头4a，b中的至少一个之间形成间隙。由于接入了非常大的电流22，因此电弧24立即被点燃，电弧在桥接触头8与固定触头4a，4b中的至少一个之间的间隙中燃烧。

该电弧24具有比固定触头4a，b和桥接触头之间的直接接触更大的电阻，使得固定触头4a，4b之间的电压降大于图1a所示闭合状态下的电压降。

由于增加的电压降，电流从固定触头4a经由测量导线20a，20b和驱动器18流动。该电流使驱动器18点火。

在驱动器18点火时，发射通道14中的螺栓16沿方向28加速并撞击桥接触头8。螺栓16可以完全断开桥接触头8或将其从固定触头4a，4b进一步抬起。完全断开和抬起都将导致电弧24熄灭。然后，开关2完全打开，并且没有电流流过开关2。

图2示出了具有开关2，传动系统30和能量存储器32的框图。正常情况下，运行电流流过开关2，通过从至少一个固定触头4a，4b上抬起桥接触头8可以容易地将其断开。

在短路的情况下，如图2中的虚线34所示，传动系统30被短路。传动系统30的内部电阻接近零，并且能量存储器32通过开关2和短路34几乎短路。这导致非常高的短路电流22，其导致了刚才描述的悬浮。然后，高压开关2独立于外部断开信号而自足地进行如上所述的断开。

除了所描述的断开之外，高压开关或驱动器18可以通过控制线36驱动。控制线36例如可以在发生碰撞的情况下被激活，该碰撞尤其在没有短路的情况下发生，因此在这种情况下也激活驱动器18。在不引起短路的故障情况下，这也导致安全地断开或打开开关2。但是，控制线36是选择性的。在控制线的情况下，导线20a，20b可以与控制线36电分离，从而可以避免控制线36和线6a，b之间的电流。

Claims (16)

1.高压开关，所述高压开关具有

-与第一固定触头相连的第一连接触头，

-与第二固定触头相连的第二连接触头，

-布置在第一固定触头和第二固定触头之间并将第一固定触头连接到第二固定触头的桥接触头，其中，所述桥接触头通过按压力压在固定触头中的至少一个上，并且能够通过拉力从固定触头中的至少一个上松开，以及

-在拉力的方向上作用在桥接触头上的驱动器，

其特征在于，

-测量电路在至少一个固定触头和桥接触头之间发生悬浮的情况下感测固定触头之间的电压降，并根据感测到的电压降控制驱动器，使驱动器以在拉力方向上的力作用在桥接触头上。

2.根据权利要求1所述的高压开关，

其特征在于，

-所述驱动器为烟火驱动器，所述烟火驱动器通过固定触头之间降低的电压触发。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-桥接触头以弹簧加载的形式以挤压力压向固定触头中的至少一个。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-测量电路由固定触头之间的电压供电。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-测量电路是无源的，并且尤其这样通过驱动器形成，使得所述驱动器在超过固定触头之间的电压时被触发。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-在悬浮的情况下，触发驱动器的电流流过驱动器。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-所述驱动器将桥接触头在拉力方向上加速或者所述驱动器将桥接触头在拉力方向上完全断开。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-所述驱动器具有螺栓，所述螺栓在驱动器被触发的情况下沿拉力方向加速到桥接触头上。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-桥接触头可通过螺栓分离。

10.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-桥接触头可通过螺栓从两个固定触头上抬起。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

螺栓在壳体中被引导，固定触头和桥接触头布置在所述壳体中。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-驱动器至少部分地位于壳体中，固定触头和桥接触头布置在所述壳体中。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-通过外部控制信号来额外触发驱动器。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关，

其特征在于，

-测量电路构建用于感测电压带中的电压降，其中所述电压带具有下限电压和上限电压，其中上限电压低于可以连接到高压开关的储能器的电压，并且仅当电压带内部感测到电压降时，测量电路才会触发驱动器。

15.机动车辆中的高压车载电网，其中，根据前述权利要求中任意一项所述的高压开关电气地布置在能量存储器和传动系统之间。

16.用于运行高压开关，尤其是根据前述权利要求中任意一项一项所述的高压开关的方法，在所述方法中，

-设置在第一固定触头和第二固定触头之间，并将第一固定触头与第二固定触头连接的桥接触头通过挤压力压向固定触头，并通过拉力从固定触头释放，

其特征在于，

-在至少一个固定触头和桥接触头之间发生悬浮的情况下，感测固定触头之间的电压降，并根据所感测到的电压降触发驱动器，使得借助于驱动器通过沿拉力方向的力使桥接触头至少部分地从桥接触头远离。

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