DE102014200264A1

DE102014200264A1 - Batteriesystem mit einer Batterie, die mit mindestens einem ihrer Hochvoltanschlüsse über ein Schütz verbindbar ist, das über die Batterie oder ein Hochvoltnetz der Batterie mit Energie versorgt werden kann, und Verfahren zum Schalten eines solchen Schützes

Info

Publication number: DE102014200264A1
Application number: DE102014200264.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Steil; Gergely Galamb
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes (102) ausgebildeten Batterie (101), die mit mindestens einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse (130, 131) über ein Schütz verbindbar ist, das eine Steuerspule umfasst und dazu ausgebildet ist, in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule ein Steuerstrom fließt, zu schließen und in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule kein Strom fließt, zu öffnen. Dabei ist die Steuerspule mit einer Versorgungsschaltung (80) verbunden oder verbindbar, die dazu ausgebildet ist, der Steuerspule zum Erzeugen des Steuerstromes eine gegenüber der von der Batterie erzeugten Batteriespannung kleinere Versorgungsspannung bereitzustellen. Ferner umfasst die Versorgungsschaltung eine Spannungsumwandlungseinheit (90), die dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Batteriespannung oder einer mittels des an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetzes bereitstellbaren Spannung als Eingangsspannung zu verwenden, die Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, die mit der Versorgungsspannung gleich ist, umzuwandeln und zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule (20) die Ausgangsspannung bereitzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildeten Batterie, die mit mindestens einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse über ein Schütz verbindbar ist. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schalten eines Schützes für eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildete Batterie, die mit einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse über das Schütz verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem soeben genannten Batteriesystem.
Stand der Technik
In Fahrzeugen (PKWs) werden Batteriesysteme mit Batterien eingesetzt, die jeweils ein Hochvoltnetz mit einer hohen Spannung (Hochvoltspannung) versorgen können. Deswegen werden die Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodule solcher Batterien meistens in Reihe geschaltet. Solche Batterien müssen dann auch bei hohen Leistungen nur geringe Ströme liefern. Die Batterien werden dabei über Traktionsleitungen mit ihren Hochvoltanschlüssen, das heißt, den Anschlüssen, über die die Batterie die Hochvoltspannung an das Hochvoltnetz abgibt, verbunden. Üblicherweise werden in den Traktionsleitungen sowohl an dem positiven als auch an dem negativen Hochvoltanschluss der Batterie Schütze eingesetzt. Mittels der Schütze kann eine solche Batterie beim Parken oder in einem fehlerhaften Funktionszustand (Fehlerfahl) vom Hochvoltnetz beziehungsweise von dem restlichen Hochvoltsystem des Fahrzeuges getrennt werden.
Ein solches Schütz 10 ist in den 1 bis 3 dargestellt. Dabei werden für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet.
In der 1 ist ein geschlossenes Schütz 10 und in der 2 ein geöffnetes Schütz 10 dargestellt. Das Schütz 10 ist als Magnetschalter 11 mit einer Steuerspule 20 ausgebildet. Der Magnetschalter 11 umfasst dabei eine bewegliche Kontaktbrücke 30 und zwei Terminals 40. Das Schütz 10 schließt in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule 20 ein Steuerstrom fließt, und öffnet in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule 20 kein Strom fließt.
Wenn ein Steuerstrom durch die Steuerspule 20 fließt, wird die Kontaktbrücke 30 mittels magnetischer Kraft zu den Terminals 40 hin bewegt und gegen diese Terminals 40 gedrückt. Wenn durch die Steuerspule 20 keinen Strom fließt, kehrt die Kontaktbrücke 30 unmittelbar in ihre gegenüber den Terminals 40 beabstandete Position zurück.
Zum Erzeugen des Steuerstromes muss die Steuerspule 20 mit elektrischer Energie versorgt werden. Dazu ist das Schütz 10 mit einer Versorgungseinheit (Energiequelle) 50 beispielsweise über ein Steuergerät 60 verbindbar, das vorzugsweise ein Batteriesteuergerät ist.
Die Versorgungseinheit 50 kann dabei das Niedervoltnetz (Bordnetz) eines Fahrzeuges sein, das eine Spannung von 12 V bereitstellt. Wenn die Steuerspule 20 mit der Versorgungseinheit 50 durch das Steuergerät 60 verbunden ist, fließt durch die Steuerspule 20 der Steuerstrom und das Schütz 10 schließt. Wenn durch das Steuergerät 60 die Verbindung zwischen der Steuerspule 20 und der Energiequelle 50 unterbrochen wird, fließt durch die Steuerspule 20 kein Strom und das Schütz 10 öffnet.
Solche in den Traktionsleitungen einer Batterie eingesetzten Schütze 10 können in einem fehlerhaften Funktionszustand Ströme von etwa 1 bis 2 kA trennen. Für höhere Ströme werden üblicherweise Sicherungen (Schmelzsicherungen) eingesetzt.
So wie es in der 3 dargestellt wird, kommt es für Ströme von über 3 bis 10 kA zu einer durch die in einem geschlossenen Schütz 10 vorkommenden Lorentzkraft 70 verursachte Abstoßung zwischen den Terminals 40 und der Kontaktbrücke 30. Ströme von über 3 bis 10 kA können beispielsweise bei Vorliegen eines Kurzschlusses in den Traktionsleitungen der Batterie beziehungsweise bei Vorliegen eines Kurzschlusses in einem mit der Batterie elektrisch gekoppelten Inverter vorkommen. Dieses Phänomen bezeichnet man als Levitation. Dabei entsteht trotz aktiver, von dem Steuerstrom durchflossener Steuerspule 20 ein kleiner Abstand zwischen den Terminals 40 und der Kontaktbrücke 30. Über diese Luftstrecke bilden sich Lichtbögen 71, die die Kontaktoberflächen der Terminals 40 aufschmelzen. Wenn der Kurzschlussstrom danach durch die mit dem entsprechenden Hochvoltanschluss verbundene Sicherung unterbrochen wird, drückt die Kontaktbrücke 30 die zwei aufgeschmolzenen Terminals 40 zusammen. Dabei erstarrt das Material und die Kontaktbrücke 30 kann nach Abschalten des durch die Steuerspule 20 fließenden Steuerstromes nicht mehr geöffnet werden. Diesen Fehler bezeichnet man als Schützkleber. Die zwei Terminals 40 des Schützes 10 sind leitend miteinander verbunden und können nicht getrennt werden.
Die Zeit, in der das Schütz 10 den Kurzschlussstrom tragen können muss, ohne diesen Effekt zu erleiden, liegt bei einem ideal dimensionierten Schütz 10 immer höher als die Zeit, die die zugeordnete Sicherung (Schmelzsicherung) benötigt, um diesen Kurzschlussstrom zu trennen. Wenn ein Schütz 10 so dimensioniert ist, dann verschweißt das Schütz 10 aufgrund dieses Effekts nicht, ist nach dem Trennen des Kurzschlussstroms durch die ausgelöste Sicherung noch schaltbar und kann die Batterie von dem Hochvoltnetz des Fahrzeuges trennen.
Das Öffnen und Schließen solcher Schütze 10 wird üblicherweise durch das Batteriesteuergerät einer Batterie, in der die Schütze 10 eingesetzt werden, durchgeführt. Dabei kann durch das Batteriesteuergerät die von dem Niedervoltnetz eines Fahrzeuges bereitgestellte Niedervoltspannung von 12 V an die Schütze 10 weitergegeben werden.
Wenn diese Niedervoltspannung von 12 V ausfällt, dann öffnen sich die Schütze 10 unverzüglich. Auch bei Spannungsschwankungen im Niedervoltnetz des Fahrzeuges besteht die Gefahr, dass sich die Schütze 10 ungewollt öffnen. Wenn sich die Schütze 10 öffnen, während sie einen Strom leiten, dann bilden sich ab einer bestimmten Stärke dieses von den Schützen geleiteten Stromes, ähnlich wie beim Auftreten von Levitation, Lichtbögen, die zum Aufschmelzen der Kontaktoberflächen der Schütze 10 führen. Wird dann die von dem Niedervoltnetz bereitgestellte Spannung von 12 V wieder komplett stabilisiert, sodass die Schütze 10 wieder schließen können oder wird die Kontaktbrücke 30 durch einen mechanischen Stoß wieder geschlossen, verkleben die aufgeschmolzenen Kontaktoberflächen und die Schütze 10 verschweißen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildeten Batterie, die mit mindestens einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse über ein Schütz verbindbar ist, bereitgestellt. Dabei umfasst das Schütz eine Steuerspule und ist dazu ausgebildet, in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule ein Steuerstrom fließt, zu schließen und in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule kein Strom fließt, zu öffnen. Ferner ist die Steuerspule mit einer Versorgungsschaltung verbunden oder verbindbar, die dazu ausgebildet ist, eine gegenüber der von der Batterie erzeugten Batteriespannung kleinere Versorgungsspannung der Steuerspule zum Erzeugen des Steuerstromes bereitzustellen. Weiterhin umfasst die Versorgungsschaltung eine Spannungsumwandlungseinheit, die dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Batteriespannung oder einer mittels des an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetzes bereitstellbaren Spannung als Eingangsspannung zu verwenden, die Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, die mit der Versorgungsspannung gleich ist, umzuwandeln und zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule die Ausgangsspannung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Schalten eines Schützes für eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildete Batterie bereitgestellt, die mit einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse über das Schütz verbindbar ist, das eine Steuerspule umfasst. Dabei schließt das Schütz in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule ein Steuerstrom fließt, und öffnet in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule kein Strom fließt. Ferner wird der Steuerspule zum Erzeugen des Steuerstromes eine gegenüber der von der Batterie erzeugten Batteriespannung kleinere Versorgungsspannung mittels einer Versorgungsschaltung bereitgestellt. Weiterhin wird zumindest ein Teil der Batteriespannung oder einer mittels des an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetzes bereitstellbaren Spannung von einer in der Versorgungsschaltung angeordneten Spannungsumwandlungseinheit als Eingangsspannung verwendet und in eine Ausgangspannung, die mit der Versorgungsspannung gleich ist, umgewandelt. Auch wird zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule die mittels der Spannungsumwandlungseinheit als Ausgangsspannung erzeugte Versorgungsspannung bereitgestellt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei der Erfindung werden die zum Trennen einer Batterie von Ihren Hochvoltanschlüssen eingesetzten Schütze nicht mit elektrischer Energie, die aus einem Niedervoltnetz, wie beispielsweise einem Niedervoltnetz eines Fahrzeuges, entnommen wird, versorgt. Die Schütze werden erfindungsgemäß mit elektrischer Energie versorgt, die direkt aus der Batterie oder aus einem an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetz (Hochvoltkreis) der Batterie entnommen wird. Dazu werden die Schütze in einer geeigneten Weise über die erfindungsgemäße Versorgungsschaltung mit der Batterie oder mit Batteriezellen der Batterie oder mit dem von der Batterie versorgten Hochvoltnetz elektrisch gekoppelt. Mittels der erfindungsgemäßen Versorgungsschaltung wird direkt aus der Batterie oder direkt aus dem an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetz stammende elektrische Energie (Spannung) zur Steuerung der Schütze verwendbar gemacht. Vorzugsweise ist die Versorgungsschaltung als separate Elektronik und nicht als Teil anderer Komponenten des Batteriesystems ausgebildet.
Wenn das erfindungsgemäße Batteriesystem beispielsweise zum Betreiben eines Fahrzeuges eingesetzt wird, werden die Schütze auch beim Auftreten eines Unfalls, bei dem das Niedervoltnetz des Fahrzeuges zumindest teilweise beschädigt wird und durch den Schwankungen oder ein Entfall der von dem Niedervoltnetz bereitgestellte Spannung auftreten, weiterhin mit elektrischer Energie versorgt. Dadurch öffnen die Schütze auch beim Auftreten eines solchen Unfalls nicht und können definiert geschlossen bleiben.
Vorzugsweise ist der über das Schütz mit der Batterie verbindbare Hochvoltnetzanschluss ferner mit mindestens einer Sicherung beziehungsweise Schmelzsicherung verbunden oder verbindbar. Dabei ist die Sicherung dazu ausgebildet, zumindest einen Teil eines durch das geschlossene Schütz fließenden Stromes zu leiten und beim Vorliegen eines durch die Sicherung fließenden Stromes, der eine Stromstärke aufweist, die eine vorbestimmte Grenze überschreitet, innerhalb einer vordefinierten Zeit auszulösen, die kleiner als die Zeit ist, in dem eine Levitation in dem geschlossenen Schütz auftreten kann.
Wenn ein Schütz einen derartig starken Strom, wie beispielsweise einen Kurzschlussstrom, leitet, dass solche zum Verschweißen des Schützes führende Lichtbögen beim Öffnen des Schützes auftreten können, wird der durch das Schütz geleitete Strom durch die ausgelöste Sicherung unterbrochen, bevor das Schütz infolge einer Levitation öffnet. So wird vermieden, dass das Schütz infolge von Lichtbögen verschweißt und nicht mehr öffnen kann.
Werden die Schütze für die Batterie eines Batteriesystems verwendet, das zum Betreiben eines Fahrzeuges eingesetzt wird, so werden die Schütze auch bei einem Unfall, bei dem das Niedervoltnetz des Fahrzeuges zumindest teilweise beschädigt oder abgeschaltet wird und bei dem auch Kurzschlüsse in dem Hochvoltnetz des Fahrzeuges auftreten, weiterhin mit elektrischer Energie versorgt und öffnen nicht ungewollt infolge von bei einem solchen Unfall auftretenden Schwankungen oder Entfall der von der Niedervoltnetz des Fahrzeuges bereitgestellte Spannung. Die Schütze bleiben dann auch bei einem solchen Unfall zuverlässig geschlossen bis mindestens eine der mit den Schützen verbundenen Sicherungen ausgelöst hat. Dadurch werden das Öffnen der Schütze beim Vorliegen einer zu hohen elektrischen Last und damit das Verkleben der Schütze verhindert.
Vorzugsweise umfasst die Spannungsumwandlungseinheit einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler, oder einen Transformator oder einen Optokoppler oder eine Halbleiterschaltung.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Spannungsumwandlungseinheit weiter dazu vorgesehen, zumindest einen Teil einer mittels eines in dem Hochvoltnetz angeordneten Inverters bereitstellbaren Wechselspannung als Eingangsspannung zu verwenden.
Bevorzugt umfasst das Batteriesystem ein Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, zum Schalten des Schützes einen mittels der Versorgungsschaltung ausbildbaren Versorgungsstromkreis zum Erzeugen des durch die Steuerspule fließenden Steuerstromes zu schließen und zu öffnen. Weiter bevorzugt ist das Steuergerät dazu ausgebildet, den durch die Steuerspule fließenden Steuerstrom einzustellen, insbesondere zu senken.
Vorzugsweise ist das Steuergerät das Batteriesteuergerät.
Solche in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem eingesetzten Schütze werden durch eine hohe Anzugsspannung geschlossen. Das Öffnen und Schließen der Schütze wird bevorzugt von dem Batteriesteuergerät durchgeführt. Dabei können die Steuerspulen der Schütze durch das Batteriesteuergerät mit elektrischer Energie versorgt werden.
Insbesondere wird nach dem Schließen der Schütze der durch die Steuerspulen der Schütze fließende Steuerstrom durch ein pulsweitenmoduliertes Signal und/oder durch eine reduzierte Haltespannung und/oder durch die Verwendung einer sogenannten Economiser-Spule (Economizerspule) gesenkt. Im geschlossenen Zustand braucht ein Schütz deutlich weniger Leistung.
Vorzugsweise ist die Versorgungsschaltung in dem Steuergerät angeordnet.
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Versorgungsschaltung in der Batteriespannungsmesseinheit (Batteriepackspannungsmessung) des Batteriesteuergeräts eingebaut sein. In diesem Fall wird die Batteriespannung (Batteriepackspannung) mittels der in der Batteriespannungsmesseinheit des Batteriesteuergerätes angeordneten Spannungswandlungseinheit der Versorgungsschaltung batteriesteuergerätintern in die benötigte Versorgungsspannung von beispielsweise 12V umgewandelt und diese dann gesteuert über einen Ausgang an die Schütze weitergeben.
Weiter bevorzugt kann die erfindungsgemäße Versorgungsschaltung in dem Batteriesteuergerät als eine gegenüber der Batteriespannungsmesseinheit (Batteriepackspannungsmessung) separat ausgebildete Elektronik eingebaut sein. Vorzugsweise werden für diesen Fall extra Leitungen, die von der Batterie beziehungsweise den Batteriezellen zum Steuergerät verlaufen, verlegt.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Versorgungsschaltung in dem Schütz angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Schütze selbst bevorzugt so modifiziert, dass sie sich aus dem von der Batterie versorgten Hochvoltpfad mit Energie versorgen. Optional umfassen die Schütze jeweils nur noch einen zusätzlichen Steuereingang, über den das Öffnen und Schließen des entsprechenden Schützes von dem Batteriesteuergerät aus angesteuert wird. Dieser Steuereingang kann vorzugsweise eine herkömmliche Glasfaserleitung umfassen, die eine bessere galvanische Trennung zwischen dem Hochvoltnetz und einem erfindungsgemäß ausgebildeten Niedervoltnetz zur Versorgung der Schütze realisiert. Dieser zuvor eingeführte Steuereingang kann vorzugsweise auch mittels herkömmlicher Drahtleitungen realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit eines erfindungsgemäßen Batteriesystems (Batteriepacks), das in einem Fahrzeug eingesetzt wird und dessen Schütze mit elektrischer Energie versorgt werden, die direkt aus der Batterie oder aus einem an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetz (Hochvoltkreis) der Batterie entnommen wird, da die Sicherstellung der vollen Funktionalität eines solchen erfindungsgemäßen Batteriesystems nicht mehr von der hundertprozentigen Funktionalität des Niedervoltnetzes (12V-Versorgung) des Fahrzeuges abhängig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Zeichnungen ist:
1 ein aus dem Stand der Technik bekannten Schütz im geschlossenen Zustand,
2 das in der 1 dargestellte Schütz im offenen Zustand,
3 das in der 1 dargestellte Schütz beim Vorliegen von Levitation,
4 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei das Batteriesystem eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes ausgebildete Batterie umfasst, die mit ihren Hochvoltnetzanschlüssen über Schütze verbindbar ist, die mit elektrischer Energie, die direkt aus der Batterie oder aus dem Hochvoltnetz der Batterie versorgt werden,
5 eine detaillierte Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem aus der 4 eingesetzten Schützes, das mittels einer Versorgungsschaltung mit einer Spannungsumwandlungseinheit mit elektrischer Energie versorgt wird,
6 eine detaillierte Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem aus der 4 eingesetzten Schützes, das mittels einer Versorgungsschaltung mit einer als Gleichspannungswandler ausgebildeten Spannungsumwandlungseinheit mit elektrischer Energie versorgt wird, und
7 eine detaillierte Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen Batteriesystem aus der 4 eingesetzten Schützes, das mittels einer Versorgungsschaltung mit einer einen Transformator umfassen Spannungsumwandlungseinheit mit elektrischer Energie versorgt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
In der 4 ist ein Batteriesystem 100 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, das eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes 103 eines Fahrzeuges ausgebildete Batterie 101 und mindestens eine Versorgungsschaltung (nicht dargestellt) zum Versorgen der in den Traktionsleitungen 120, 121 der Batterie 101 vorhandenen Schütze 10 mit elektrischer Energie, die aus der Batterie 100 oder aus dem mit der Batterie 101 versorgten Hochvoltnetz 103 stammt, umfasst. Die Batterie 101 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Batteriemodule 102 zum Erzeugen einer für das Hochvoltnetz 103 geeignete Batteriespannung. In jeder der Traktionsleitungen 120, 121 ist ein Schütz 10 angeordnet. Die Batterie 101 kann über eins der zwei Schütze 10 mit ihrem positiven Hochvoltanschluss 130 und über das andere der zwei Schütze 10 mit ihrem negativen Hochvoltanschluss 131 verbunden werden.
Zwischen den Hochvoltanschlüssen 130, 131 der Batterie 101 sind zwei parallel geschaltete Verbraucher 140, 141 angeschlossen. Dabei ist der positive Hochvoltanschluss 130 über den Verbraucherpfad 150 mit dem Verbraucher 140 und über den Verbraucherpfad 151 mit dem Verbraucher 141 verbunden. Die Batterie 101 des Batteriesystems (Batteriepacks) 100 hat keine Sicherung in der Mitte. Jeder Verbraucherpfad 150, 151 ist über eine zugeordnete Sicherung 110 des Batteriesystems 100 einzeln abgesichert. Beide Sicherungen 110 sind mit dem Hochvoltanschluss 130 direkt verbunden.
Diese oben genannte Architektur findet Ihren Einsatz in Batteriesystemen, bei denen der gesamte Batteriestrom für eine einzelne Sicherung (Schmelzsicherung) in der Batteriemitte zu groß ist, das heißt, dass es keine Sicherung auf dem Markt gibt, welche die Anforderungen an den Batteriestrom über die Lebenszeit der Batterie 101 erfüllen kann. Ein Kurzschluss in einem der Verbraucherpfade 150, 151 löst die ihm zugeordnete Sicherung 110 in dem Batteriesystem 100 aus. Um den anderen Verbraucher 150, 151 und das Hochvoltnetz des Fahrzeuges spannungsfrei zu schalten, öffnen danach die beiden Schütze 10.
In der 5 ist ein Schütz 10 zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung detailliert dargestellt.
Das Schütz 10 ist als Magnetschalter 11 mit einer Steuerspule 20 ausgebildet. Der Magnetschalter 11 umfasst eine bewegliche Kontaktbrücke 30 und zwei Terminals 40. Das Schütz 10 schließt in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule 20 ein Steuerstrom fließt, und öffnet in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule 20 kein Strom fließt. Wenn ein Steuerstrom durch die Steuerspule 20 fließt, wird die Kontaktbrücke 30 mittels magnetischer Kraft zu den Terminals 40 hin bewegt und gegen diese Terminals 40 gedrückt. Wenn durch die Steuerspule 20 kein Strom fließt, kehrt die Kontaktbrücke 30 unmittelbar in ihre gegenüber den Terminals 40 beabstandete Position zurück. In der 5 wird das Schutz 10 in seinem geschlossenen Zustand dargestellt, in dem das Schütz 10 über die Terminals 40 und die Kontaktbrücke 30 auch hohe Ströme, insbesondere Kurzschlussströme, die durch die Traktionsleitungen 120, 121 der Batterie fließen können, leiten kann.
Zum Erzeugen des Steuerstromes ist die Steuerspule 20 mit einer Versorgungsschaltung 80 verbunden oder verbindbar, die eine Spannungsumwandlungseinheit 90 umfasst, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der Batteriespannung oder einer mittels des an die Batterie angeschlossenen Hochvoltnetzes bereitstellbaren Spannung als Eingangsspannung UE zu verwenden und in eine Ausgangsspannung UA umzuwandeln, die mit einer von der Steuerspule 20 zum Erzeugen des Steuerstromes benötigte Versorgungsspannung gleich ist. Dazu ist die Spannungsumwandlungseinheit 90 ferner dazu ausgebildet, zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule 20 ihre Ausgangsspannung UA bereitzustellen.
So wie es in der 6 dargestellt wird, umfasst das Batteriesystem 100 ein Steuergerät 61, das über die Spannungsumwandlungseinheit 90 an die Hochvoltanschlüsse 130, 131 der Batterie 101 und an die Steuerspule 20 angeschlossen oder anschließbar ist und das die Versorgungsschaltung 80 umfasst. Das in der 6 dargestellte Schütz 10 ist identisch mit dem in der 5 dargestellten Schütz 10 ausgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde das Schütz 10 in der 6 nur noch stark schematisiert angedeutet.
In der Ausführungsform aus der 6 umfasst die Versorgungsschaltung 80 eine als Gleichspannungswandler 91 ausgebildete Spannungsumwandlungseinheit 90. Der Gleichspannungswandler 91 ist über das Steuergerät 61 eingangsseitig an die Hochvoltanschlüsse 130, 131 der Batterie 101 und ausgangsseitig an die Steuerspule 20 angeschlossen oder anschließbar. Dabei verwendet der Gleichspannungswandler 91 die Batteriespannung als seine Eingangsspannung UE und wandelt diese in seine Ausgangsspannung UA um, die mit der von der Steuerspule 20 zum Erzeugen des Steuerstromes benötigte Versorgungspannung gleich ist. Ferner stellt der an die Hochvoltanschlüsse 130, 131 der Batterie 101 und an der Steuerspule 20 angeschlossene Gleichspannungswandler 91 zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule 20 seine Ausgangsspannung UA bereit.
Das Steuergerät 61 ist dazu ausgebildet, zum Schalten des Schützes 10 einen Versorgungsstromkreis 81 zu schließen und zu öffnen, der die Versorgungsschaltung 80 umfasst und über den in seinem geschlossenen Zustand die Versorgungsschaltung 80 zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule 20 die Ausgangsspannung UE der Spannungsumwandlungseinheit 90 bereitstellt. Bevorzugt ist das Steuergerät 61 dazu ausgebildet, den durch die Steuerspule 20 fließenden Strom zum Schalten des Schützes 10 geeignet einzustellen oder nach dem Schließen des Schutzes geeignet einzustellen, insbesondere zu senken. Weiter bevorzugt ist das Steuergerät 61 das Batteriesteuergerät des Batteriesystems 100.
In der 7 ist ein weiteres Schütz 10 zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem 100 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung detailliert dargestellt. Das in der 7 gezeigte Schütz 10 ist genauso wie das in der 5 dargestellte Schütz 10 als Magnetschalter 11 mit Steuerspule 20 ausgebildet. Für die gleichen Komponenten werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde das Schütz 10 in der 7 nur noch stark schematisiert angedeutet.
Die Versorgungsschaltung 80 zum Erzeugen des durch die Steuerspule 20 fließenden Steuerstromes ist in der Ausführungsform aus der 7 in dem Schütz 10 selber eingebaut.
Zum Erzeugen des Steuerstromes ist die Steuerspule 20 des Schützes 10 mit einer in dem Schütz 10 angeordneten Versorgungsschaltung 80 verbunden oder verbindbar, die eine Spannungsumwandlungseinheit 90 umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine von dem an die Batterie 101 angeschlossenen Hochvoltnetz 103 bereitstellbare Spannung U1 als Ausgangsspannung U1 zu verwenden und diese in eine Ausgangsspannung UA umzuwandeln, die mit der von der Steuerspule 20 zum Erzeugen des Steuerstromes benötigten Versorgungspannung gleich ist. Ferner ist die Spannungsumwandlungseinheit 90 dazu ausgebildet ihre Ausgangsspannung der Steuerspule 20 zum Erzeugen des Steuerstromes bereitzustellen.
Dazu umfasst die Spannungsumwandlungseinheit 90 einen Transformator 92, der mit den Anschlüssen einer Phase eines dreiphasigen Inverters 104 verbindbar ist, der in dem mittels der Batterie 101 versorgten Hochvoltnetz 103 angeordnet ist. Der Inverter 104 ist eingangsseitig mit den Hochvoltanschlüssen 130, 131 der Batterie 101 verbindbar. In seinem an die Batterie 101 angeschlossenen Zustand wandelt der Inverter 104 die Batteriespannung UB in eine dreiphasige Wechselspannung um und stellt diese dreiphasige Wechselspannung ausgangsseitig bereit. Der an eine Phase des Inverters 104 eingangsseitig angeschlossene Transformator 92 ist dazu ausgebildet, eine von der entsprechenden Phase des Inverters 104 bereitstellbare Wechselspannung U1 in eine weiteren Wechselspannung mit kleinerer Amplitude umzuwandeln und diese weitere Wechselspannung einem in der Spannungsumwandlungseinheit 90 angeordneten Spannungswandler 93 als Eingangsspannung bereitzustellen. Der Spannungswandler 93 ist dazu ausgebildet die ihm als Eingangsspannung bereitgestellte weitere Wechselspannung in eine Gleichspannung, die er als Ausgangsspannung UA bereitstellt und die mit der von der Steuerspule 20 zum Erzeugen des Steuerstromes benötigten Versorgungspannung gleich ist, umzuwandeln. Dabei ist der Spannungswandler 93 weiterhin dazu ausgebildet, zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule 20 seine Ausgangsspannung UE bereitzustellen.
Ferner umfasst das Batteriesystem ein Steuergerät 62, das dazu ausgebildet ist, zum Schalten des Schützes 10 einen Versorgungsstromkreis 81 zu schließen und zu öffnen, der die Versorgungsschaltung 80 umfasst und über den in seinem geschlossenen Zustand die Versorgungsschaltung 80 zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule 20 die Ausgangsspannung UE der Spannungsumwandlungseinheit 90 bereitstellt. Bevorzugt ist das Steuergerät 61 dazu ausgebildet, den durch die Steuerspule 20 fließenden Strom zum Schalten des Schützes 10 geeignet einzustellen oder nach dem Schließen des Schützes 10 geeignet einzustellen, insbesondere zu senken.
Vorzugsweise ist das Steuergerät 62 das an die Hochvoltanschlüsse 130, 131 der Batterie 101 anschließbare oder angeschlossene Batteriesteuergerät.
Das Steuergerät 62 ist über eine Steuerleitung 66 mit einem Steuereingang 82 des Schützes 10 verbindbar. Das Öffnen und das Schießen des Versorgungsstromkreises 81 sind von dem Steuergerät 62 aus über den Steuereingang 82 steuerbar.
Ein Fahrzeug, das mittels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 betrieben wird, kann einem Unfalltest (Crashtest) unterzogen werden, der zu einer Entstehung von Lichtbögen und einer Verschweißung der Schütze 10 führen kann.
Während eines Unfalls eines Fahrzeugs wird durch eine Vorrichtung des Fahrzeuges das Niedervoltnetz des Fahrzeuges abgetrennt. Auch können durch einen Unfall relevante Leitungen des Niedervoltnetzes zerrissen werden. Bei einem Unfall ist das Hochvoltnetz 103 des Fahrzeuges aber noch weiterhin im Betrieb. Durch einen solchen Unfall kann in diesem Hochvoltnetz 103 ein niederohmiger Kurzschluss entstehen. Wenn das Fahrzeug mittels eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 100 betrieben wird, in dem die Schütze 10 mit elektrischer Energie versorgt werden, die direkt aus der Batterie 101 oder aus dem Hochvoltnetz 103 stammt, werden die beiden Schütze 10 der Batterie 101 erst nach dem Trennen des Hochvoltnetzes 103 durch mindestens eine ausgelöste Sicherung (Schmelzsicherung) 110 geöffnet, obwohl das Niedervoltnetz schon vor dem Trennen des Hochvoltnetzes 103 durch die ausgelöste Sicherung 110 zusammengebrochen ist. Das führt dazu, dass die Schütze 10, nach dem Trennen des Hochvoltnetzes durch mindestens eine der Schmelzsicherungen 110, das heißt, zu einem Zeitpunkt, in dem kein Strom mehr über sie fließt, ordnungsgemäß öffnen. Folglich verkleben die Schütze 10 nicht und das Hochvoltnetz des Fahrzeuges ist spannungsfrei, weil die Batterie 101 davon getrennt wurde. Rettungskräfte können nun ohne die Gefahr eines elektrischen Schlags die möglicherweise verletzten Insassen bergen.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 7 Bezug genommen.

Claims

Batteriesystem (100) mit einer zum Versorgen eines Hochvoltnetzes (102) ausgebildeten Batterie (101), die mit mindestens einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse (130, 131) über ein Schütz (10) verbindbar ist, das eine Steuerspule (20) umfasst und dazu ausgebildet ist, in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule (20) ein Steuerstrom fließt, zu schließen und in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule (20) kein Strom fließt, zu öffnen, wobei die Steuerspule (20) mit einer Versorgungsschaltung (80) verbunden der verbindbar ist, die dazu ausgebildet ist, eine gegenüber der von der Batterie (101) erzeugten Batteriespannung (UB) kleinere Versorgungsspannung der Steuerspule (20) zum Erzeugen des Steuerstromes bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsschaltung (80) eine Spannungsumwandlungseinheit (90) umfasst, die dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der Batteriespannung (UB) oder einer mittels des an die Batterie (101) angeschlossenen Hochvoltnetzes (102) bereitstellbaren Spannung (U1) als Eingangsspannung (UE) zu verwenden, die Eingangsspannung (UE) in eine Ausgangsspannung (UA), die mit der Versorgungsspannung gleich ist, umzuwandeln und zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule (20) die Ausgangsspannung (UA) bereitzustellen.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Spannungsumwandlungseinheit (90) einen Gleichspannungswandler (91), insbesondere einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler, oder einen Transformator (92) oder einen Optokoppler oder eine Halbleiterschaltung umfasst.
Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Spannungsumwandlungseinheit (90) weiter dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil einer mittels eines in dem Hochvoltnetz (102) angeordneten Inverters (103) bereitstellbaren Wechselspannung (U1) als Eingangsspannung (UE) zu verwenden.
Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Steuergerät (61, 62), das dazu ausgebildet ist, zum Schalten des Schützes (10) einen mittels der Versorgungsschaltung (80) ausbildbaren Versorgungsstromkreis (81) zum Erzeugen des durch die Steuerspule (20) fließenden Steuerstromes zu schließen und zu öffnen und/oder den durch die Steuerspule (20) fließenden Steuerstrom einzustellen, insbesondere zu senken.
Batteriesystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Versorgungsschaltung (80) in dem Schütz (10) oder in dem Steuergerät (61) angeordnet ist.
Verfahren zum Schalten eines Schützes (10) für eine zum Versorgen eines Hochvoltnetzes (102) ausgebildete Batterie (101), die mit einem ihrer Hochvoltnetzanschlüsse (130, 131) über das Schütz (10) verbindbar ist, das eine Steuerspule (20) umfasst, wobei das Schütz (10) in einem Zustand, in dem durch die Steuerspule (20) ein Steuerstrom fließt, schließt und in einem weiteren Zustand, in dem durch die Steuerspule (20) kein Strom fließt, öffnet und wobei der Steuerspule (20) zum Erzeugen des Steuerstromes eine gegenüber der von der Batterie (101) erzeugten Batteriespannung (UB) kleinere Versorgungsspannung mittels einer Versorgungsschaltung (80) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Batteriespannung (UB) oder einer mittels des an die Batterie (101) angeschlossenen Hochvoltnetzes (102) bereitstellbaren Spannung (U1) von einer in der Versorgungsschaltung (80) angeordneten Spannungsumwandlungseinheit (90) als Eingangsspannung (UE) verwendet wird und in einer Ausgangspannung (UA), die mit der Versorgungsspannung gleich ist, umgewandelt wird, wobei mittels der Spannungsumwandlungseinheit (90) zum Erzeugen des Steuerstromes der Steuerspule (20) die als Ausgangsspannung (UA) erzeugte Versorgungsspannung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Spannungsumwandlungseinheit (90), die einen Gleichspannungswandler (91), insbesondere einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler, oder einen Transformator (92) oder eine Halbleiterschaltung umfasst, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei zumindest ein Teil einer mittels eines in dem Hochvoltnetz (102) angeordneten Inverters (103) bereitgestellten Wechselspannung (U1) von der Spannungsumwandlungseinheit (90) als Eingangsspannung (UE) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei mittels eines in dem Batteriesystem (100) angeordneten Steuergerätes (61, 62) die Steuerspule (20) geschaltet wird, indem ein mittels der Versorgungsschaltung (80) ausbildbarer Versorgungsstromkreis (81) zum Erzeugen des durch die Steuerspule (20) fließenden Steuerstromes mittels des Steuergerätes (61, 62) geschlossen oder geöffnet wird und/oder der durch die Steuerspule (20) fließende Steuerstrom mittels des Steuergerätes (61, 62) eingestellt wird, insbesondere gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei als Versorgungsschaltung (80) eine in dem Schütz (10) oder in dem Steuergerät (61) angeordnete Versorgungsschaltung (61) verwendet wird.
Fahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.