DE102015201914B4

DE102015201914B4 - Einschalten eines Kraftfahrzeug-Hochspannungsbusses unter Verwendung eines einzelnen Hauptschützkontaktes

Info

Publication number: DE102015201914B4
Application number: DE102015201914.4A
Authority: DE
Inventors: Ray C. Siciak; Vineeth S. Kallur; Deborah E. Callicoat; Derek Hartl; Masahiro Kimoto
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2035-02-05
Also published as: US20150217642A1; CN104827988B; CN104827988A; DE102015201914A1; US9630503B2

Abstract

Kraftfahrzeug-Hochspannungsbus-Trennschaltung (50), die Folgendes umfasst:eine Hochspannungs-Leistungsquelle (52);einen elektrischen Fahrzeugbus (54);eine erste Leitung (56) zwischen der Leistungsquelle (52) und dem Bus (54), die parallel einen Vorladeschützkontakt (62) und einen Hauptschützkontakt (64) aufweist,wobei der Vorladeschützkontakt (62) dazu ausgelegt ist, zu schließen, bevor der Hauptschützkontakt (64) schließt, und der Vorladeschützkontakt (62) wieder öffnet,nachdem der Hauptschützkontakt (64) schließt;eine durchgehende zweite Leitung (58) zwischen der Leistungsquelle (52) und dem Bus (54);einen Sensor (72), der einen Zustand des Hauptschützkontaktes (64) überwacht; undein Batteriesteuerungsmodul (76), das vom Sensor (72) bereitgestellte Daten verarbeitet und einen Verschleiß am Hauptschützkontakt (64) diagnostiziert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Einschalten eines Kraftfahrzeug-Hochspannungsbusses.
Elektrofahrzeuge verwenden elektrische Hochspannungs-Traktionsmotoren, um die Räder des Fahrzeugs anzutreiben. Die Traktionsmotoren verwenden eine elektrische Hochspannungs-Leistungsquelle, die üblicherweise die Form einer Hochspannungsbatterie hat. Elektrische Leistung wird aus der Leistungsquelle in die Traktionsmotoren über einen elektrischen Hochspannungsbus eingespeist.
Typischerweise werden zwei Hauptschützkontakte verwendet, um den elektrischen Hochspannungsbus mit der Batterie zu verbinden, jeweils einer in der Plus- und in der Rückleitung. Unter speziellen Bedingungen wird die Hochspannungsbatterie entkoppelt, was durch das Öffnen der Schützkontakte erfolgt. Mit der Abnutzung der Schützkontakte erhöht sich die Möglichkeit, dass, wenn es darauf ankommt, ein Hauptschützkontakt beim Öffnen versagt. Um dieses Problem zu behandeln, werden zwei Schützkontakte verwendet, um Verschleiß an den Schützkontakten zu reduzieren und Redundanz bereitzustellen. Einzelne Schützkontakte sind für Schaltungen verwendet worden, bei denen Verschleißfestigkeit nicht von Belang ist, jedoch ist eine solche Verwendung typischerweise auf Niederspannungsanwendungen beschränkt, wie zum Beispiel auf ein Maximum von 120 Volt.
Allerdings erhöht die Verwendung von zwei Schützkontakten in der Hochspannungsbus-Trennschaltung die Komplexität und die Kosten für das Einschalten von Hochspannungsbussen über 150 Volt. Mit bekannten Verfahren zur Herstellung von Hochspannungsschützkontakten wird erreicht, dass einzelne Schützkontakte ungefähr 200.000 Schließ- und Öffnungszyklen halten. Bei einem Durchschnitt von 3,5 Fahrzeugstarts pro Tag kann ein einzelner Schützkontakt dann mehr als 150 Jahre halten.
Die CN 201985573 U offenbart ein Vorlade-Managementsystem, das mehrere Untersteuerungen, eine Vorladeschaltung und ein Bedienfeld umfasst. Die Vorladeschaltung umfasst ein Hauptschütz, einen Vorladewiderstand und ein Vorladerelais. Das Hauptschütz ist in Reihe mit Stromversorgungsschaltungen jeder Untersteuerung geschaltet, und das Vorladerelais ist mit einem Vorladewiderstand in Reihe und mit dem Hauptschütz parallel geschaltet.
Die US 6597072 B2 beschreibt ein System zum Laden eines Hochspannungsbusses innerhalb eines Fahrzeugs. Das System umfasst eine oder mehrere elektrische Leistungsquellen, eine Steuerung, einen Vorladeschütz und einen Vorladewiderstand, einen Hauptschütz und einen Busspannungssensor. Das Vorladeschütz und das Hauptschütz sind jeweils unter Verwendung der elektrischen Busse kommunikativ mit der Steuerung gekoppelt, und der Sensor ist unter Verwendung des elektrischen Busses kommunikativ mit der Steuerung gekoppelt. Die Steuerung berechnet die Spannung und Spannungsänderung des Busses über die Zeit und verwendet diese Werte innerhalb einer Zustandsmaschinenstrategie, um die Schütze zu schließen, wodurch der Hochspannungsbus geladen wird.
Die US 2003/0137791 A1 offenbart eine Schützrückkopplungs- und Vorladeschaltung, die in der Lage ist, i) eine Last vorzuladen, um den Einschaltstrom zu steuern, ii) die Last zu entladen, um das Risiko eines Stromschlags aufgrund kapazitiver Ladung zu beseitigen, und iii) das System abzuschalten für den Fall, dass das Schütz während des Betriebs unbeabsichtigt öffnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Einschalten des Kraftfahrzeug-Hochspannungsbusses zu ermöglichen und Kosten und Komplexität zu reduzieren, während die Verschleißfestigkeit der Hochspannungsbus-Trennschaltung aufrechterhalten wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kraftfahrzeug-Hochspannungsbus-Trennschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen Ausgestaltungen.
Ein Vorteil einer Ausführungsform ist verbessertes Einschalten des Kraftfahrzeug-Hochspannungsbusses, bei dem die Anzahl der eingesetzten Hauptschützkontakte reduziert ist. Dies kann Kosten und Komplexität reduzieren, während die Verschleißfestigkeit der Hochspannungsbus-Trennschaltung aufrechterhalten wird.

1 ist eine schematische Ansicht eines Blockschaltbilds einer Hochspannungsbus-Trennschaltung nach dem Stand der Technik.
2 ist eine schematische Ansicht eines Blockschaltbilds einer Ausführungsform einer Hochspannungsbus-Trennschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 veranschaulicht eine Hochspannungs-Trennschaltung für ein Kraftfahrzeug, die im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird. Eine Hochspannungs-Leistungsquelle 12 ist mit einem Hochspannungsbus 14 durch eine erste und zweite Leitung 16 bzw. 18 verbunden. Die Hochspannungs-Leistungsquelle 12 kann eine Batterie sein. Die erste Leitung 16 weist den Vorlade- und den Hauptschützkontakt 22 bzw. 24 auf, und die zweite Leitung 18 weist einen Hilfsschützkontakt 20 auf. Der Vorlade- und der Hauptschützkontakt 22, 24 sind parallel verdrahtet. Eine Vorladeeinrichtung 26 liegt in einem ersten Zweig 34 der ersten Leitung 16.
Die Vorladeeinrichtung 26 reduziert Einschaltstrom, wenn die Hochspannungs-Trennschaltung geschlossen wird, und kann irgendeine solche geeignete Einrichtung sein, die bei Fachleuten bekannt ist. Der Betrieb des Hilfs-, des Vorlade- und des Hauptschützkontaktes 20, 22, 24 wird durch ein Startsignal 30 gesteuert. Das Startsignal 30 wird von einem Fahrzeugfahrer ausgelöst und kann durch einen mechanischen Zündschalter oder einen elektronischen Startknopf erzeugt werden, wie zum Beispiel einen Taster oder durch Fernstart.
Die Hochspannungs-Trennschaltung schaltet den Hochspannungsbus 14 ein, wenn beim Empfang des Startsignals 30 der Hilfsschützkontakt 20 schließt, dann der Vorladeschützkontakt 22 schließt und schließlich der Hauptschützkontakt 24 schließt. Nach Abschluss des Vorladens öffnet der Vorladeschützkontakt 22 wieder, und das Einschalten des Hochspannungsbusses 14 ist abgeschlossen. Der Hochspannungsbus 14 wird durch Öffnen zuerst des Hauptschützkontaktes 24 und dann des Hilfsschützkontaktes 20 ausgeschaltet.
Jetzt mit Bezug auf 2: Es wird dort eine Hochspannungs-Trennschaltung 50 für ein Kraftfahrzeug 48 dargestellt. Der Begriff Hochspannung, wie er hier verwendet wird, bedeutet Spannungen im Bereich von etwa 150 Volt und darüber.
Die Hochspannungs-Trennschaltung 50 enthält eine Hochspannungs-Leistungsquelle 52, die mit einem Hochspannungsbus 54 durch die erste und die zweite Leitung 56 bzw. 58 verbunden ist. Die Hochspannungs-Leistungsquelle 52 kann eine Batterie sein. Die erste Leitung 56 weist den Vorlade- und den Hauptschützkontakt 62 bzw. 64 auf. Die zweite Leitung 58 ist zwischen der Hochspannungs-Leistungsquelle 52 und dem Hochspannungsbus 54 durchgehend elektrisch verbunden und unterbrechungsfrei. Durchgehend elektrisch verbunden, wie es hier verwendet wird, bedeutet, dass es keinen Schützkontakt (Schalter) auf der zweiten Leitung 58 gibt, der während des Einschaltens oder des Ausschaltens des Hochspannungsbusses 54 automatisch geöffnet oder geschlossen werden kann. Auch bedeutet der Begriff durchgehend, dass die zweite Leitung zwischen der Leistungsquelle 52 und dem Hochspannungsbus 54 durchgehend elektrisch verbunden ist. Zum Beispiel kann die zweite Leitung 58 ein starrer und durchgezogener Draht sein. Der Vorlade- und der Hauptschützkontakt 62, 64 sind parallel verdrahtet. Eine Vorladeeinrichtung 66 liegt mit dem Vorladeschützkontakt 62 in einem ersten Zweig 74 der ersten Leitung 56.
Die Vorladeeinrichtung 66 reduziert Einschaltstrom, wenn die Hochspannungs-Trennschaltung geschlossen wird, und kann irgendeine solche geeignete Einrichtung sein, die bei Fachleuten bekannt ist. Der Betrieb des Vorlade- und des Hauptschützkontaktes 62, 64 wird durch ein Startsignal 70 gesteuert. Das Startsignal 70 wird von einem Fahrzeugfahrer ausgelöst und kann durch einen mechanischen Zündschalter oder einen elektronischen Startknopf erzeugt werden, wie zum Beispiel einen Taster oder durch Fernstart. Alternativ können der Vorlade- und der Hauptschützkontakt 62, 64 von einem Fahrzeugmanagementsystem geschlossen werden, um die Batterie aufzuladen, oder vom Fahrzeugfahrer, der den mechanischen Anlasser in eine Run- oder Zubehör-Stellung positioniert. Die Hochspannungs-Trennschaltung 50 enthält zusätzlich einen Sensor 72, um sowohl den Betriebszustand des Hauptschützkontaktes 64 als auch den Verschleiß an ihm zu messen. Der Sensor 72 stellt einem Batteriesteuerungsmodul 76 Daten zum Hauptschützkontakt 64 bereit. Das Batteriesteuerungsmodul 76 regelt und steuert die Funktionsfähigkeit der Batterie und verknüpfter Systeme. Dies beinhaltet, dass das Batteriesteuerungsmodul 76 Echtzeit-Diagnostiken bereitstellt sowie die Batterie erhält. Das Batteriesteuerungsmodul 76 kann den Vorlade- und Hauptschützkontakt 62, 64 öffnen und schließen sowie den Verschleiß am Hauptschützkontakt 64 diagnostizieren.
Es wird jetzt der Betrieb der Hochspannungs-Trennschaltung 50 erörtert. Wenn das Einschalten des Hochspannungsbusses 54 ausgelöst wird, sind nur der Vorlade- und der Hauptschützkontakt 62, 64 in der Hochspannungs-Trennschaltung 50 geöffnet. Bei Empfang des Startsignals 70 schließt ein Vorladeschützkontakt 62. An diesem Punkt lädt die Hochspannungs-Trennschaltung 50 vor. Nach dem Abschluss des Vorladens schließt der Hauptschützkontakt 64, während der Vorladeschützkontakt 62 geschlossen bleibt. Sobald der Hauptschützkontakt 64 geschlossen ist, öffnet der Vorladeschützkontakt 62 wieder und das Einschalten des Hochspannungsbusses 54 durch die Hochspannungs-Trennschaltung 50 ist abgeschlossen.
Das Vorladen ist abgeschlossen, wenn das Spannungsgefälle zwischen der Hochspannungsbatterie 52 und dem Hochspannungsbus 54 innerhalb eines speziellen Bereichs liegt. Der Bereich von akzeptablen Spannungsgefällen hängt von der Lichtbogenmenge ab, für den die Schützkontakte ausgelegt sind, ohne inakzeptablen Verschleiß zu erleiden. Wie Fachleute verstehen werden: Je höher ausgelegt der Schützkontakt in einer Hochspannungsschaltung ist, desto weniger Vorladen erfordert die Schaltung. Das heißt: Je größer der Schützkontakt ausgelegt ist, desto größer kann das Spannungsgefälle zwischen der Hochspannungsquelle und der Schaltung am Ende des Vorladens sein, ohne dass der Schützkontakt inakzeptablen Verschleiß erleidet. Je länger die Dauer der Vorladezeit ist, desto geringer wird auch das Spannungsgefälle am Ende des Vorladens sein. Das Vorladen der einzelnen Hauptschützkontakt-Trennschaltung 50 dauert im Allgemeinen länger, als nach dem Stand der Technik zwei Schützkontakt-Trennschaltungen 10 vorzuladen, wenn die Hochspannungs-Leistungsquellen 12, 52 gleiche Spannungspotentiale aufweisen. Als nicht einschränkendes Beispiel: Das Vorladen der Trennschaltung 50 dauert ungefähr 30 % länger, als nach dem Stand der Technik die Trennschaltung 10 vorzuladen, wenn die Hochspannungs-Leistungsquellen 12, 52 gleiche Spannungspotentiale aufweisen.
Das Batteriesteuerungsmodul 76 diagnostiziert unter Verwendung von durch den Sensor 72 bereitgestellten Daten den Verschleiß am Hauptschützkontakt 64. Falls der Verschleiß einen vorbestimmten Betrag überschreitet, dann wird das Batteriesteuerungsmodul 76 geeignet reagieren. Zum Beispiel kann das Batteriesteuerungsmodul 76 diagnostizieren, dass der Hauptschützkontakt 64 kontaktverschweißt ist. In solch einem Fall kann das Batteriesteuerungsmodul 76 gestatten, dass das Kraftfahrzeug 48 gefahren und abgestellt, aber nicht neu gestartet wird. Alternativ kann das Batteriesteuerungsmodul 76 diagnostizieren, dass der Verschleiß des Vorlade- oder des Hauptschützkontaktes sich einem oberen Schwellenwert nähert, an welchem Punkt das Batteriesteuerungsmodul eine Warnmeldung für den Fahrzeugfahrer abgeben kann.
Zum Herunterfahren des Fahrzeugs wird der Hochspannungsbus 54 durch Öffnen des Hauptschützkontaktes 64 ausgeschaltet, während der Vorladeschützkontakt 62 geöffnet bleibt.

Claims

Kraftfahrzeug-Hochspannungsbus-Trennschaltung (50), die Folgendes umfasst: eine Hochspannungs-Leistungsquelle (52); einen elektrischen Fahrzeugbus (54); eine erste Leitung (56) zwischen der Leistungsquelle (52) und dem Bus (54), die parallel einen Vorladeschützkontakt (62) und einen Hauptschützkontakt (64) aufweist, wobei der Vorladeschützkontakt (62) dazu ausgelegt ist, zu schließen, bevor der Hauptschützkontakt (64) schließt, und der Vorladeschützkontakt (62) wieder öffnet, nachdem der Hauptschützkontakt (64) schließt; eine durchgehende zweite Leitung (58) zwischen der Leistungsquelle (52) und dem Bus (54); einen Sensor (72), der einen Zustand des Hauptschützkontaktes (64) überwacht; und ein Batteriesteuerungsmodul (76), das vom Sensor (72) bereitgestellte Daten verarbeitet und einen Verschleiß am Hauptschützkontakt (64) diagnostiziert.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei eine Vorladedauer, während der der Vorladeschützkontakt (62) geschlossen und der Hauptschützkontakt (64) geöffnet ist, eine Funktion eines Spannungsgefälles zwischen der Hochspannungs-Leistungsquelle (52) und dem Fahrzeugbus (54) ist.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei eine Vorladedauer, während der der Vorladeschützkontakt (62) geschlossen und der Hauptschützkontakt (64) geöffnet ist, eine vorbestimmte Zeit ist.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei das Batteriesteuerungsmodul (76) Echtzeitdiagnostiken des Zustands des Hauptschützkontaktes (64) bereitstellt.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei die Hochspannungs-Leistungsquelle (52) eine Batterie ist und das Batteriesteuerungsmodul (76) eine Ladung der Batterie erhält.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei die Hochspannungs-Leistungsquelle (52) eine Batterie ist.
Schaltung (50) nach Anspruch 1, wobei der Fahrzeugbus (54) einen Traktionsmotor versorgt, um ein Kraftfahrzeug anzutreiben.