DE102012017673A1

DE102012017673A1 - Circuit device for coupling high voltage (HV) battery with vehicle network e.g. hybrid vehicle network, has power electronic switch that is connected in series with relay for power interruption between HV battery and vehicle network

Info

Publication number: DE102012017673A1
Application number: DE102012017673A
Authority: DE
Inventors: Sascha Schulte; Hartung Wilstermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-06-06

Abstract

The circuit device (10) has a relay (14a) and a power electronic switch (16). The power electronic switch is connected in series with the relay for power interruption between the HV battery (12) and vehicle network. The power electronic switch is selected from insulated gate bipolar transistor (IGBT), FET, gate turn-off thyristor (GTO) and MOSFET. The HV battery is connected with vehicle network through relays (14a,14b).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for coupling a HV battery with a vehicle network according to the preamble of patent claim 1.

Die DE 10 2008 013 706 A1 beschreibt eine Ladeschaltung und ein Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator, der einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist. Der Zwischenkreiskondensator kann über zwei Schütze mit einer Batterie verbunden werden. Dabei ist einem der Schütze eine Vorladeschaltung parallel geschaltet, die eine Stromquelle oder einen linear betriebenen Halbleiter und einen Schalter umfasst, der als Relais oder Halbleiter ausgebildet sein kann. Die Stromquelle kann dabei mit einer Zeitverzögerung mittels des Schalters schaltbar sein.The DE 10 2008 013 706 A1 describes a charging circuit and a charging method for a link capacitor, which is connected upstream of a converter in a hybrid vehicle. The DC link capacitor can be connected to a battery via two contactors. In this case, one of the contactors a precharge circuit is connected in parallel, which comprises a current source or a linearly operated semiconductor and a switch which may be formed as a relay or semiconductor. The current source can be switched with a time delay by means of the switch.

Im Allgemeinen dienen Schütze in HV-Batterien zwei Zielen, zum einen dienen sie der galvanischen Trennung der Zellen von der Außenwelt und zum anderen der Unterbrechung unerwünschter Ströme. Somit müssen Schütze sehr robust ausgelegt sein, was den Nachteil hat, dass sie demzufolge in ihrer Dimensionierung relativ groß sind.In general, contactors in HV batteries serve two purposes; on the one hand, they serve to galvanically separate the cells from the outside world and, on the other hand, to interrupt unwanted currents. Thus, shooters must be designed very robust, which has the disadvantage that they are therefore relatively large in their dimensions.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz bereitzustellen, die kompakter ausgestaltet werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a circuit arrangement for coupling a HV battery to a vehicle network, which can be made more compact.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a circuit arrangement having the features of patent claim 1.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugnetz umfasst einen ersten Schütz, zu welchem ein leistungselektronischer Schalter in Reihe geschaltet ist. Der leistungselektronische Schalter ist dabei zur Stromunterbrechung zwischen der HV-Batterie und dem Fahrzeugnetz ausgelegt. Der leistungselektronische Schalter kann dabei beispielsweise als IGBT, GTO, FET oder MOSFET ausgebildet sein.The inventive circuit arrangement for coupling a HV battery of a vehicle with a vehicle network comprises a first contactor, to which a power electronic switch is connected in series. The power electronic switch is designed for power interruption between the HV battery and the vehicle network. The power electronic switch can be designed, for example, as IGBT, GTO, FET or MOSFET.

Die Stromunterbrechung erfordert eine sehr viel robustere Konstruktion als es die galvanische Trennung erfordern würde. Bei einem Einsatz eines leistungselektronischen Schalters, wie beispielsweise eines Halbleiterelements, z. B. ein FET oder MOSFET, in Serie zum mechanischen Schütz (hier „erster Schütz”) kann der leistungselektronischen Schalter die Unterbrechung der unerwünschten Ströme sehr effizient übernehmen. Dies hat den besonders großen Vorteil, dass der erste Schütz somit deutlich kleiner dimensioniert werden kann, da er nur noch lastfrei schalten muss und ausschließlich der galvanischen Trennung dient. Der leistungselektronischen Schalter zusammen mit dem ersten Schütz ist darüber hinaus ebenfalls deutlich kleiner als die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Hauptschütze. So wird durch die Kombination eines ersten Schützes und eines leistungselektronischen Schalters eine wesentlich kompaktere Anordnung ermöglicht.The power interruption requires a much more robust design than galvanic isolation would require. When using a power electronic switch, such as a semiconductor element, for. As a FET or MOSFET, in series with the mechanical contactor (here "first contactor"), the power electronic switch can take the interruption of unwanted currents very efficient. This has the particularly great advantage that the first contactor can thus be dimensioned significantly smaller, since it only has to switch load-free and is used exclusively for galvanic isolation. In addition, the power electronic switch together with the first contactor is also significantly smaller than the main contactors commonly used in the art. Thus, a much more compact arrangement is made possible by the combination of a first contactor and a power electronic switch.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die HV-Batterie über den ersten Schütz und einen zweiten Schütz mit dem Fahrzeugnetz koppelbar. So steht eine äußerst platzsparende Möglichkeit bereit eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz in ein Fahrzeug zu integrieren.In a preferred embodiment of the invention, the HV battery via the first contactor and a second contactor with the vehicle network can be coupled. Thus, an extremely space-saving option is available to integrate a circuit arrangement for coupling a HV battery with a vehicle network in a vehicle.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der leistungselektronische Schalter, wie beispielsweise ein FET oder MOSFET dazu ausgelegt, einen Einschaltstrom zu begrenzen. Da das Fahrzeugnetz üblicherweise eine Pufferkapazität umfasst, entstehen beim Koppeln der HV-Batterie mit dem Fahrzeugnetz hohe Einschaltströme, die exponentiell in der Zeit abfallen, bis die Pufferkapazität geladen ist. Durch das Vorsehen eines Feldeffekttransistors oder MOSFET in Serie mit dem ersten Schütz können so Einschaltströme begrenzt werden, die so eine erlaubte Stromstärke nicht überschreiten. Darüber hinaus kann vorteilhafterweise durch den Feldeffekttransistor oder MOSFET eine zeitlich konstante Stromstärke des Ladestroms bereitgestellt werden, wodurch sich die Ladezeit des der Pufferkapazität verkürzt. Somit kann der Feldeffekttransistor oder MOSFET nicht nur zur Unterbrechung unerwünschter Ströme genutzt werden, sondern gleichzeitig auch als Einschaltbegrenzer, welcher auch ein lastfreies Schalten der Schütze erlaubt und erst nach erfolgreichem Kontaktieren den Stromkreis schließt.In an advantageous embodiment of the invention, the power electronic switch, such as a FET or MOSFET is designed to limit an inrush current. Since the vehicle network usually comprises a buffer capacity, when the HV battery is connected to the vehicle network, high inrush currents occur, which decrease exponentially in time until the buffer capacity is charged. By providing a field effect transistor or MOSFET in series with the first contactor so inrush currents can be limited, which do not exceed such a permitted current. In addition, a temporally constant current intensity of the charging current can advantageously be provided by the field effect transistor or MOSFET, whereby the charging time of the buffer capacity is shortened. Thus, the field effect transistor or MOSFET can be used not only to interrupt unwanted currents, but at the same time as a Einschaltbegrenzer, which also allows a load-free switching of the contactors and only after successful contact closes the circuit.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schaltungsanordnung als Modul ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist dabei die Integration des geschrumpften ersten Schützes mit dem leistungselektronischen Schalter in ein gemeinsames Gehäuse. Gleichzeitig können auch die nach außen geführten Steuerleitungen minimiert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the circuit arrangement is designed as a module. Particularly advantageous is the integration of the shrunken first contactor with the power electronic switch in a common housing. At the same time, the externally routed control lines can be minimized.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Dabei zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 zum Koppeln einer HV-Batterie 12 eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugnetz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die HV-Batterie 12 ist dabei über einen ersten Schütz 14a und einen zweiten Schütz 14b mit einer externen Last, insbesondere dem Fahrzeugnetz, über dafür vorgesehene Anschlüsse 15a und 15b koppelbar. Erfindungsgemäß ist nun in Reihe mit dem ersten Schütz 14a ein leistungselektronischer Schalter, der als Feldeffekttransistor 16 oder auch als MOSFET ausgebildet sein kann, geschaltet. Dieser dient primär zur Stromunterbrechung, insbesondere zwischen der HV-Batterie 12 und dem Fahrzeugnetz, so dass der erste Schütz 14a lediglich der galvanischen Trennung der Zellen von der Außenwelt dient. Der Schütz 14a kann somit deutlich kleiner dimensioniert werden, was eine erhebliche Platzersparnis bei der Integration in ein Fahrzeug mit sich bringt. Darüber hinaus wird dadurch auch eine Integration des ersten Schützes 14a und des Feldeffekttransistors 16 in ein gemeinsames Modul 18 ermöglicht, bevorzug in ein gemeinsames Gehäuse, was eine besonders kompakte Anordnungsmöglichkeit darstellt.It shows 1 a schematic representation of a circuit arrangement 10 for coupling a HV battery 12 a vehicle having a vehicle network according to an embodiment of the invention. The HV battery 12 is about a first contactor 14a and a second contactor 14b with an external load, in particular the vehicle network, via connections provided for this purpose 15a and 15b coupled. According to the invention is now in series with the first contactor 14a a power electronic switch acting as a field effect transistor 16 or may be formed as a MOSFET, connected. This is primarily used for power interruption, especially between the HV battery 12 and the vehicle network, leaving the first contactor 14a only the galvanic separation of cells from the outside world is used. The contactor 14a can thus be significantly smaller dimensions, which brings a significant space savings in the integration into a vehicle. In addition, this also means an integration of the first contactor 14a and the field effect transistor 16 into a common module 18 allows, Favor in a common housing, which is a particularly compact arrangement possibility.

Aus der Verwendung eines Feldeffekttransistors 16, ergeben sich darüber hinaus noch weitere Vorteile. Dieser kann nämlich gleichzeitig auch als Einschaltstrombegrenzer fungieren, welcher ein lastfreies Einschalten der Schütze 14a und 14b erlaubt. Zusätzlich kann bei Berücksichtung des sogenannten Abschnüreffekts des Feldeffekttransistors 16 diese Topologie auf vorteilhafte Wiese zur Kurzschlussstrombegrenzung genutzt werden.From the use of a field effect transistor 16 In addition, there are other advantages. This can namely also act as Einschaltstrombegrenzer at the same time, which a load-free switching on the contactors 14a and 14b allowed. In addition, in consideration of the so-called Abschnüstricheffekt of the field effect transistor 16 this topology can be used on an advantageous basis for short-circuit current limitation.

Insgesamt wird so eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer HV-Batterie eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugnetz bereitgestellt, die eine äußerst kompakte Anordnung ermöglicht durch die Verwendung eines in Serie zu einem Schütz geschalteten leistungselektronischen Schalters, der die Aufgabe der Unterbrechung unerwünschter Ströme übernimmt. Gleichzeitig ermöglicht diese Anordnung auch die Verwendung eines Feldeffekttransistors oder MOSFETs zur Einschalt- und Kurzschlussstrombegrenzung.Overall, such a circuit arrangement is provided for coupling a HV battery of a vehicle with a vehicle network, which allows an extremely compact arrangement by using a series-connected to a contactor power electronic switch, which takes on the task of interrupting unwanted currents. At the same time, this arrangement also allows the use of a field effect transistor or MOSFETs for turn-on and short-circuit current limiting.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008013706 A1 [0002]

Claims

Circuit arrangement ( 10 ) for coupling an HV battery ( 12 ) of a vehicle having a vehicle network, comprising a first contactor ( 14a ), characterized in that a power electronic switch ( 16 ) in series with the first contactor ( 14a ) and the power interruption between the HV battery ( 12 ) and the vehicle network is designed.

Circuit arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the power electronic switch is designed as an IGBT, GTO, field effect transistor or MOSFET.

Circuit arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the HV battery ( 12 ) over the first contactor ( 14a ) and a second contactor ( 14b ) can be coupled to the vehicle network.

Circuit arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronic switch ( 16 ) is designed to limit an inrush current.

Circuit arrangement ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement ( 10 ) as a module ( 18 ) is trained.