DE102014006344A1 - Vorladen eines Kraftfahrzeughochvoltnetzes mit Hilfe einer Heizeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvoltnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle (12), mit zumindest einem Hauptschaltelement (HS1, HS2) zum elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle (12) mit einem Pufferkondensator (14), einer Vorladeschaltung (16), die einen Vorladewiderstand (18) aufweist, zum Vorladen des Pufferkondensators (14) und einer Heizeinrichtung (22), die einen Heizwiderstand (24) aufweist, zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle (12), wobei der Heizwiderstand (24) einen Anschluss (25) zum Abgreifen des Vorladewiderstands (18) von dem Heizwiderstands (24) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvoltnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle, mit zumindest einem Hauptschaltelement zum elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle mit einem Pufferkondensator, einer Vorladeschaltung, die einen Vorladewiderstand aufweist, zum Vorladen des Pufferkondensators und einer Heizeinrichtung, die einen Heizwiderstand aufweist, zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle.
  • In Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, kann es vorgesehen sein, elektrische Verbraucher, beispielsweise das Fahrzeugnetz, mit einer Hochvolt-Energiequelle, beispielsweise einer Hochvolt-Batterie, zu versorgen, die eine Hochvolt-Spannung liefert. Unter Hochvolt-Spannung ist eine elektrische Spannung größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt, zu verstehen. Zur Trennung bzw. zum Hinzuschalten dieser Hochvolt-Batterie an das Fahrzeugnetz werden zwei Hauptschaltelemente, beispielsweise Hauptschütze, verwendet. Außerdem ist im Fahrzeugnetz eine Pufferkapazität verbaut, die im Zuschaltvorgang der Batterie aufgeladen wird.
  • Ohne geeignete Schutzmaßnahmen würde die anfangs ungeladene Kapazität schlagartig und niederohmig mit der Hochvolt-Batterie verbunden werden. Dies führt zu sehr hohen Ladeströmen, die ein Beschädigen der Pufferkapazität bzw. ein Verschweißen der Kontakte des zu schaltenden Hauptschützes hervorrufen würden. Um dieses Problem zu vermeiden, wird in der Regel eine Vorladeschaltung mit einem Vorladewiderstand, welcher die hohen Ladeströme begrenzt, bereitgestellt. Um die Vorladung zu- und abschalten zu können, wird in der Vorladeschaltung ein Vorladeschaltelement, beispielsweise ein Vorladerelais, verwendet.
  • Die Anforderungen an automobile Hochvolt-Batterien sehen einen Betrieb in einem weiten Temperaturbereich vor, beispielsweise von –40°C bis +80°C. Der Betrieb der Batterie, die beispielsweise aus Lithium-Ionenzellen bestehen kann, im niedrigen Temperaturbereich (T < 0°C) ist dahingehend kritisch, dass ein Belasten ohne Vortemperierung zu inhomogener Erwärmung der Zellen führt. Das inhomogene Erwärmen kann zu einer irreversiblen Schädigung der Zellen führen. Um dieser Schädigung entgegenzuwirken, wird der Batterie ein Heizeinrichtung zugeschaltet. Dazu werden Heizwiderstände, insbesondere Heizmatten, eingesetzt, die zur Vortemperierung der Batterie eingesetzt werden. Heizmatten sind physikalisch als ohmsche Widerstände zu verstehen. Die Leistung, mit welcher die Heizmatten betrieben werden, berechnet sich aus einer angelegten Spannung U und dem Widerstand der Heizmatte R. Diese Leistung, auch Verlustleistung Pv genannt, berechnet sich über die Formel Pv = U2/R, wird als thermische Abwärme abgestrahlt und erzeugt somit die gewünschte Erwärmung der Zellen.
  • Der Stand der Technik besitzt den Nachteil, dass der Vorladewiderstand der Vorladeschaltung nur für die Dauer der Vorladung aktiv ist und ansonsten ohne weitere Funktion bleibt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein energieeffizientes und platzsparendes Hochvolt-Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 5 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle, umfasst zumindest ein Hauptschaltelement zum elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle mit einem Pufferkondensator, eine Vorladeschaltung, die einen Vorladewiderstand aufweist, zum Vorladen des Pufferkondensators und eine Heizeinrichtung, die einen Heizwiderstand aufweist, zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle, wobei der Heizwiderstand einen Anschluss zum Abgreifen des Vorladewiderstands von dem Heizwiderstand aufweist.
  • Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Widerstand der Heizeinrichtung so aufgeteilt wird, dass ein Widerstandswert zur Verfügung steht, der dem Wert des Vorladewiderstandes entspricht. Durch einen Abgriff kann dieser mit dem Wert des Heizwiderstandes identische Teilwiderstand der Heizeinrichtung zur Vorladung des Pufferkondensators genutzt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass bei gleichbleibender technischer Erfüllung aller Anforderungen die Anzahl der Komponenten reduziert wird.
  • Bevorzugt weist die Vorladeschaltung eine Vorladeschalteinheit auf, die dazu ausgelegt ist, die Vorladeschaltung mit dem Pufferkondensator zu verbinden und/oder von dem Pufferkondensator zu trennen. Dies kann beispielsweise in der Gestalt eines Vorladerelais realisiert sein.
  • Ebenfalls bevorzugt weist die Heizeinrichtung eine Heizschalteinheit auf, die dazu ausgelegt ist, den Heizwiderstand mit der Hochvolten-Energiequelle zu verbinden und/oder den Heizwiderstand elektrisch von der Hochvoltenergiequelle zu trennen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Funktionalitäten der Heizeinrichtung und der Vorladung unabhängig genutzt werden. Die Ansteuerung der Heizeinrichtung erfolgt dabei über die Heizschalteinheit, wodurch ein aktives Ein- und Ausschalten ermöglicht wird.
  • In einer Ausführungsform ist der Heizwiderstand der Heizeinrichtung als Heizmatte ausgebildet. Da eine Heizmatte besonders flexibel ausgebildet ist, kann sie platzsparend an der Batterie angeordnet werden.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvoltnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle. Bei dem Verfahren wird eine Hochvolt-Energiequelle mit einem Pufferkondensator zumindest mit einem Hauptschaltelement elektrisch verbunden oder der Pufferkondensator wird mit einer Vorladeschaltung, die einen Vorladewiderstand aufweist, vorgeladen, wobei der Vorladewiderstand über einen Anschluss eines Heizwiderstands einer Heizeinrichtung zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle abgegriffen wird.
  • Es kann vorteilhaft sein, die Hochvolt-Energiequelle vor dem elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle mit dem Pufferkondensator oder vor dem Vorladen des Pufferkondensators mit Hilfe der Heizeinrichtung zu heizen.
  • Die zuvor erwähnten Vorteile für die erfindungsgemäße Vorrichtung gelten sinngemäß für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu wird auf die Figuren verwiesen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Hochvolt-Bordnetz mit Vorladeschaltung und Heizeinrichtung nach dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Hochvolt-Bordnetz mit kombinierter Heizeinrichtung und Vorladeschaltung.
  • Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale ergänzbar.
  • In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Hochvolt-Bordnetz 10 mit einer Vorladeschaltung 16 und einer Heizeinrichtung 22 gezeigt. Innerhalb des Hochvolt-Bordnetzes 10 ist eine Batterie 12 über zwei Hauptschütze HS1 und HS2 mit der Pufferkapazität 14 verbunden. Die Pufferkapazität 14 ist mit Hilfe eines Hochvolt-Steckers 30 an die Batterie 12 angeschlossen. Das Hochvolt-Bordnetz 10 weist außerdem eine Sicherung 28 auf. Das Hauptschütz HS1 ist mit Hilfe der Vorladeschaltung 16 überbrückbar. Diese umfasst einen Vorladewiderstand 18 und eine Vorladeschalteinheit 20, beispielsweise ein Vorladerelais.
  • Der Heizwiderstand 24, beispielsweise eine Heizmatte, des Heizkreises 22 kann durch Schließen der Heizschalteinheit 26 an die Batterie 12 angeschlossen werden. Dadurch wird der Heizwiderstand 24 mit der Spannung der Batterie 12 versorgt. Die abgestrahlte thermische Abwärme des Heizwiderstandes 24 heizt die Batterie 12. Durch das Schließen des Hauptschützes HS2 und das Schließen der Vorladeschalteinheit 20 wird die Pufferkapazität 14 vorgeladen. Dadurch werden hohe Ladeströme, die die Pufferkapazität 14 beschädigen könnten, begrenzt. Durch das Öffnen der Vorladeschalteinheit 20 wird die Vorladeschaltung 16 abgekoppelt und somit das Vorladen beendet. Schließlich wird das Hauptschütz HS1 geschlossen.
  • 2 zeigt das in 1 beschriebene Hochvolt-Bordnetz 10, sowie eine Kombination 21 aus Vorladeschaltung und Heizeinrichtung. Der neu entstandene kombinierte Schaltkreis 21 beinhaltet nur noch den Heizwiderstand 24 und die beiden Schalteinheiten 20 und 26. Der Heizwiderstand 24 ist hier mit Hilfe eines Ersatzschaltbildes aus zwei Widerständen dargestellt. Über einen Anschluss 25 zum Abgreifen kann der Heizwiderstand 24 in zwei Widerstände aufgeteilt werden, wobei der eine den Wert des Vorladewiderstandes 18 und der andere den Wert des Restwiderstandes 23, der aus dem Heizwiderstand 24 und dem Vorladewiderstand 18 berechnet werden kann, besitzt. Ein separates Bauteil für den Vorladewiderstand 18 entfällt in der erfindungsgemäßen Ausführungsform.
  • Wenn nun die Vorladeschalteinheit 20 geöffnet und die Heizschalteinheit 26 geschlossen ist, ist die Heizeinrichtung 22 in gleicher Weise an die Batterie 12 angeschlossen, wie in 1 gezeigt. Der Anschluss 25 zum Abgreifen wird nicht benötigt und der volle Widerstandswert, der dem Widerstand der Heizmatte entspricht, kann zum Heizen der Batterie 12 genutzt werden.
  • Wenn die Heizschalteinheit 26 geöffnet ist und das Hauptschütz HS2 sowie die Vorladeschalteinheit 20 geschlossen sind, ist der Teilwiderstand des Heizwiderstandes 24, der den Wert des Vorladewiderstandes 18 besitzt, an die Pufferkapazität 14 angeschlossen. Dies entspricht dem im 1 beschriebenen Fall, dass die Vorladeschaltung 16 und damit der Vorladewiderstand 18 durch das Schließen der Vorladeschalteinheit 20 an die Pufferkapazität 14 angeschlossen wird und diese somit vorlädt. Der Restwiderstand 23 ist sowohl von der Batterie 12 als auch von der Pufferkapazität 14 abgekoppelt.
  • Durch das Schließen von Hauptschütz HS1 und das Öffnen der Vorladeschalteinheit 20 wird die Vorladung beendet.
  • Insgesamt ist somit durch das Beispiel das Vorladen mit Hilfe einer Heizmatte gezeigt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Hochvolt-Bordnetz
    12
    Batterie
    14
    Pufferkapazität
    16
    Vorladeschaltung
    18
    Vorladewiderstand
    20
    Vorladeschalteinheit
    21
    Kombination
    22
    Heizeinrichtung
    23
    Restwiderstand
    24
    Heizwiderstand
    25
    Anschluss
    26
    Heizschalteinheit
    28
    Sicherung
    30
    Hochvolt-Stecker
    HS1
    Hauptschütz
    HS2
    Hauptschütz

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvoltnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle (12), mit zumindest einem Hauptschaltelement (HS1, HS2) zum elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle (12) mit einem Pufferkondensator (14), einer Vorladeschaltung (16), die einen Vorladewiderstand (18) aufweist, zum Vorladen des Pufferkondensators (14) und einer Heizeinrichtung (22), die einen Heizwiderstand (24) aufweist, zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (24) einen Anschluss (25) zum Abgreifen des Vorladewiderstands (18) von dem Heizwiderstands (24) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (16) eine Vorladeschalteinheit (20) aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Vorladeschaltung (16) mit dem Pufferkondensator (14) zu verbinden und/oder von dem Pufferkondensator (14) zu trennen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (22) eine Heizschalteinheit (26) aufweist, die dazu ausgelegt ist, den Heizwiderstand (24) mit der Hochvolt-Energiequelle (12) elektrisch zu verbinden und/oder den Heizwiderstand (24) elektrisch von der Hochvolt-Energiequelle (12) zu trennen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (24) der Heizeinrichtung (22) als Heizmatte ausgebildet ist.
  5. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Verfahren zum Trennen und/oder Verbinden eines Hochvoltnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvolt-Energiequelle (12), bei welchem eine Hochvolt-Energiequelle (12) mit einem Pufferkondensator (14) zumindest einem Hauptschaltelement (HS1, HS2) elektrisch verbunden wird oder der Pufferkondensator (14) mit einer Vorladeschaltung (16), die einen Vorladewiderstand (18) aufweist, vorgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorladewiderstand (18) über einen Anschluss (25) eines Heizwiderstands (24) einer Heizeinrichtung (22) zum Heizen der Hochvolt-Energiequelle (12) abgegriffen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvolt-Energiequelle (12) vor dem elektrischen Verbinden der Hochvolt-Energiequelle (12) mit dem Pufferkondensator (14) oder vor dem Vorladen des Pufferkondensators (14) mit der Heizeinrichtung (22) geheizt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102019200034A1 (de) * 2019-01-04 2020-07-09 Robert Bosch Gmbh Elektrofahrzeug, insbesondere Baumaschine, und Verfahren zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs

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