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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung einer Hochvoltbatterie an das Bordnetz eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff ist beispielsweise bereits aus der
DE 10 2011 103 834 A1 zu entnehmen. Die darin beschriebene Vorrichtung enthält zum einen eine Schalteinheit, die ein reversibles Schalten eines Strompfades in Abhängigkeit eines Steuergeräts ermöglicht, und zum anderen eine Trenneinrichtung bzw. eine Notabschaltung zum irreversiblen Trennen des Strompfades. Damit die Notabschaltung bei Versagen der Schalteinheit ein Abschalten ermöglicht sind Notabschaltung und Schalteinheit in Reihe geschaltet. Die Schalteinheit besteht dabei aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Relais, das bei einem Fehler z. B. einem sich einstellenden Lichtbogen durch die Notabschaltung in Form einer Sprengsicherung bzw. einer einfachen Schmelzsicherung abgesichert wird.
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Bei bisherigen Schalteinheiten wird die Batterie beim Ziehen des Zündschlüssels durch ein Relais zwangsabgeschaltet wenn beispielsweise ein Aggregat infolge einer Störung nicht abgeschaltet wurde. Das Problem ist jedoch, dass es bei den bekannten elektromagnetischen Relais durch induktive Lasten bei Abschaltungen unter Last zu Schaltlichtbögen und einem starken Abbrand der Kontakte kommen kann, wodurch die Lebensdauer bzw. die Anzahl der Schaltvorgänge sehr begrenzt ist. Ein hoher Verschleiß kann dazu führen, dass die Relais kleben und die Spannung nicht mehr abschalten können, wodurch die im Verhältnis teure Batterie beschädigt werden kann. Dies tritt insbesondere auf, wenn eine Störung im Hochvolt-System vorliegt und Verbraucher nicht mehr vor dem Abschalten der Zündung vom Netz genommen werden können. Außerdem muss gerade bei Fahrzeugen mit Hochvoltbatterien mit z. B. 350 Volt ein solcher Fehlerfall schnell und zuverlässig gelöst werden. Die bekannten Sprengsicherungen sind jedoch sehr aufwendig. Alternative Notabschaltungen, bei denen man die Batterie noch innerhalb der Batterie über ein weiteres Not-Relais kurzschließt, so dass die Hauptsicherung der Batterie auslöst, wenn das Schaltrelais nicht mehr öffnen kann, haben das Problem, dass das Not-Relais, wenn es viele Jahre nicht benutzt wurde, nicht mehr sicher funktioniert. Auf den Oberflächen der Kontakte können sich Oxid- bzw. Silikon- oder andere nichtleitende Schichten abgelagert haben, welche die Funktion des Relais beeinträchtigen.
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Ein weiteres Problem betrifft die Hauptsicherung selbst. Je nach Fahrstil und Exemplar verschleißt diese sehr unterschiedlich. Es gibt keine technische Möglichkeit den Verschleiß zu verhindern oder einzuschätzen. Das ist ein ernsthaftes Problem, denn bei sportlicher Fahrweise ändert sich die Lebensdauer deutlich. Der Verschleiß kann zum Ausfall der Sicherung und damit zum Ausfall des Fahrzeuges führen, obwohl kein konkreter Fehlerfall ein zwingendes Auslösen verursacht hat. Um das Fahrzeug wieder fahrtüchtig zu machen, muss eine Werkstatt o. ä. aufgesucht werden, die die verschlissene Sicherung gegen eine neue tauscht. Der plötzliche Ausfall des Fahrzeuges ist mit einem erheblichen Zeitaufwand für den Fahrer verbunden. Andererseits ist es unwirtschaftlich ständig aus Vorsorge die Sicherungen zu wechseln.
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Problematisch ist auch die hohe Trägheit der verwendeten Hauptsicherungen. So dauert es beispielsweise bei einem um den Faktor 1,8 erhöhten Strom, je nach Sicherungstyp, ganze 100 Sekunden bis eine solche Sicherung auslöst. Diese Trägheit bestimmt mitunter auch die verwendeten Kabelquerschnitte.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfreie und zuverlässige Vorrichtung zur Kopplung einer Hochvoltbatterie an das Fahrzeugbordnetz zu realisieren.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die erfindungsgemäße Kopplungsvorrichtung einer Hochvoltbatterie an das Fahrzeugbordnetz umfasst eine Schalteinheit und eine Notabschaltung. Die Schalteinheit ermöglicht durch die Ansteuerung zweier konventioneller Relais und eines IGBT's ein reversibles, weitestgehend verschleißfreies Ein- und Abschalten der Hochvoltbatterie vom Bordnetz des Fahrzeugs ohne Lichtbogen bzw. Lichtbogenabbrand an den Kontakten der Relais, wodurch eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Schalteinheit realisiert wird. Die Notabschaltung, bestehend aus einem Modul mit einer Haupt- und einer Reservesicherung, einem Relais zur Zuschaltung der Reservesicherung sowie einem Stahlnadel-Notrelais, realisiert eine elektronisch geführte Sicherung, die hohe Stromreserven und zyklische Belastbarkeit vorweist und im Ernstfall trotzdem schnell auslöst und so im Fehlerfall die Hochvoltbatterie irreversibel und zuverlässig vom Bordnetz trennt. Die Reservesicherung die parallel zu der Hauptsicherung zuschaltbar ist verhindert den Ausfall des Fahrzeuges infolge eines verschleißbedingten Auslösens der Hauptsicherung. Durch den IGBT als elektronischen Schalter kann die Reservesicherung während der Fahrt lastfrei zugeschaltet werden. Somit kann die Fahrt ununterbrochen fortgesetzt und bei Gelegenheit eine Werkstatt aufgesucht werden, die die ausgefallene Sicherung wechselt. Die Reservesicherung stellt somit eine zweite Hauptsicherung dar, wodurch die die Sicherungen nach Bedarf gewechselt werden können. Das Stahlnadel-Notrelais wird genutzt, wenn es einen definierten zu hohen Strom gibt. Im Fehlerfall, wenn beispielsweise der in der Strommessvorrichtung gemessene Batteriestrom einen gewissen Wert für eine bestimmte Zeit übersteigt, kann das Steuergerät das Stahlnadel-Notrelais schließen und durch den provozierten Kurzschluss so frühzeitig die Hauptsicherung auslösen. Durch dieses elektronisch geführte Auslösen wird das gesamte Bordnetz entlastet, zudem können die Kabelquerschnitte effizienter ausgelegt werden. Der Vorteil bei der Verwendung eines Stahlnadel-Relais besteht darin, dass dieses auch funktioniert, wenn beispielsweise durch Alterungsprozesse die Oberflächen der Kontakte oxidiert sind, bzw. sich Silikon- oder andere nichtleidende Schichten auf den Kontakten gebildet haben. Dazu ist einer der Kontakte des Stahlnadel-Relais mit einer kurzen Stahlnadel (0,5 bis 1 mm) versehen, die die volle Stoßkraft der Kontakte auf einen Anschlagpunkt zentriert und so eventuelle Passivierungsschichten der Kontakte in jedem Falle durchstößt und eine leitende Verbindung herstellt, die die Hauptsicherung auslöst. Beim Versagen der Elektronik des Steuergeräts löst letztendlich auch die einfache Hauptsicherung aus.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung haben die Relais 7 und 8 der Schalteinheit Schaltspannungen von max. 4 Volt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, abhängig von der Hochvoltbatterie einen IGBT mit dem entsprechenden Schaltvermögen, was bei bis zu 6500 Volt bei 3500 Ampere liegen kann, einzusetzen, wobei erfindungsgemäß auf einen IGBT mit einem Schaltvermögen von 1200 Volt und 2000 Ampere zurückgegriffen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist die Notabschaltung bestehend aus Haupt- und Reservesicherung, dem Relais zur Zuschaltung der Reservesicherung sowie dem Stahlnadel-Notrelais in einfacher Weise bei der Hochvoltbatterie austauschbar. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die Elemente der Notabschaltung eine Einheit bilden, welche als Modul 13 tauschbar ist. Das Modul 13 kann beispielsweise als Ziehvorrichtung mit Interlock realisiert sein, sodass es nach dem Ziehen strom- bzw. spannungslos ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Moduls 13 sind die enthaltenen Elemente selbst einzeln austauschbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1 den Schaltplan einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 ein Diagramm des zeitlichen Verlauf der Spannung am Punkt 16A bei Abschaltung unter Last mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Der in 1 dargestellte Schaltplan beschreibt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung welche eine Hochvoltbatterie 11 über eine Schalteinheit 15 und eine Notabschaltung 13 mit den Kontakten des Fahrzeugbordnetzes 16A, B verbindet. Dazu besteht die Vorrichtung aus einem Steuergerät 14 das mit der Strommessvorrichtung 6, dem IGBT 5 sowie den Relais 1, 3, 7, 8 verbunden ist.
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Dabei wird gemäß 1 das Ein- und Abschalten der Hochvoltbatterie 11 wie folgt durch die Schalteinheit realisiert:
Im abgeschalteten Zustand sind Relais 7, 8 geöffnet. Zum Einschalten der Hochvoltbatterie 11 wird zunächst durch Schließen des Relais 8 stromlos Spannung an den sperrenden IGBT 5 gelegt. Sodann schaltet das Steuergerät 14 den IGBT 5 leitend wodurch sich ein Spannungsabfall im einstelligen Voltbereich einstellt. Danach wird Relais 7 durch das Steuergerät 14 eingeschaltet, sodass sich der Spannungsabfall weiter auf wenige Millivolt reduziert. So werden die eingesetzten Relais 7, 8 praktisch nicht belastet, da das Relais 8 zwar bei hoher Spannung aber stromlos und das Relais 7 bei Strombelastung aber geringer Spannung eingeschaltet wird.
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Zum Abschalten der Batterie unter Stromlast wird in einer ersten Phase zunächst durch das Steuergerät 14 das Relais 7 geöffnet, wobei Relais 8 geschlossen und der IGBT 5 leitend sind. Somit stellt sich über das Relais 7 beim Abschalten nur ein geringer Spannungsabfall im einstelligen Voltbereich ein. Bei diesem Abschaltvorgang kann auch bei sehr großen Strömen im dreistelligen Amperebereich ein Schaltlichtbogen beim Relais 7 vollständig verhindert werden, da Lichtbögen erst ab einer Mindesttrennspannung von ca. 12 Volt auftreten. Sobald der Strom vollständig über das geschlossene Relais 8 und den IGBT 5 fließt bzw. das Relais 7 nach wenigen zehntel Sekunden stromfrei ist, öffnet das Steuergerät 14 den IGBT 5, der nun den Stromfluss auf einen sehr geringen Wert reduziert. Um den IGBT vor Überspannungen zu schützen ist in einem parallelen Strompfad eine Zenerdiode 9 geschaltet. Der induktive Reststrom des Bordnetzes wird durch eine Freilaufdiode 4 geleitet, wo er begrenzt wird und irgendwann verebbt. Erst dann wird durch das Steuergerät 14 das Relais 8 geöffnet, sodass der IGBT 5 nicht dauerhaft unter Strom bleibt. Auf diese Weise kann ein praktisch verschleißfreies Schalten der gesamten Schalteinheit 15 auch unter Volllast realisiert werden.
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Sollte es beim Einsatz der in 1 dargestellten Vorrichtung zu einem Fehlerfall kommen, z. B. einem Kurzschluss im Bordnetz, besteht eine Notabschaltung 13, welche die Hochvoltbatterie 11 vom Bordnetz trennt. Die Notabschaltung 13 besteht aus einer gewöhnlichen Hauptsicherung 2, zu der in einem parallelen Strang ein Relais 3 in Reihe mit einer Reservesicherung 10 geschaltet sind. In der Notabschaltung kann das Steuergerät 14, wenn der in der Strommessvorrichtung 6 gemessene Batteriestrom einen gewissen Wert für eine bestimmte Zeit übersteigt, das Stahlnadel-Notrelais 1 schließen und durch den provozierten Kurzschluss so frühzeitig die Hauptsicherung 2 auslösen. Mit anderen Worten wird so die Hauptsicherung 2 elektronisch geführt.
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Es ist zu betonen, dass erfindungsgemäß das Notrelais 1 ein „Einmal-Relais” ist, das nur einmal, aber dafür ganz sicher, funktionieren muss. Dazu ist einer der Kontakte mit einer kurzen Stahlnadel (0,5 bis 1 mm) versehen, die die volle Stoßkraft der Kontakte auf einen Anschlagpunkt zentriert und so eventuelle Passivierungsschichten der Kontakte in jedem Falle durchstößt und bei z. B. 350 Volt und Stromreserven von mehreren 100 Ampere augenblicklich einen Lichtbogen erzeugt, der die Stahlnadel verbrennt und die Kontakte bei hohen Temperaturen zusammenbringt. Auf diese Weise werden alle nichtmetallischen Passivierungsschichten verdampft. Der Lichtbogen wird nicht verlöschen, bevor nicht der volle Kurzschluss erreicht ist, bzw. der Lichtbogen selbst stellt bei diesen Abständen, Spannungen und Stromreserven bereits den vollen Kurzschluss dar, der die Hauptsicherung 2 augenblicklich und sicher auslöst.
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Sollte es zu einem verschleißbedingten Auslösen der Hauptsicherung 2 und somit zum Ausfall des Fahrzeuges kommen, obwohl kein Fehlerfall vorliegt, kann durch die Reservesicherung 10, die parallel zu der Hauptsicherung 2 zuschaltbar ist, der Ausfall des Fahrzeuges verhindert werden. Beim verschleißbedingten Auslösen der Hauptsicherung 2 sperrt der IGBT 5 zunächst, reduziert also die Schaltspannung des Relais 3 und ermöglicht eine Zuschaltung der Reservesicherung 10. Durch das automatische Zuschalten der Reservesicherung 10 kann die Fahrt ununterbrochen fortgesetzt und bei Gelegenheit eine Werkstatt aufgesucht werden, die einen Wechsel der Sicherung vornehmen kann.
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2 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Spannung am Punkt 16A bei der verschleißfreien Abschaltung unter Last mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum Zeitpunkt t0 sind die Relais 7,8 geschlossen und es liegt die Spannung der Hochvoltbatterie UBATT an. Durch öffnen des Relais 7 zum Zeitpunkt t1 fällt die Spannung um wenige Volt auf die Spannung U. Infolge des in t2 öffnenden IGBT 5 wird die Spannung durch die Freilaufdiode 4 auf einige wenige Volt unter der Nulllinie liegende Spannung begrenzt. Der Stromfluss verebbt schließlich bis zum Zeitpunkt t3. Der Spannungsverlauf zeigt, dass es nicht zu einem Kontaktabbrand durch einen Lichtbogen kommt, sondern das Abschalten weitestgehend verschleißfrei realisiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103834 A1 [0002]
