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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorladeeinheit für eine Batterieunterbrechungseinheit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorladeeinheit als eine in einem eigenen Gehäuse zusammengefasste Funktionseinheit zur Verwendung in unterschiedlich aufgebauten Batterieunterbrechungseinheiten.
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US 2011/133701 A1 und
US 6034504 A offenbaren jeweils eine Batterieladevorrichtung mit eingebauter Schutzeinrichtung. Die Batterieladevorrichtung ermöglicht zwei unterschiedliche Betriebsarten zum Laden der Batterie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
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Bei Verwendung von Hochvolt (HV)-Traktionsbatterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden elektromechanische Komponenten zum Zuschalten der Hochvolt (HV)-Anschlüsse (genannt „Schütze“), Sicherungen, Stromsensoren, Vorladewiderstand und Vorladeschütz häufig in einer Komponente, der sogenannten Battery Disconnect Unit (BDU, „Batterieunterbrechungseinheit“), zusammengefasst. Dadurch, dass die Bauräume sich von Fahrzeugmodell zu Fahrzeugmodell stark unterscheiden, ist es meist nicht möglich, stets identische Batterieunterbrechungseinheiten zu verbauen. Die Standardisierung einer Batterieunterbrechungseinheit ist somit nicht möglich und Fahrzeugmodell-spezifische Entwicklungsaufwände entstehen (mit nahezu jedem Fahrzeugtyp) erneut. Die einzelnen Komponenten der Batterieunterbrechungseinheit werden, obwohl in vielen Batterien die gleichen Komponenten verwendet werden, in unterschiedlichen Gehäusen in Abhängigkeit der Gehäusebauform kundenspezifisch angeordnet. Auf diese Weise entstehen für jede neue Bauform einer Batterieunterbrechungseinheit Entwicklungs- und Werkzeugkosten, welche auf eine lediglich geringe Stückzahl aufgeteilt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt grundsätzlich eine Möglichkeit, wie die Vorladeeinheit inklusive Hauptschütz innerhalb einer Batterieunterbrechungseinheit gruppiert werden kann und als Standardbauteil für unterschiedliche Designs einer Batterieunterbrechungseinheit verwendet werden kann. Eine erfindungsgemäße Vorladeeinheit umfasst dabei ein Hauptschütz, ein Vorladeschütz und einen Vorladewiderstand, welche in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Das Vorladeschütz ist in Verbindung mit dem Vorladewiderstand eingerichtet, beim Verbinden eines elektrochemischen Energiespeichers mit einem Bordnetz (z.B. eines Fortbewegungsmittels) eine Zwischenkreiskapazität mit einem durch den Vorladewiderstand begrenzten maximalen Strom aufzuladen. Erst anschließend wird das Hauptschütz geschlossen, welches keinen Vorladewiderstand aufweist. Aufgrund der vorgeladenen Zwischenkreiskapazität ist die Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher und der Zwischenkreiskapazität jedoch nicht mehr so hoch, dass unerwünscht hohe Ausgleichsströme fließen. Erfindungsgemäß sind der Vorladewiderstand und das Vorladeschütz als elektrische Reihenschaltung parallel zum Hauptschütz mit zwei externen elektrischen Anschlüssen am Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorladeeinheit elektrisch verbunden. Mit anderen Worten weist das Gehäuse zumindest zwei externe elektrische Anschlüsse auf, welche jeweils das Hauptschütz bzw. die Reihenschaltung aus Vorladewiderstand und Vorladeschütz elektrisch kontaktierbar machen. Die vorstehend vorgeschlagene Anordnung weist den Vorteil auf, dass die gesamte Vorladeeinheit in einer Vielzahl unterschiedlicher Batterieunterbrechungseinheiten gleich aufgebaut sein kann. Somit lässt sich die erfindungsgemäße Vorladeeinheit in hoher Stückzahl kostengünstig fertigen. Zudem sind in der Einheit sämtliche Komponenten bereits miteinander verschaltet, so dass lediglich der positive und der negative Hochvolt (HV)-Anschluss von außen verbunden werden muss. Die gesamte Einheit kommt mit einer minimalen Anzahl von Befestigungspunkten aus, wodurch die Konzeption der gesamten Batterieunterbrechungseinheit vereinfacht wird. Die Vorladeeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung kann in jeder Batterieunterbrechungseinheit unterschiedlich angeordnet sein, wodurch eine maximale Flexibilität zum Entsprechen einer Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen der Batterieunterbrechungseinheit möglich wird. Zudem bietet das Gehäuse die Möglichkeit einer akustischen Kapselung der relativ laut schaltenden Schütze. Überdies kann eine Körperschallentkopplung aufgrund der wenigen mechanischen Schnittstellen mit der Peripherie einfach und kostengünstig realisiert werden. Überdies kann durch die räumliche Zusammenfassung sich gegenseitig bedingende Funktionen der enthaltenen Einheiten a priori berücksichtigt sein. Beispielsweise kann eine bestimmte vordefinierte relative Orientierung des Hauptschützes zum Vorladeschütz in vorteilhafter Weise vordefiniert sein.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorteilhafterweise ist das Gehäuse aus Kunststoff und/oder aus Metall gefertigt. Während eine Fertigung aus Metall eine besonders gute Wärmeabfuhr der Vorladeeinheit ermöglicht, ist durch eine Verwendung von Kunststoffen eine einfache elektrische Isolation und kostengünstiger Fertigung möglich.
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Weiter bevorzugt ist der Vorladewiderstand thermisch gut leitend mit einem metallischen Teil des Gehäuses gekoppelt. Mit anderen Worten ist der Vorladewiderstand räumlich nahe am metallischen Teil des Gehäuses angeordnet und/oder mittels Wärmeleitmitteln (z.B. Wärmeleitpaste) thermisch an diesen angekoppelt. Auf diese Weise kann eine Überhitzung des Vorladewiderstandes beim Vorladen einer Zwischenkreiskapazität eines Bordnetzes verhindert werden.
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Weiter bevorzugt sind das Hauptschütz und das Vorladeschütz hinsichtlich ihrer Öffnungsrichtungen im Wesentlichen identisch angeordnet. Mit anderen Worten wird ein beim Öffnen bzw. Schließen des jeweiligen Schützes bewegter Teil in dieselbe Richtung bewegt. Dies bietet den Vorteil, dass bei einem externen Schlag auf die erfindungsgemäße Vorladeeinheit bzw. bei extremer Beschleunigung der erfindungsgemäßen Vorladeeinheit im Wesentlichen nur in einer Richtung ein (unerwünschtes) Schließen beider Schütze durch die Trägheit ihrer Komponenten bewirkt werden kann. Ein in die entgegengesetzte Richtung wirkender Stoß veranlasst hingegen sowohl für das Hauptschütz als auch für das Vorladeschütz keinen unerwünschten Schließvorgang.
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Eine alternative Anordnung besteht darin, dass das Hauptschütz und das Vorladeschütz hinsichtlich ihrer Öffnungsrichtungen (also Bewegungsrichtung beim Öffnen) im Wesentlichen einander entgegengesetzt orientiert angeordnet sind. Auf diese Weise wird bei einem externen Schock in Öffnungs- bzw. Schließrichtung jeweils ein Schütz bevorzugt schließen, das andere hingegen bevorzugt öffnen. Somit kann sichergestellt werden, dass bei einem externen Schock zumindest eines der beiden Schütze mit hoher Wahrscheinlichkeit geöffnet bleibt bzw. geöffnet wird.
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Beispielsweise weist der Vorladewiderwiderstand einen elektrischen Widerstand < 100 Ω auf. Beispielsweise kann der Vorladewiderstand zwischen 20 und 60 Ω, bevorzugt zwischen 30 und 50 Ω, dimensioniert sein. Der genannte Widerstandsbereich ist typisch für einen Vorladewiderstand, wie er zum Vorladen eines in einem elektrisch betreibbaren Fahrzeug (EV, HEV) vorhandenen Zwischenkreises eingesetzt wird.
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Weiter bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorladeeinheit weiter eine Körperschallentkopplungseinheit, über welche sie eingerichtet ist, an einer Peripherie festgelegt zu werden. Mit anderen Worten kann die Körperschallentkopplungseinheit das Betriebsgeräusch der relativ lauten Schütze dahingehend mindern, dass die Schallsignale nur gedämpft an die umgebende feste Struktur weitergeleitet werden. Ein Beispiel für Körperschallentkopplungseinheiten sind elastische Abschnitte, welche eine Tiefpasscharakteristik aufweisen. Auf diese Weise können die impulsartigen Anregungen des Betriebsgeräusches der Schütze erheblich isoliert werden.
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Weiter bevorzugt ist das Gehäuse eingerichtet, als Verschluss eines der Vorladeeinheit zugeordneten Steuergerätes (z.B. Batterieunterbrechungseinheit, welche als Peripherie der erfindungsgemäßen Vorladeeinheit fungiert) verwendet zu werden. Mit anderen Worten kann ein Gehäuse des zugeordneten Steuergerätes eine Öffnung aufweisen, welche bei der Montage der erfindungsgemäßen Vorladeeinheit durch das Gehäuse der Vorladeeinheit verschlossen wird. Auf diese Weise können Gehäuseabschnitte der Vorladeeinheit auch zum Verschließen einer Kapselung des zugeordneten Steuergerätes verwendet werden.
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Weiter bevorzugt sind die externen elektrischen Anschlüsse der erfindungsgemäßen Vorladeeinheit eingerichtet, innerhalb eines vom Gehäuse der Vorladeeinheit und vom Gehäuse des zugeordneten Steuergerätes abgeschlossenen Volumens angeordnet zu werden. Mit anderen Worten sind die externen Anschlüsse so am Gehäuse der Vorladeeinheit angeordnet, dass eine elektrische Kontaktierung derselben durch ihre Peripherie erfolgen kann, während das Gehäuse der Vorladeeinheit in Verbindung mit dem Gehäuse des zugeordneten Steuergerätes die korrespondierenden elektrischen Anschlüsse einhaust. Auf diese Weise entfällt eine externe Verdrahtung und die elektrische Verbindung ist gegenüber externen Einflüssen (z.B. fluiddicht) geschützt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Batterieunterbrechungseinheit, umfassend eine Vorladeeinheit, vorgeschlagen, wie sie in Verbindung mit dem erstgenannten Erfindungsaspekt vorstehend im Detail beschrieben worden ist. Die Batterieunterbrechungseinheit (BDU) kann dabei selbst unterschiedlichen, kundenspezifischen geometrischen und elektrischen Randbedingungen genügen, während ihre Schnittstelle zur erfindungsgemäßen Vorladeeinheit jeweils im Wesentlichen identisch aufgebaut ist, wobei sich die vorgenannten Vorteile ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 eine schematische Darstellung einer typischen BDU für Hybridfahrzeuge ohne Schnellladefunktion;
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2 eine schematische Darstellung einer typischen BDU für Hybridfahrzeuge mit Schnellladefunktion und zusätzlichen Nebenaggregaten; und
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorladeeinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Batterieunterbrechungseinheit 100, umfassend eine erfindungsgemäße Vorladeeinheit 1. Die erfindungsgemäße Vorladeeinheit 1 ist durch eine gestrichelte Demarkationslinie funktionell in der erfindungsgemäßen Batterieunterbrechungseinheit 100 hervorgehoben. Die Vorladeeinheit 1 umfasst ein Hauptschütz 2, ein Vorladeschütz 3 und einen Vorladewiderstand 4, der in Reihe zum Vorladeschütz 3 geschaltet ist. Die vorgenannten Zweipole sind mit extern am Gehäuse der Batterieunterbrechungseinheit 100 angeordneten Anschlüssen B+, V+ galvanisch verbunden. Ein Stromsensor 11 ist eingerichtet, einen Strom durch den externen Anschluss B+ zu messen. Den externen Anschlüssen B(Body)+, V(Vehicle)+ gegenüberliegend sind zwei externe Anschlüsse B–, V– angeordnet, welche innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Batterieunterbrechungseinheit 100 durch ein zweites Hauptschütz 9 mit einer zu diesem in Reihe liegenden Sicherung 10 elektrisch verbunden sind. Eine ebenfalls innerhalb der Batterieunterbrechungseinheit 100 angeordnete zweite Sicherung 8 ist über zwei zusätzliche externe Kontakte 101, 102 elektrisch mit einer Peripherie der Batterieunterbrechungseinheit 100 verbindbar.
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2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterieunterbrechungseinheit 100 als schematisches Schaltbild. Die externen elektrischen Anschlüsse B+, V+, B–, V– sowie die diese verbindenden Elemente entsprechen der in 1 dargestellten Anordnung. Zur Realisierung einer Schnellladefunktion weist die in 2 dargestellte Batterieunterbrechungseinheit 100 vier zusätzliche externe Anschlüsse auf, welche mit FC+, OBC+, OBC–, FC– bezeichnet sind. Die Anschlüsse FC+ bzw. OBC+ sind über eine Reihenschaltung eines zweiten Schützes 13 mit einem Ohmschen Widerstand 12 bzw. ausschließlich einem Ohmschen Widerstand 14 elektrisch mit dem Anschluss V+ verbunden. Der externe Anschluss OBC– ist mit dem Anschluss C– elektrisch kurzgeschlossen, während zwischen dem externen Anschluss FC– und dem Anschluss V– ein drittes Schütz 15 angeordnet ist. Fahrzeuge mit einem separaten Anschluss für eine Schnellladesäule (Fastcharge connection, FC) haben üblicherweise separate Schütze, über welche die Anschlussklemmen 13 und 15 spannungsfrei geschaltet werden können. Dieser Kreis kann, wie dargestellt, zusätzlich über eine Sicherung 12 abgesichert sein. Zusätzlich sind Anschlüsse für ein Onboard Ladegerät (onboard charger, OBC) bzw. Klimakompressoren an der BDU vorhanden, die ebenfalls nach dem Stand der Technik über eine Sicherung 14 abgesichert sind.
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3 zeigt eine Detailansicht eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorladeeinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei elektrische Anschlüsse 6, 7 ragen aus einem Gehäuse 5 heraus. Beide sind eingerichtet, wahlweise über ein Hauptschütz, welches in Richtung der Anschlüsse 6, 7 schließt, oder eine Reihenschaltung aus einem Vorladewiderstand 4 und einem Vorladeschütz 3, welches in Richtung der Anschlüsse 6, 7 öffnet, elektrisch miteinander verbunden zu werden. Das Hauptschütz 2 und das Vorladeschütz 3 sind "Rücken-an-Rücken" zueinander angeordnet, so dass das geringere Volumen des Vorladeschützes 3 eine Anordnung des Vorladewiderstandes 4 neben dem Vorladeschütz 3 ermöglicht. Die schmale Seite, an welcher die externen Anschlüsse 6, 7 aus dem Gehäuse ragen, wird durch einen Kragen 16 umlaufen. Innerhalb des Kragens 16 ist eine Gummilippe 17 als Körperschallentkopplungseinheit angeordnet, welche eine Vorspannung zwischen dem Gehäuse 5 der dargestellten Vorladeeinheit 1 und ihrer Peripherie aufnehmen kann. Zusätzlich ist außerhalb des Kragens 16 ein Flansch 18 zur Verschraubung der Vorladeeinheit 1 an ihrer Peripherie vorgesehen. Der Flansch 18 weist ebenfalls Gummielemente 19 zur Körperschallentkopplung auf. Diese sind eingerichtet, eine zwischen dem Flansch 18 und einem (nicht dargestellten) Schraubenkopf erzeugte Vorspannung aufzunehmen. Das Gehäuse 5 ist zudem mit einem Wärmeleitmittel 22 aufgefüllt, welches zur Entwärmung des Vorladewiderstandes 4 sowie der Schütze 2, 3 dient. Eine weitere Funktion des Wärmeleitmittels 22 besteht darin, die elektrischen Leitungen 20, 21 zwischen den externen Anschlüssen 6, 7 und dem Vorladeschütz 3 bzw. dem Vorladewiderstand 4 sowie zwischen dem Vorladeschütz 3 und dem Vorladewiderstand 4 einzubetten und so gegenüber mechanischen Stößen abzusichern. Zudem kommt dem Wärmeleitmittel 22 die Funktion einer Körperschalldämmung gegenüber dem Betriebsgeräusch der Schütze 2, 3 zu. Die Einheit aus Vorladeschütz 3 und Vorladewiderstand 4 wird häufig auch als Vorladekreis bezeichnet. Mit anderen Worten kann die erfindungsgemäße Vorladeeinheit als Gehäuseeinheit, umfassend einen Vorladekreis nebst Hauptschütz, beschrieben bzw. aufgefasst werden.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/133701 A1 [0002]
- US 6034504 A [0002]
