-
Die Erfindung betrifft einen Stromkreisunterbrecher mit einer Schalteinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Stromkreis zu unterbrechen, einer Sensoreinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Wert einer Größe zu erfassen, welche einen im Stromkreis fließenden Strom charakterisiert, und einer Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Schalteinheit in Abhängigkeit des erfassten Wertes so anzusteuern, dass diese den Stromkreis unterbricht. Die Erfindung betrifft auch eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens mit einem solchen Stromkreisunterbrecher. Schließlich betrifft die Erfindung einen Kraftwagen mit einer solchen Traktionsbatterie.
-
Zum Schutz vor zu großen, schädlichen Strömen werden elektrische Systeme üblicherweise mit Sicherungen geschützt. Ein weit verbreiteter Bautyp ist die klassische Schmelzsicherung. Diese hat den Vorteil einer kontinuierlichen Auslösekennlinie. Mit zunehmender Stromstärke, verringert sich die Zeitdauer, nach der die Sicherung „durchbrennt”, also auslöst.
-
In Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden Batterien hoher Energie und Leistung eingesetzt, zum Beispiel Traktionsbatterien. Die Energie, die beispielsweise bei einem Kurzschluss einer solchen Batterie freigesetzt wird, kann gegebenenfalls große Schäden an der Batterie selbst oder anderen elektronischen Komponenten hervorrufen. Daher ist eine Absicherung gegen diese Fälle erforderlich.
-
Im Gegensatz zu Anwendungen beispielsweise in der Haustechnik sind die Komponenten eines Elektrosystems im KFZ sehr exakt dimensioniert und aufeinander abgestimmt. Deshalb ist eine versehentliche Überlast kaum möglich. Kurzschlussströme und ähnliche unerwünschte Lasten treten folglich meist nur in schwerwiegenden Fehlersituationen auf, zum Beispiel nach einem Unfall oder beim Defekt einzelner Bauteile. In bisherigen Batteriesystemen (sowie anderen Komponenten, wie zum Beispiel der Power Distribution Unit) werden Sicherungen daher als nicht austauschbares Bauteil fest in das zu schützende System integriert. Die Aufgabe der Sicherung ist hier so zu verstehen, dass diese bei schwerwiegenden Defekten (Totalausfall) dafür sorgen soll, dass kein Sekundärschaden an anderen elektronischen Komponenten eintritt.
-
Dies ist jedoch nicht immer von Vorteil, nämlich insbesondere in Situationen, in denen der abzusichernde Fehler nicht mit dem abzusichernden Bauteil in Zusammenhang steht. Im Falle eines defekten Kabelsatzes, welcher eine für sich genommen fehlerfreie Batterie kurzschließt, würde die in der Batterie integrierte Sicherung auslösen und die Batterie somit unbrauchbar machen.
-
Um diesen Fall zu vermeiden, sind rücksetzbare Sicherungssysteme sinnvoll. Eine Schmelzsicherung kann diesen Anspruch nicht erfüllen. Dagegen sind vollelektronische Sicherungen, zum Beispiel Halbleitersicherungen, bekannt. Viele dieser Systeme bieten jedoch nur rudimentäre Schaltfunktionen. Beispielsweise sind vollelektronische Sicherungen bekannt, die ohne externe Ansteuerung bei ausreichend geringen Strömen bzw. Spannungen wieder in den leitenden Zustand zurückkehren. Hierbei wird üblicherweise nicht geprüft, ob der die hohen Ströme verursachende Fehler behoben wurde.
-
1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte elektronische Sicherung 1 in schematischer Darstellung. Bei zu hohen elektrischen Strömen auf einem Leistungspfad 3 eines zwischen einem Eingang E und einem Ausgang A bestehenden Stromkreises ist dieser Stromkreis zu unterbrechen. Hierfür ist im Leistungspfad 3 eine Sensoreinheit 4 vorgesehen, welche allgemein einen Statuswert T (zum Beispiel den Wert der Stromstärke des im Leistungspfad 3 fließenden Stroms) an eine Steuereinheit 5 sendet. Die Steuereinheit 5 kann als Regler ausgebildet sein und gegebenenfalls zusätzlich von einer externen Steuerung 10 angesteuert werden. Die Steuereinheit 5 kann dann nach einer geeigneten Auswertung des Statuswerts T ein geeignetes Steuersignal S an eine Schalteinheit 2 senden, welche ebenfalls im Leistungspfad 3 vorliegt. Die Schalteinheit 2 umfasst üblicherweise einen Schalter, mithilfe dessen sich der Leistungspfad 3 elektrisch unterbrechen lässt.
-
Aus der
US 2005/0135034 A1 ist ein rücksetzbarer Stromkreisunterbrecher bekannt, bei dem der Stromfluss durch eine Leitung über einen Spannungswert erfasst wird, der Spannungswert mittels eines Komparators mit einem Referenzwert verglichen wird und abhängig von dem Vergleich ein Transistor zur Unterbrechung des Stromkreises angesteuert wird.
-
Die
US 2006/0167568 A1 beschreibt ein bidirektional schaltendes Halbleitermodul, welches als Stromkreisunterbrecher in einem Kraftwagen eingesetzt werden kann, um eine Batterie von einem elektrischen System zu trennen. Eine Kontrollvorrichtung kann den Schalter in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern steuern.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Stromkreisunterbrecher dergestalt weiter zu bilden, dass durch ihn ein zuverlässiges und dennoch rücksetzbares Unterbrechen eines Stromkreises gewährleistet ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Traktionsbatterie und einen Kraftwagen bereitzustellen, derer elektronische Komponenten durch einen Stromkreisunterbrecher besser geschützt sind.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Stromkreisunterbrecher, welcher die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, eine Traktionsbatterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
-
Ein erfindungsgemäßer Stromkreisunterbrecher umfasst eine Schalteinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Stromkreis zu unterbrechen, eine Sensoreinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Wert einer Größe zu erfassen, welche einen im Stromkreis fließenden Strom charakterisiert, und eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Schalteinheit in Abhängigkeit des erfassten Wertes so anzusteuern, dass diese den Stromkreis unterbricht. Ein erfindungsgemäßer Stromkreisunterbrecher umfasst zudem eine Selbsthalteschaltung, welche dazu ausgebildet ist, nach einer Unterbrechung des Stromkreises durch die Schalteinheit einen Schaltzustand der Schalteinheit beizubehalten bis ein Signal der Steuereinheit die Schalteinheit so ansteuert, dass diese die Stromkreisunterbrechung aufhebt.
-
Durch die Selbsthalteschaltung bleibt die Stromkreisunterbrechung auch nach Ende des Stromflusses erhalten. Zum Reaktivieren der Schaltung bzw. zum Aufheben der Unterbrechung des Stromkreises reicht es aus, die Schalteinheit über ein geeignetes Signal anzusteuern. Die Selbsthalteschaltung garantiert eine sichere Unterbrechung des Stromkreises unabhängig von momentanen Parametern, die den Stromkreis charakterisieren (zum Beispiel einem fließenden Strom oder einer anliegenden Spannung). Es besteht ein hohes Maß an Kontrolle über die Rücksetzfunktionalität.
-
Vorzugsweise ist die Schalteinheit dazu ausgebildet, den Stromkreis unabhängig von der Richtung zu unterbrechen, in der der Strom im Stromkreis fließt. Diese Ausführungsform ist insbesondere für bidirektional schaltbare Strompfade von erheblichem Vorteil.
-
Vorzugsweise umfasst der Stromkreisunterbrecher eine mit der Schalteinheit thermisch gekoppelte Wärmespeichervorrichtung. Bei der Wärmespeichervorrichtung kann es sich insbesondere um einen passiven Wärmespeicher mit hoher Wärmekapazität handeln, der es ermöglichet, kurzzeitig auftretende Leistungsspitzen abzupuffern.
-
Vorzugsweise sind die Steuereinheit und die Schalteinheit hinsichtlich der Übertragung eines Signals von der Steuereinheit an die Schalteinheit zum Steuern der Unterbrechung des Stromkreises ausschließlich über ein galvanisch entkoppelndes Signalübertragungselement verbunden. Bei dem Signalübertragungselement kann es sich in besonders bevorzugter Weise um einen Optokoppler handeln. Die Steuereinheit ist auf diese Art zuverlässig vom zu unterbrechenden Stromkreis elektrisch entkoppelt. Beschädigungen der Steuereinheit werden vermieden.
-
Eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie eines Kraftwagens umfasst einen erfindungsgemäßen Stromkreisunterbrecher.
-
Vorzugsweise umfasst die Traktionsbatterie eine Erfassungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Betriebszustand der Traktionsbatterie zu erfassen und in Abhängigkeit des Betriebszustands eine Vergleichsgröße festzulegen. Vorzugsweise umfasst die Traktionsbatterie dann auch eine Vergleichseinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Vergleichsgröße mit dem von der Sensoreinheit erfassten Wert zu vergleichen, so dass in Abhängigkeit des Vergleichs die Schalteinheit den Stromkreis unterbricht oder eine Unterbrechung des Stromkreises aufhebt. Ein von der Sensoreinheit gelieferter Messwert kann mit dem Schwellwert verglichen werden. Ist ein Schwellwertkriterium erfüllt, so kann vorgesehen sein, dass entweder eine Unterbrechung des Stromkreises erfolgt oder aufgehoben wird. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Schwellwert dynamisch an einen momentanen Betriebszustand des abzusichernden Bauteils angepasst wird.
-
Vorzugsweise umfasst die Traktionsbatterie eine Schaltungsanordnung, welche dazu ausgebildet ist, die Ladestromstärke in einem Kondensator eines Wechselrichters zum Laden der Traktionsbatterie zu begrenzen und welche den Stromkreisunterbrecher umfasst. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Stromkreisunterbrecher ohne weitere Veränderungen einen so genannten Vorladekreis ersetzt. Der Vorladekreis ist normalerweise eine separat ausgeführte Schaltung, die dem sicheren, strombegrenzten Laden der in Wechselrichtern notwendigen Speicherkondensatoren dient. Die Ausführungsform erlaubt es, dass der Stromkreisunterbrecher dieselbe Funktionalität wie der Vorladekreis bietet, wenn durch die Steuereinheit geeignete Ansteuersignale bereitgestellt werden.
-
Ein erfindungsgemäßer Kraftwagen umfasst eine erfindungsgemäße Traktionsbatterie.
-
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Stromkreisunterbrecher dargestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Traktionsbatterie und den erfindungsgemäßen Kraftwagen.
-
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Sicherung nach dem Stand der Technik;
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Sicherung; und
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Sicherung.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
2 zeigt eine Weiterbildung der elektronischen Sicherung 1, welche in 1 dargestellt ist. Die sich so ergebende elektronische Sicherung 1 ist ein stark integriertes, auf die Anforderungen des automobilen Bereichs angepasstes Modul. Seine wesentlichen Bestandteile bzw. Merkmale sind hierbei:
- – Verwendung eines Optokopplers 7, um ein von der Steuereinheit 5 bereitgestelltes Steuersignal S(ext) galvanisch vom Leistungspfad 3 zu entkoppeln;
- – Ausnutzung eines betriebszustandsabhängigen internen Steuersignals S(int) zum Steuern des Stomflusses im Leistungspfad;
- – Generieren einer Messgröße T als Eingangsgröße für die nachfolgende Steuerlogik;
- – Verwendung von ansteuerbaren Komparatoren OP1 und OP2 zur dynamischen Schwellwertdefinition;
- – Benutzung von hochkapazitiven Wärmespeichern ohne aktive Kühlung zur Pufferung der Verlustleistungsspitzen in der Nähe der Schalteinheit 2.
-
Der in 2 dargestellte Schaltkreis zeigt eine elektronische Sicherung 1, die hinsichtlich ihrer Minimalfunktion mit Bidirektionalität, Überbrückungsrelais R und Schwellwertschalter ergänzt ist. Ein Optokoppler 7 trennt das Signal S(ext), das von einer externen Steuereinheit 10 bereitgestellt ist, galvanisch von S(int). Mit dem Steuersignal S(int) werden die Leistungsschalter T3 und T4 der Schalteinheit 2 geschaltet. Die Leistungsschalter T3 und T4 in Kombination mit den Dioden DF sind seriell mit gegenläufiger Richtung verschaltet, um bidirektionale Spannungen bzw. Ströme sperren bzw. leiten zu können.
-
Ferner besitzt die Schalteinheit 2 ein Relais R als optionale Überbrückung der mit geringen Verlusten behafteten Bauteile T4 und T3. Das Relais kann also die Durchlasswiderstände senken.
-
Der über die Schalteinheit 2 bzw. den Leistungspfad 3 fließende Strom I wird über einen Shunt-Widerstand oder den dargestellten Hall-Sensor RH gemessen. Der Strom I wird über eine geeignete Schaltung, zum Beispiel einen Fensterkomparator oder die dargestellte Schaltung aus zwei Komparatoren OP1 und OP2, in ein Ansteuersignal der Selbsthalteschaltung 6 (mit den Schaltern T1 und T2) überführt.
-
Überschreitet der Betrag des Stroms I durch den Hall-Sensor RH einen Grenzwert, werden die Schalter T1 und T2 bzw. die Selbsthalteschaltung 6 derart aktiviert, dass der Ausgang des Optokopplers 7 auf Massepotential kurzgeschlossen wird. Auf diese Weise wird die Ansteuerung der Leistungsschalter T3 und T4 unterbrochen und damit auch der Strom im Leistungspfad 3. Da die Schalter T1 und T2 zu der Selbsthalteschaltung 6 kombiniert wurden, bleibt diese Sperre auch nach Ende des Stroms im Leistungspfad 3 erhalten. Zum Reaktivieren der Schaltung reicht es aus, das Steuersignal S(ext) kurzzeitig zu unterbrechen.
-
Als weitere Bauelemente im Schaltkreis der 2 sind vorgesehen: eine Spannungsquelle 9, Widerstände R1 und R3, ein Kondensator C1, eine Diode D1 sowie die durch die Komparatoren OP1 und OP2 gebildete Komparatorschaltung 8. Zur dynamischen Schwellwertanpassung kann der Komparatorschaltung 8 von einer Steuereinheit 10 (z. B. Motorsteuergerät) ein Schwellwert W bereitgestellt werden, welcher mit dem vom Hall-Sensor RH gelieferten Strommesswert verglichen wird.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektronischen Sicherung 1 mit reduzierter Bauteilzahl ist in 3 dargestellt. Während in 2 der Eingang E sowie der Ausgang A bidirektional ausgeführt sind, ermöglicht die Schaltung der 3 lediglich die Unterbrechung unipolarer Ströme bzw. Spannungen. Jedoch wird diese Ausführungsform dem Kernanspruch einer bauteiloptimierten Schaltung noch besser gerecht. Intern ist nunmehr die Schalteinheit 2 dergestalt modifiziert, dass sie lediglich den Leistungsschalter T3 umfasst. Gegenüber der 2 ist auch die Sensoreinheit 4 erheblich modifiziert. Statt des Hall-Sensors RH und der Komparatorschaltung 8 umfasst sie nunmehr zwei einfache Widerstände R2 und RS. Hierdurch wird eine kostengünstige Vereinfachung erreicht.
-
Als weitere Verbesserung mit dem Ziel der Komplexitätssenkung ist die Nutzung eines passiven Wärmespeichers mit hoher Wärmekapazität (zum Beispiel ein verkapseltes Wasserreservoir) zur Pufferung der am Leistungsschalter T3 bzw. T4 abfallenden Abwärme vorgesehen. Hierzu eignen sich beispielsweise isoliert gekapselte Wasservolumen, welche elektrisch neutral direkt an die Kühlfläche des Leistungsschalters T3 bzw. T4 angebracht werden können. Durch diese Konstellation ist es möglich, kurzzeitige Leistungsspitzen abzupuffern, ohne das System an eine kontinuierliche Kühlung anschließen zu müssen.
-
Die elektronische Sicherung 1 ersetzt beispielsweise eine klassische Schmelzsicherung in einer Traktionsbatterie eines Kraftwagens. Sie hat den Vorteil, dass sie nach dem „Durchbrennen” zum Beispiel durch ein Motorsteuergerät wieder reaktiviert werden kann, wenn die Fehlerursache für einen zu hohen Strom behoben wurde. Sie hat damit eine rücksetzbare Funktionalität und ist optional mit weiteren Funktionen ausstattbar. Die vorgeschlagene Lösung reduziert im Vergleich zu marktüblichen Systemen die Bauteilzahl auf ein Minimum und fügt weitere, insbesondere für den Automobilbau wichtige Elemente hinzu. Die elektronische Sicherung 1 ist gegenüber Schadmechanismen, insbesondere gegenüber Alterungseinflüssen, robuster als klassische Schmelzsicherungen. Bei sinnvoller Auslegung und Ansteuerung kann sie darüber hinaus weitere, teure Komponenten wie Hochlastschütze und einen Vorladekreis ohne Extrakosten entlasten oder gar ersetzen. Durch geschickte Zusatzbeschaltung sind weitere Funktionen zu minimalen Mehrkosten implementierbar. Gegenüber einer Schmelzsicherung besteht weiterhin der Vorteil, dass der aus elektrischer Sicht kritische Teil (die als geometrische Verjüngung ausgeprägte Sollschmelzposition) nicht gleichzeitig als mechanische Schwachstelle ausgeprägt ist. Darüber hinaus besteht ein sicherheitsrelevanter Vorteil in der Ansprechgeschwindigkeit und damit auch in der während der Ansprechphase umgesetzten Schaltenergie.
-
Das Relais R wird in Sonderanwendungen benötigt, ist aber für die Funktion der Sicherung irrelevant. 10' kennzeichnet einen optionalen zusätzlichen Regelpfad.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- elektronische Sicherung
- 2
- Schalteinheit
- 3
- Leistungspfad
- 4
- Sensoreinheit
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Selbsthalteschaltung
- 7
- Optokoppler
- 8
- Komparatorschaltung
- 9
- Spannungsquelle
- 10
- externe Steuerung
- 10'
- optionaler zusätzlicher Regelpfad
- R1, R2, R3, RS
- Widerstand
- RH
- Hall-Sensor
- OP1, OP2
- Komparator
- T1, T2
- Schalter
- T3, T4
- Leistungsschalter
- C1
- Kondensator
- DF
- Diode
- D1
- Diode
- R
- Relais
- E
- Eingang
- A
- Ausgang
- S, S (ext), S(int)
- Steuersignal
- T
- Statuswert
- W
- Schwellwert
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2005/0135034 A1 [0008]
- US 2006/0167568 A1 [0009]
