DE102011015694A1

DE102011015694A1 - Leistungsschaltermodul und Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102011015694A1
Application number: DE102011015694A
Authority: DE
Inventors: Andreas Werner; Udo Hallmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsschaltermodul (1), insbesondere zur Verbindung von Batteriezellen bzw. einer Batterie (20) einer Batterieeinheit (50) mit einem Traktionsnetz (100) eines Kraftfahrzeuges, umfassend mindestens einen Leistungsschalter (22), wobei das Leistungsschaltermodul (1) mindestens einen ersten Verbinder (23, 26) zur elektrischen Verbindung mit dem Traktionsnetz (100) umfasst, sowie eine Batterieeinheit (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsschaltermodul und eine Batterieeinheit, insbesondere zum Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann eine Antriebsenergie eine elektrische Energie sein, die z. B. in einer so genannten Traktionsbatterie gespeichert ist. In einem motorischen Betrieb des Elektro- oder Hybridfahrzeuges kann elektrische Energie aus der Traktionsbatterie über ein so genanntes Traktionsnetz an eine Elektromaschine, beispielsweise einen dreiphasigen, permanentmagneterregten Synchronmotor, übertragen werden. Das Traktionsnetz umfasst in der Regel einen so genannten Zwischenkreiskondensator sowie einen Wechselrichter, beispielsweise einen dreiphasigen Wechselrichter, der Eingangsspannungen für die Elektromaschine im motorischen Betrieb erzeugt.
In einem generatorischen Betrieb (Rekuperationsmodus) kann elektrische Energie von der Elektromaschine über den Wechselrichter und den Zwischenkreiskondensator an die Traktionsbatterie übertragen werden. Hierbei fungiert der Wechselrichter als Gleichrichter einer von der Elektromaschine erzeugten Wechselspannung.
Es existiert der Wunsch, die Traktionsbatterie vorzugsweise allpolig elektrisch von dem Traktionsnetz und somit von den von dem Traktionsnetz umfassten elektrischen oder elektronischen Elementen zu trennen. Hierfür sind in der Regel so genannte Schütze oder Schützschalter zwischen Anschlussstellen der Traktionsbatterie, beispielsweise Polen der Traktionsbatterie, und Anschlussstellen des Traktionsnetzes angeordnet.
Ein Schütz kann ein elektrisch oder pneumatisch betätigter oder elektronischer Schalter für große Leistungen sein und ähnelt einem Relais. In der Regel umfasst ein Schützschalter eine Magnetspule, durch welche ein Steuerstrom fließen kann. Fließt ein solcher Steuerstrom durch die Magnetspule, so kann das derart erzeugte Magnetfeld mechanische Kontakte in einen aktiven Zustand ziehen. In einem stromlosen Zustand der Magnetspule stellt eine Feder den Ruhezustand wieder her, wobei Kontakte geöffnet werden.
Aus der DE 103 09 347 A1 ist ein Schaltkreis bekannt, umfassend eine Stromversorgungsleitung, eine Batterie mit einem positiven und einem negativen Ausgang, einen Schützkreis mit einer Spule, die einen Druckschalter bedient, wobei die Spule einen ersten Spulenanschluss und einen zweiten Spulenanschluss besitzt und der Druckschalter die Stromversorgungsleitung mit dem positiven Batterieausgang verbindet, einen Schalter mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einen Steueranschluss, wobei der erste Anschluss mit dem zweiten Spulenanschluss verbunden ist, und einen Regler zum Steuern des Schalters, der mit dem Steueranschluss des Schalters verbunden ist. Weiter besitzt der Schaltkreis einen Steckverbindungs-Stromkreis, einen ersten Steckverbinder und einen zweiten Steckverbinder, der sich mit dem ersten Steckverbinder zusammenstecken lässt, wobei der erste Steckverbinder einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter besitzt und der zweite Steckverbinder über einen dritten Leiter, der mit dem positiven Batterieausgang verbunden ist, und einen vierten Leiter, der mit dem negativen Batterieausgang verbunden ist, verfügt.
Aus der DE 10 2009 001 962 A1 ist ein Ladesystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit Fahrzeugmasse auf Erdpotential bekannt, umfassend ein Fahrzeughochvoltnetz enthaltend eine Hochvoltbatterie mit Batterietrennvorrichtung, ein mit der Hochvoltbatterie leitend verbundenes, in das Fahrzeug integrierbares Ladegerät mit Netztrennvorrichtung, welches über Netzstecker mit einem Ladestromnetz verbindbar ist, einen oder mehrere FI-Schutzschalter zur Fehlerstromüberwachung während eines Ladevorganges, wobei die FI-Schutzschalter derart angeordnet sind, dass das Ladesystem von einem angeschlossenen Ladestromnetz über die FI-Schutzschalter trennbar ist, einen Schutzleiter, der mit der Fahrzeugmasse verbindbar ist, sowie Mittel zur permanenten Schutzleiterfunktionsüberwachung während eines Ladevorganges, wobei das Mittel derart ausgestaltet ist, dass bei Beeinträchtigung der Schutzleiterfunktion die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegerätes auslösbar sind, und Mittel zur Isolationsüberwachung des Fahrzeughochvoltnetzes und des Ladegerätes vor dem Start eines Ladevorganges, dass bei Detektion eines Isolationsfehlers die Batterietrennvorrichtung der Hochvoltbatterie und die Netztrennvorrichtung des Ladegerätes auslösbar sind.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Leistungsschaltermodul sowie eine Batterieeinheit, insbesondere zum Einsatz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, zu schaffen, mittels derer die Qualität von Isolationsfehlermessungen verbessert werden kann.
Hierzu umfasst das Leistungsschaltermodul mindestens einen Leistungsschalter und mindestens einen ersten Verbinder zur elektrischen Verbindung mit einem Traktionsnetz. Durch die Zusammenfassung und bauliche Integration von Leistungsschalter und Verbinder in einem Bauteil lässt sich ein Isolationsfehler örtlich besser eingrenzen. Aufgrund einer Isolationsmessung lässt sich bestimmen, ob ein Fehler vor oder hinter dem Leistungsschalter ist. Da der Verbinder an der räumlichen Außengrenze einer Batterieeinheit angeordnet ist und der Leistungsschalter unmittelbar am Verbinder im Leistungsschaltermodul angeordnet ist, kann der Fehler einfacher örtlich bestimmt werden, nämlich ob dieser innerhalb oder außerhalb der Batterieeinheit ist. Dies vereinfacht die Fehlersuche erheblich. Ein weiterer Vorteil der baulichen Integration von Leistungsschalter und Verbinder ist die reduzierte Anzahl von Verbindungen bei der Montage. Dies erspart Montagezeit und reduziert Fehlerquellen aufgrund fehlerhafter Verbindungen. Die bauliche Integration im Leistungsschaltermodul kann dabei derart erfolgen, dass die Bauelemente auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder einen gemeinsamen Träger angeordnet und miteinander verbunden sind und gegebenenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsschaltermodul mit mindestens einem weiteren Verbinder zur elektrischen Verbindung mit den Batteriezellen bzw. der Batterie ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind der mindestens eine erste Verbinder und/oder der mindestens eine weitere Verbinder als elektrische Steckverbinder ausgebildet, mittels derer einfach, schnell und zuverlässig eine elektrische Verbindung herstellbar ist.
Dabei kann das Leistungsschaltermodul in einer Ausführungsform nur in der Plusleitung der Batterieeinheit angeordnet sein. Soll hingegen eine allpolige Trennung möglich sein, so kann sowohl in der Plus- als auch in der Minusleitung jeweils ein Leistungsschaltermodul angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Leistungsschaltermodul mindestens einen weiteren Leistungsschalter mit einem weiteren ersten und/oder zweiten Verbinder. Somit kann mit einem einzigen Leistungsschaltermodul eine allpolige Trennung realisiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu dem Leistungsschalter mindestens ein weiterer Leistungsschalter angeordnet. Über diesen kann dann eine Vorsteuerung erfolgen, so dass der erste Leistungsschalter möglichst potentialfrei geschaltet werden kann.
Vorzugsweise ist dieser weitere Leistungsschalter als Relais mit Vorladewiderstand oder als Relais mit einem Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet, beispielsweise einem MOSFET oder einem IGBT. Über den Leistungshalbleiter kann dabei der Strom gesteuert werden, wobei über das Relais nach erfolgter Vorladung eine galvanische Trennung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zur Reihenschaltung von Relais und Leistungshalbleiterbauelementen eine weitere Reihenschaltung von Relais mit einem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet. Diese Verschaltung kommt insbesondere bei IGBTs zur Anwendung, da diese im Inversbetrieb kein ausreichendes Sperrvermögen aufweisen. Zusätzlich können dabei in den Reihenschaltungen in Sperrrichtung gepolte Dioden angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Leistungsschalter als Relais ausgebildet, wodurch eine galvanische Trennung sichergestellt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Verschaltung von Leistungsschaltermodulen in einer ersten Ausführungsform.
2 eine schematische Verschaltung eines Leistungsschaltermoduls in einer zweiten Ausführungsform,
3 ein Leistungsschaltermodul einer dritten Ausführungsform.
4 ein Leistungsschaltermodul einer vierten Ausführungsform und
5 eine schematische Verschaltung eines Traktionsnetzes mit einer Batterie (Stand der Technik).
Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll anhand von 5 kurz der Stand der Technik erläutert werden.
Ein Traktionsnetz 100 ist mit einer Batterieeinheit 50 verbunden. Die Batterieeinheit 50 umfasst eine Batterie 20, die sich üblicherweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen zusammensetzt, die seriell und/oder parallel verschaltet sind. Ein Pluspol 21 der Batterie 20 ist über einen ersten Leistungsschalter 22 mit einem ersten Verbinder 23 verbunden. Der Leistungsschalter 22 ist dabei als Relais dargestellt. Entsprechend ist ein Minuspol 24 über einen zweiten Leistungsschalter 25 mit einem zweiten Verbinder 26 verbunden. Die Verbinder 23, 26 sind an den räumlichen Außengrenzen der Batterieeinheit 50 angeordnet und sind beispielsweise Steckverbinder. Mittels Leitungen 27, 28 ist dann das Traktionsnetz 100 mit der Batterieeinheit 50 verbunden, wobei die Leitungen 27, 28 mit entsprechenden Gegenverbindern für die Verbinder 23, 26 ausgebildet sind. Der erste Leistungsschalter 22 ist dabei räumlich vom Verbinder 23 getrennt. Gleiches gilt für den zweiten Leistungsschalter 25 und den Verbinder 26. Wird nun bei einer Isolationswiderstandsmessung über die Leitung 27, 28 in die Batterieeinheit 50 gemessen, wobei die Leistungsschalter 22, 25 offen sind, so kann im Kurzschlussfall nicht unterschieden werden, ob der Fehler außerhalb der Batterieeinheit 50 liegt oder innerhalb der Batterieeinheit 50 zwischen den Verbindern 23, 26 und den Leistungsschaltern 22, 25.
In der 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform gemäß 5 ist, dass der erste Leistungsschalter 22 und der erste Verbinder 23 zu einem Leistungsschaltermodul 1 zusammengefasst sind. Diese bilden eine kompakte bauliche Einheit. Das Leistungsschaltermodul 1 umfasst einen zweiten Verbinder 29, der vorzugsweise als Steckverbinder ausgebildet ist, um das Leistungsschaltermodul 1 mit dem Pluspol 21 der Batterie 20 zu verbinden. Die Elemente 22, 23, 29 des Leistungsschaltermoduls 1 sind dabei vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, wobei das Leistungsschaltermodul 1 weiter vorzugsweise ein Gehäuse 30 umfasst. Entsprechend sind der zweite Leistungsschalter 25, der erste Verbinder 26 zu einem weiteren Leistungsschaltermodul 1 zusammengefasst. Auch das weitere Leistungsschaltermodul 1 umfasst einen zweiten Verbinder 31, um das Leistungsschaltermodul 1 mit dem Minuspol 24 der Batterie 20 zu verbinden. Durch die räumliche Zuordnung der Leistungsschalter 22, 25 zu den Verbindern 23, 26 kann im Falle eines Isolationswiderstandsfehlers genauer unterschieden werden, ob der Kurzschluss innerhalb oder außerhalb der Batterieeinheit 50 liegt. Ein weiterer Vorteil der kompakten Leistungsschaltermodule 1 ist, dass die Anzahl der vorzunehmenden Verbindungen bei der Montage reduziert wird.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der anschaulich das erste und zweite Leistungsschaltermodul 1 aus 1 zu einen einzigen Leistungsschaltermodul 1 zusammengefasst sind.
In der 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt, die eine Modifikation der Ausführungsform gemäß 2 darstellt. Dabei ist parallel zum ersten Leistungsschalter 22 eine Reihenschaltung aus einem Vorladewiderstand 32 und einem weiteren Leistungsschalter 33 in Form eines Relais dargestellt. Mittels des Vorladewiderstandes 32 kann der Strom begrenzt werden und ein Potentialausgleich zwischen der Batterie 20 und dem Traktionsnetz 100 herbeigeführt werden, bevor der Leistungsschalter 23 geschlossen wird, so dass dieser quasi leistungslos schaltet. Es versteht sich, dass die Ausführungsform mit einer derartigen Reihenschaltung auch bei der Ausführungsform von 1 mit zwei Leistungsschaltermodulen 1 zum Einsatz kommen kann.
In der 4 ist schließlich eine vierte Ausführungsform dargestellt. Dabei ist die Reihenschaltung aus Vorladewiderstand 32 und Leistungsschalter 33 aus 3 ersetzt durch zwei Reihenschaltungen. Die Reihenschaltungen umfassen jeweils einen IGBT 34 bzw. 35 sowie ein Relais 36 bzw. 37. Dabei dient die Reihenschaltung mit dem IGBT 34 als Vorladestrecke beim Laden der Batterie 20 und die Reihenschaltung mit dem IGBT 35 als Vorladestrecke beim Speisen des Traktionsnetzes 100 aus der Batterie 20.
Dabei sei angemerkt, dass aus Übersichtsgründen die Steuerleitungen für die verschiedenen Leistungsschalter nicht dargestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10309347 A1 [0006]
DE 102009001962 A1 [0007]

Claims

Leistungsschaltermodul (1), insbesondere zur Verbindung von Batteriezellen bzw. einer Batterie (20) einer Batterieeinheit (50) mit einem Traktionsnetz (100) eines Kraftfahrzeuges, umfassend mindestens einen Leistungsschalter (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsschaltermodul (1) mindestens einen ersten Verbinder (23, 26) zur elektrischen Verbindung mit dem Traktionsnetz (100) umfasst.
Leistungsschaltermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsschaltermodul (1) mindestens einen zweiten Verbinder (29, 31) zur elektrischen Verbindung mit den Batteriezellen bzw. der Batterie (20) umfasst.
Leistungsschaltermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Verbinder (23, 26) und/oder der mindestens eine zweite Verbinder (29, 31) als elektrische Steckverbinder ausgebildet sind.
Leistungsschaltermodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsschaltermodul (1) mindestens einen weiteren Leistungsschalter (25) mit einem weiteren ersten und/oder zweiten Verbinder (26, 31) umfasst.
Leistungsschaltermodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Leistungsschalter (22) mindestens ein weiterer Leistungsschalter angeordnet ist.
Leistungsschaltermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er weitere Leistungsschalter als Relais (33) mit Vorladewiderstand (32) oder als Relais (36, 37) mit einem Leistungshalbleiterbauelement ausgebildet ist.
Leistungsschaltermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Reihenschaltung von Relais (36) mit dem Leistungshalbleiterbauelement eine weitere Reihenschaltung von Relais (37) mit einem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist.
Leistungsschaltermodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die weiteren Leistungsschalter als IGBTs (34, 37) ausgebildet sind.
Leistungsschaltermodul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die ersten Leistungsschalter (22) als Relais ausgebildet sind.
Batterieeinheit (50), umfassend Batteriezellen bzw. eine Batterie (20), mindestens einen Leistungsschalter (22) und mindestens einen Verbinder (23), dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (22) und der Verbinder (23) als Leistungsschaltermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.