DE102012214835A1 - Pyrotechnic switch for battery of battery system used in motor car, has electronic circuit whose control output end is connected with electrically activated pyrotechnic igniter while control input end is connected with shunt - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Schalter für ein Kraftfahrzeug-Batteriesystem und eine Batterie mit einem pyrotechnischen Schalter sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines pyrotechnischen Schalters, das eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Schaltzeiten ermöglicht.The present invention relates to a pyrotechnic switch for a motor vehicle battery system and a battery with a pyrotechnic switch and a method for driving a pyrotechnic switch, which allows high reliability and low switching times.
Stand der TechnikState of the art
In PKW-Lithium-Ionen-Batterien werden zum Trennen von hohen Strömen Schmelzsicherungen und Schütze verwendet. Bei einem Kurzschluss mit sehr hohen Strömen löst die Sicherung nach einigen Millisekunden aus, jedoch dürfen die Schütze diesen sehr hohen Strom nicht trennen, weil durch einen Lichtbogen im Schütz die interne Kammer zerstört werden würde. In car lithium-ion batteries, fuses and contactors are used to separate high currents. In the event of a short circuit with very high currents, the fuse triggers after a few milliseconds, but the contactors must not separate this very high current because an arc in the contactor would destroy the internal chamber.
Somit fließt ein hoher, aber nicht sehr hoher Kurzschluss-Strom so lange, bis die Sicherung als passives Bauelement genügend Wärme entwickelt hat, dass im Inneren das Schmelzelement schmilzt und dadurch der Strom getrennt wird. Bei niedrigen Strömen (einige hundert Ampere) benötigt die Sicherung viel Zeit, um genügend Schmelz-Wärme zu entwickeln, und trennt somit den Strom nicht innerhalb einer akzeptablen Zeit. In diesem Fall sind die Schütze nötig, um den Strom so zeitnah wie möglich zu trennen. Thus, a high, but not very high short-circuit current flows until the fuse has developed enough heat as a passive component, that melts inside the melting element and thereby the power is disconnected. At low currents (a few hundred amps), the fuse takes a long time to develop enough melt heat, and thus does not disconnect the current within an acceptable time. In this case, the contactors are necessary to disconnect the current as soon as possible.
Eine Strommessung erfolgt in vielen Hochvolt-Speichersystemen bis lediglich etwa 300 bis 800 Ampere, so dass oberhalb dieser Werte keine Information über den aktuell fließenden (Kurzschluss-)Strom vorhanden ist. Wenn also der maximale Kurzschluss-Strom anliegt und die Relais geöffnet werden, bevor die Sicherung ausgelöst hat, werden somit die Relais zerstört und die Batterie kann nicht mehr allpolig getrennt werden. A current measurement takes place in many high-voltage storage systems to only about 300 to 800 amps, so that above these values, no information about the current flowing (short-circuit) current is present. Thus, if the maximum short-circuit current is present and the relays are opened before the fuse has tripped, the relays are destroyed and the battery can no longer be disconnected on all poles.
Bei 12 Volt Systemen werden pyrotechnische Sicherungen eingesetzt, die bei einem Unfall über das Airbagsteuergerät aktiviert werden. Intern befindet sich in der Sicherung ein Treibsatz, der explodiert, sobald ein bestimmter Strom durch die Ansteuerleitungen der Sicherung fließt. 12 volt systems use pyrotechnic fuses, which are activated in an accident via the airbag control unit. Internally, there is a propellant in the fuse, which explodes as soon as a certain current flows through the control lines of the fuse.
Durch die Explosion wird die Stromschiene in der Sicherung getrennt und der Strom wird dann unterbrochen. Da jedoch bisher eine externe Aktivierung des Sprengkörpers erforderlich ist, kann gerade bei Ausfall der aktiven Ansteuerungs-Elektronik keine Trennung mehr erfolgen, was nicht der Fall wäre, wenn ausschließlich passive elektrische Bauelemente zum Einsatz kämen, die pyrotechnische Sicherung auszulösen. Due to the explosion, the busbar in the fuse is disconnected and the current is interrupted. However, since so far an external activation of the explosive device is required, especially in case of failure of the active control electronics no separation can take place, which would not be the case if only passive electrical components would be used to trigger the pyrotechnic fuse.
Als Alternative zur Sicherung hat der pyrotechnische Schalter den Vorteil, dass er nicht altert oder versehentlich auslöst. Der Nachteil ist, dass der Schalter separat angesteuert werden muss und nicht autonom schaltet. As an alternative to securing the pyrotechnic switch has the advantage that it does not age or accidentally triggers. The disadvantage is that the switch must be controlled separately and does not switch autonomously.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein pyrotechnischer Schalter für ein Kraftfahrzeug-Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welcher einen ersten elektrischen Anschluss zum Kontaktieren mit einer Stromquelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie; einen zweiten elektrischen Anschluss zum Kontaktieren eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugantrieb; einen dritten elektrischen Anschluss zur Versorgung einer elektronischen Schaltung mit einer ersten Referenzspannung, vorzugsweise Masse; einen Schaltstrompfad, welcher den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet und ausgebildet ist, einen zu schaltenden, vorzugsweise den Antrieb des Kraftfahrzeugs versorgenden, Versorgungsstrom zu führen; einen Shunt, welcher seriell in den Schaltstrompfad eingebunden ist; ein elektrisch leitendes Schaltelement, vorzugsweise Schütz, welches seriell in den Schaltstrompfad eingebunden und ausgebildet ist, den Schaltstrompfad elektrisch zu trennen; und einen elektrisch aktivierbaren pyrotechnischen Zünder, welcher ausgebildet ist, das Schaltelement zum Trennen des Schaltstrompfades zu aktivieren, aufweist, wobei ein Steuerausgang der elektronischen Schaltung mit dem Zünder und ein Steuereingang der elektronischen Schaltung mit dem Shunt verbunden ist.According to the invention, a pyrotechnic switch for a motor vehicle battery system is provided, which has a first electrical connection for contacting with a power source, preferably a lithium-ion battery; a second electrical connection for contacting an electrical load, preferably a motor vehicle drive; a third electrical connection for supplying an electronic circuit with a first reference voltage, preferably ground; a switching current path which connects the first electrical connection to the second electrical connection and is designed to guide a supply current to be switched, preferably supplying the drive of the motor vehicle; a shunt which is serially integrated in the switching current path; an electrically conductive switching element, preferably contactor, which is serially integrated into the switching current path and designed to electrically disconnect the switching current path; and an electrically activatable pyrotechnic igniter configured to activate the switching element to disconnect the switching current path, wherein a control output of the electronic circuit is connected to the igniter and a control input of the electronic circuit is connected to the shunt.
Vorteil ist im Fehlerfall eine schnelle Trennung des Versorgungsstroms bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit bezüglich Fehlauslösungen, da die elektronische Schaltung zeitinvariant arbeitet und somit genau auf Anforderungen bezüglich einer Verwendung dimensioniert werden kann.The advantage in the event of a fault is a fast disconnection of the supply current with simultaneously high reliability with regard to false triggering, since the electronic circuit operates with a time-invariance and can thus be dimensioned precisely for requirements with regard to use.
In einer bevorzugten Ausführungsform des pyrotechnischen Schalters ist der Steuereingang der elektronischen Schaltung kapazitiv mit dem Shunt verbunden.In a preferred embodiment of the pyrotechnic switch, the control input of the electronic circuit is capacitively connected to the shunt.
Ein daraus resultierender Vorteil ist das Trennen eines Gleichspannungsanteils vom Wechselanteil einer Versorgungsspannung, weil dadurch insbesondere im Fehlerfall relevante kleine elektrische Werte genauer und preiswerter elektronisch erfasst werden können.A resulting advantage is the separation of a DC voltage component from the alternating component of a supply voltage, because in this way, in particular in the event of a fault, relevant small electrical values can be detected more accurately and more cheaply electronically.
Bevorzugterweise umfasst die elektronische Schaltung des pyrotechnischen Schalters einen Operationsverstärker.Preferably, the electronic circuit of the pyrotechnic switch comprises an operational amplifier.
Ein Vorteil ist die Möglichkeit, ein Differenzsignal auszuwerten ungeachtet einer gegebenenfalls gleich gesinnten Offsetspannung. One advantage is the ability to evaluate a difference signal regardless of an optionally equal offset voltage.
Auch ist als weitere Variante des pyrotechnischen Schalters bevorzugt, dass ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers kapazitiv mit einem ersten Pol des Shunts und ein nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers kapazitiv mit einem zweiten Pol des Shunts verbunden ist.It is also preferred as a further variant of the pyrotechnic switch that an inverting input of the operational amplifier is capacitively connected to a first pole of the shunt and a non-inverting input of the operational amplifier capacitively connected to a second pole of the shunt.
Diese Variante bringt den Vorteil mit, dass kleine, differentielle, elektrische Größen als Differenz verarbeitet werden können, welche der Entstehung nach ebenfalls eine Differenz, eine Potentialdifferenz, sind.This variant has the advantage that small, differential, electrical quantities can be processed as a difference, which are also a difference, a potential difference, according to their origin.
Auch ist es bevorzugt, dass mindestens ein Ladungsspeicher mit mindestens einem Spannungsteiler verbunden ist, um eine mindestens zweite Referenzspannung zu erzeugen.It is also preferable for at least one charge store to be connected to at least one voltage divider in order to generate an at least second reference voltage.
Vorteilhaft daran ist, dass die Stabilität der Referenzspannung auch dann gewährleistet werden kann, wenn im Fehlerfall die Spannung einer zentralen Spannungsversorgung, vorzugsweise die Versorgung des Fahrzeugantriebs, einbricht.The advantage of this is that the stability of the reference voltage can be ensured even if, in the event of a fault, the voltage of a central power supply, preferably the supply of the vehicle drive, breaks down.
In einer besonders bevorzugten Variante ist der Steuereingang der elektronischen Schaltung mit der zweiten Referenzspannung verbunden.In a particularly preferred variant, the control input of the electronic circuit is connected to the second reference voltage.
Ein dadurch erreichter Vorteil ist die Möglichkeit, durch geeignete Auslegung der Referenzspannung ein optimales Schaltverhalten zu erzielen.An advantage achieved thereby is the possibility of achieving an optimal switching behavior by suitable design of the reference voltage.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig mit der zweiten Referenzspannung und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig mit einer dritten Referenzspannung verbunden.In a preferred embodiment of the invention, the inverting input of the operational amplifier is DC-connected to the second reference voltage and the non-inverting input of the operational amplifier DC voltage connected to a third reference voltage.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Möglichkeit, jeden Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig derart vorzuspannen, dass im Normalfall der Zünder nicht aktiviert wird, sondern der Zünder erst bei einer Stärke des entgegen der Vorspannung gerichteten differentiellen Anteils, welcher mindestens so groß ist wie der entgegen gespannte Gleichanteil, auslöst. Dies schafft Präzision und Sicherheit, insbesondere gegenüber harmlosen Schwankungen im Wirkbereich der Stromversorgung.The advantage of this embodiment is the ability to bias each input of the operational amplifier DC voltage such that normally the detonator is not activated, but the detonator only at a strength of directed against the bias differential component, which is at least as large as the oppositely biased DC component , triggers. This creates precision and safety, especially against harmless fluctuations in the effective range of the power supply.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elektronische Schaltung, der Zünder und der oder ein weiterer Ladungsspeicher, welcher mit einem Eingang zur Versorgung mit Betriebsenergie der elektronischen Schaltung verbunden ist, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse vorzugsweise ein Volumen kleiner als 100 Liter, bevorzugt kleiner als 50 Liter, noch bevorzugter kleiner als 20 Liter, weiterhin bevorzugt kleiner als 10 Liter, ebenfalls bevorzugt kleiner als 5 Liter, ebenfalls weiterhin bevorzugt kleiner als 2 Liter, insbesondere bevorzugt kleiner als 1 Liter und besonders bevorzugt kleiner als einen halben Liter aufweist.In a preferred embodiment of the invention, the electronic circuit, the igniter and the or another charge storage, which is connected to an input for supplying operating energy of the electronic circuit, arranged in a common housing, wherein the housing preferably has a volume less than 100 liters , preferably less than 50 liters, more preferably less than 20 liters, more preferably less than 10 liters, also preferably less than 5 liters, also preferably less than 2 liters, more preferably less than 1 liter and most preferably less than half a liter having.
Vorteilhaft dabei ist ebenfalls die erlangte Sicherheit, weil zusammengehörige Komponenten somit dicht gepackt und/oder vorzugsweise vergossen werden können, um im Schadensfall eine funktionierende Einheit zu bilden.Another advantage is the security obtained because related components can thus be densely packed and / or preferably potted in order to form a functioning unit in the event of damage.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit einem pyrotechnischen Schalter nach mindestens einer der vorgenannten Varianten offenbart, wobei die Batterie mit dem Schaltstrompfad elektrisch verbunden ist.According to a further aspect of the invention, a battery is disclosed with a pyrotechnic switch according to at least one of the aforementioned variants, wherein the battery is electrically connected to the switching current path.
Als Vorteil erweist sich die dadurch erzielte Sicherheit beim Einsatz der erfindungsgemäßen Batterie, da der Mechanismus zum Abschalten der Spannung hierbei vorzugsweise in der Batterie integriert ist.The advantage achieved by using the battery according to the invention proves to be an advantage since the mechanism for switching off the voltage is preferably integrated in the battery in this case.
Gemäß eines zusätzlichen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines pyrotechnischen Schalters, der eine elektronische Schaltung, einen Zünder und ein elektrisch leitendes Schaltelement aufweist, offenbart mit den Schritten Ansteuern mindestens eines Steuereinganges der elektronischen Schaltung mit einer elektrischen Ist-Größe, die mit einem zu schaltenden Versorgungsstrom korrespondiert; Vergleichen der Ist-Größe mit einem vorgebbaren Grenzwert durch die elektronische Schaltung; Aktivieren des Zünders durch einen Steuerausgang der elektronischen Schaltung, sofern die Ist-Größe den Grenzwert überschreitet; Aktivieren des elektrisch leitenden Schaltelements durch den aktivierten Zünder, so dass der Versorgungsstrom getrennt wird, wobei die elektronische Schaltung mit einem Ladungsspeicher gepuffert wird.According to an additional aspect of the invention, there is disclosed a method of driving a pyrotechnic switch comprising an electronic circuit, an igniter and an electrically conductive switching element comprising the steps of driving at least one control input of the electronic circuit having an electrical actual magnitude coincident with a to be switched supply current corresponds; Comparing the actual size with a predefinable limit value by the electronic circuit; Activation of the detonator by a control output of the electronic circuit, if the actual size exceeds the limit value; Activation of the electrically conductive switching element by the activated detonator, so that the supply current is disconnected, wherein the electronic circuit is buffered with a charge storage.
Als resultierender Vorteil ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, zeitnah und unabhängig von einer gegebenenfalls in Mitleidenschaft gezogenen Versorgungsspannung, vorzugsweise die Versorgung eines Kraftfahrzeugantriebs, gefährliche Ströme und/oder Spannungen sicher trennen zu können.The resulting advantage is in particular the possibility of being able to safely disconnect dangerous currents and / or voltages in a timely manner and independently of a supply voltage which may have been affected, preferably the supply of a motor vehicle drive.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Alle Elemente im Bereich
Ein Schaltstrompfad
Ein im Bereich
Ein Widerstand R6, welcher vorzugsweise auch eine induktive Komponente besitzt, dient in Zusammenwirkung mit einem Ladungsspeicher, vorzugsweise Kondensator C1, einer Filterung und Pufferung einer Speisung zur betriebsnotwendigen Versorgung eines Operationsverstärkers OP, einer Speisung eines ersten Spannungsteilers GND, R1, K1, R2, K2 und einer Speisung eines zweiten Spannungsteilers GND, R3, K3, R4, K2. Zum einen lässt sich durch R6 oder Ausgestaltungen von R6 durch Halbleiter, Induktivität oder deren Kombination die Höhe einer Versorgungsspannung, welche über C1 anliegt, festlegen. Zum anderen schützt R6 durch seinen gegenüber dem Shunt R5 um ein Vielfaches größeren elektrischen Widerstand vor einem Entladen des Kondensators C1 und Abfallen dessen Spannung auf unterhalb einer Spannungsgrenze, welche zur betriebsgemäßen Versorgung des Operationsverstärkers OP nötig ist, wobei dieser Schutz mindestens innerhalb einer Zeit besteht, welche benötigt wird, um den Zünder P,
Der Widerstand R6 ist durch den Knoten K5 mit dem Schaltstrompfad
Der erste Spannungsteiler ist realisiert durch eine Verbindung eines Widerstands R1 mit einerseits Masse GND und andererseits dem Knoten K1 sowie durch eine Verbindung eines Widerstands R2 mit einerseits dem Knoten K1 und andererseits mit dem Knoten K2. Der zweite Spannungsteiler ist realisiert durch eine Verbindung eines Widerstands R3 mit einerseits Masse GND und andererseits dem Knoten K3 sowie durch eine Verbindung eines Widerstands R4 mit einerseits dem Knoten K3 und andererseits mit dem Knoten K2.The first voltage divider is realized by a connection of a resistor R1 on the one hand ground GND and on the other hand the node K1 and by a connection of a resistor R2 with on the one hand the node K1 and on the other hand with the node K2. The second voltage divider is realized by a connection of a resistor R3 on the one hand ground GND and on the other hand, the node K3 and by a connection of a resistor R4 with on the one hand the node K3 and on the other hand with the node K2.
Dabei ist der Widerstand R7 einerseits mit Masse GND verbunden und andererseits mit dem Knoten K3. Der Widerstand R8 ist einerseits mit dem Knoten K3 verbunden und andererseits mit dem Knoten K1. Der Widerstand R9 ist einerseits mit dem Knoten K1 verbunden und andererseits mit dem Knoten K2. In this case, the resistor R7 is connected on the one hand to ground GND and on the other hand to the node K3. The resistor R8 is connected on the one hand to the node K3 and on the other hand to the node K1. The resistor R9 is connected on the one hand to the node K1 and on the other hand to the node K2.
Diese Schaltung ist vorteilhaft, weil die Schaffung zweier Gleichanteil-Referenzspannungen (eine am invertierenden und eine andere am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers) hier mit nur drei statt mit vier Widerständen realisiert ist.This circuit is advantageous because the creation of two DC reference voltages (one at the inverting and another at the noninverting input of the operational amplifier) is realized here with only three instead of four resistors.
Ein Kondensator C4 ist mit einem Widerstand R10 parallel geschaltet, und ein Kondensator C5 ist mit einem Widerstand R11 parallel geschaltet. Die Parallelschaltung mit C4 ist in Reihe mit einem Widerstand R12 geschaltet, und die Parallelschaltung mit C5 ist in Reihe mit einem Widerstand R13 geschaltet. Die Zusammenschaltung der Bauelemente R10, R12, C4 bildet einen ersten komplexen Widerstand, und die Zusammenschaltung der Bauelemente R11, R13, C5 bildet einen zweiten komplexen Widerstand. Der erste komplexe Widerstand ist einerseits mit einem zum Anschluss
Die komplexen Spannungsteiler sind derart ausgelegt, dass die angesteuerten Eingänge +, – des Operationsverstärkers OP bezüglich ihres Gleichspannungsanteils in einem optimalen Arbeitsbereich liegen und vorzugsweise entgegen einer Auslöserichtung vorgespannt sind.The complex voltage dividers are designed such that the controlled inputs +, - of the operational amplifier OP with respect to their DC component in an optimal working range and are preferably biased against a triggering direction.
Diese Schaltung ist vorteilhaft, weil sowohl ein statischer als auch ein dynamischer Anteil des Versorgungsstroms i vom Operationsverstärker OP erfasst werden, und weil durch geeignete Dimensionierung der komplexen Spannungsteiler das Verhältnis beider Anteile bestimmt wird. This circuit is advantageous because both a static and a dynamic portion of the supply current i are detected by the operational amplifier OP, and because by appropriate dimensioning of the complex voltage divider, the ratio of the two components is determined.
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