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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Insbesondere aus dem Kraftfahrzeugbau sind Hochvolt-Batterien bekannt, welche als Sicherheitseinrichtung über einen sogenannten Klemmen-30c-Eingang verfügen. Die Hochvolt-Batterien dienen insbesondere dazu, ein Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrisch zu betreiben. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug dabei einen Antriebsmotor aufweisen, welcher zumindest teilweise elektrisch betrieben werden kann. Insbesondere bei der Klemme-30c-Schaltung (KL30c) handelt es sich um eine 12 Volt-Spannungsversorgung, welche Schaltschütze der Hochvolt-Batterie versorgt. Im Falle eines Unfalls wird die Klemme 30c fahrzeugseitig unterbrochen, wodurch die Versorgung der Schaltschütze fehlt, welche sich daher öffnen.
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Die Schaltschütze haben insbesondere im Moment des Zuschaltens eine erhöhte Stromaufnahme (üblicherweise mehrere Ampere). Für das „Zuhalten” der geschlossenen Schaltkontakte wird deutlich weniger Strom benötigt, da die Schütze üblicherweise eine Schaltung aufweisen, mittels welcher Strom gespart werden kann (Economizer-Schaltung).
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Damit die Schütze ordnungsgemäß schließen können, muss die Leitung KL30c also auf den nur kurzzeitig anliegenden Maximalstrom beim Zuschalten ausgelegt werden. Zusätzlich muss die Leitungslänge der KL30c-Leitung beachtet werden, das heißt bei entsprechend langen Leitungen müssen diese mit einem höheren Leitungsquerschnitt versehen werden. Dies verursacht zusätzliche Kosten und Gewicht. Wird der Leitungsquerschnitt zu klein gewählt, so kann der Spannungsabfall über die KL30c-Leitung so groß sein, dass der Zuschaltstrom am Schütz nicht mehr erreicht wird, sodass dieser nicht schließt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung aufzuzeigen, welche es ermöglicht, einen Leitungsquerschnitt der KL30c-Leitung zu verringern und dennoch die erforderliche Schaltspannung beziehungsweise den erforderlichen Zuschaltstrom der Schütze zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruch 6 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein Leitungsquerschnitt verringert werden kann und dennoch die erforderliche Schaltspannung/Zuschaltstrom der Schütze erreicht wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuervorrichtung mit einem Versorgungsstrom betreibbar ist, welcher niedriger als der Zuschaltstrom des Schaltelements ist. Dadurch, dass der Versorgungsstrom niedriger ist als der Zuschaltstrom, kann der Leitungsquerschnitt, welcher die Steuervorrichtung versorgt, klein gewählt werden. Somit können vorteilhaft Gewicht und Bauraum eingespart werden. Dies wiederum führt beispielsweise zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs insgesamt.
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Mittels dieser Schaltanordnung ist es also möglich, auch bei KL30c-Versorgungsleitungen mit geringerem Querschnitt den Schütz sicher zuzuschalten. Gleichzeitig ist dennoch gewährleistet, dass die Spannungsversorgung des Schützes im Falle eines Unfalls unterbrochen wird, sodass dieser sicher öffnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Steuervorrichtung einen Kondensator aufweisen, welcher einen Differenzstrom, welcher sich aus der Differenz zwischen dem Zuschaltstrom und dem Versorgungsstrom ergibt, bereitstellt. Mittels des Kondensators kann also elektrische Energie gespeichert werden, die die Differenz zwischen dem Versorgungsstrom und dem Zuschaltstrom ausgleicht. Damit kann realisiert werden, dass das Schaltelement ordnungsgemäß geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Steuervorrichtung eine Diode aufweisen, wobei die Diode den Versorgungsstrom von der KL30c durchlässt und den Zuschaltstrom zu der KL30c sperrt. Insbesondere kann die Diode einen Kondensator von der Versorgungsstromseite trennen. Damit kann gewährleistet werden, dass die Diode einen Rückfluss der Ladung insbesondere aus dem Kondensator im Falle eines Spannungseinbruchs, insbesondere der 12 Volt-seitigen Spannung, aufgrund des Versorgungsstroms des Schaltelementes im Moment des Zuschaltens verhindern. Dies bedeutet, dass somit auf einfache Weise die Versorgungsseite der Schaltanordnung von der Schaltseite der Schaltanordnung elektrisch getrennt ist. Somit kann auf einfache Weise gewährleistet werden, dass das Schaltelement, welches insbesondere ein Schütz sein kann, ordnungsgemäß öffnen beziehungsweise schließen kann. Ebenfalls kann damit sichergestellt werden, dass der Leitungsquerschnitt der Versorgungsseite, insbesondere an der KL30c-Klemme zur Steuervorrichtung möglichst gering gehalten werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Steuervorrichtung einen Low-Side-Treiber zum Steuern eines Low-Side Schaltelements der Steuervorrichtung aufweisen. Bei dem Low-Side Schaltelement handelt es sich um ein Schaltelement, welches unterhalb der Last, sprich an einer Negativseite der Last, angeordnet ist. Insbesondere in einem Kraftfahrzeug bedeutet dies, dass das Low-Side Schaltelement mit der Masse des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Dadurch kann das Low-Side Schaltelement beziehungsweise der Low-Side-Treiber sehr einfach ausgeführt sein und es kann dennoch gewährleistet werden, dass im Falle eines Unfalles und einer daraus resultierenden Unterbrechung der KL30c der Low-Side-Treiber seine Spannungsversorgung verliert, wodurch das Low-Side Schaltelement sich öffnet und somit ebenfalls das Schaltelement der Batterieanordnung öffnet. Damit kann im Falle eines Unfalles eine sehr hohe Sicherheit ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Steuervorrichtung einen High-Side-Treiber zum Steuern eines High-Side Schaltelements der Steuervorrichtung aufweisen. Bei einem High-Side Schaltelement handelt es sich um ein Schaltelement, welches oberhalb der Last, mit anderen Worten an einer positiven Seite der Last im Stromkreis angeordnet ist. Mittels dieser Ausgestaltungsform ist somit ein redundantes System vorhanden, sodass eine Spannungsversorgung des Schaltelements im Falle eines Unfalls unterbrochen werden kann und sich das Schaltelement beziehungsweise das High-Side Schaltelement öffnet und somit einen Stromkreis der Batterieanordnung unterbricht.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung für eine Batterieanordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Schaltelement zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises der Batterieanordnung, wobei das Schaltelement mittels eines Zuschaltstromes einer Steuervorrichtung gesteuert wird. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinrichtung mit einem Versorgungsstrom betrieben wird, welcher niedriger als der Zuschaltstrom des Schaltelementes ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Schaltanordnung sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Fig. eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung.
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In der Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Fig. zeigt eine Schaltanordnung 10 für eine Batterieanordnung 12 eines nicht gezeigten Kraftfahrzeugs. Die Schaltanordnung 10 weist ein Schaltelement 14 auf, welches zum Öffnen oder Schließen eines Stromkreises 16 der Batterieanordnung 12 ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich bei der Batterieanordnung 12 um eine Hochvolt-Batterie handeln, und das Schaltelement 14 kann insbesondere ein dafür entsprechender Schütz sein. Das Schaltelement 14 ist dazu ausgebildet, den Stromkreis 16 der Batterieanordnung 12 zu unterbrechen beziehungsweise zu schließen. Das Schaltelement 14 kann insbesondere mittels eines Steuerelements 18 gesteuert werden. Das Steuerelement 18 wiederum wird mittels der Steuervorrichtung 20 gesteuert.
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Die Steuervorrichtung 20 kann insbesondere mit einem Versorgungsstrom I1 betreibbar, welcher niedriger ist als ein Zuschaltstrom I2 des Schaltelementes 14. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 20 dafür eine erste Klemme 22 und eine zweite Klemme 24 aufweisen. Insbesondere ist die erste Klemme 22 mit der Klemme 30c (KL30c) des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Der Anschluss 24 ist insbesondere mit der Klemme 31 (KL31) gekoppelt. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen der KL30c und der KL31 eine Spannung von 12 Volt anliegt.
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Des Weiteren kann insbesondere vorgesehen sein, dass an dem Anschluss 22 ein positiver Pol der Versorgungspannung angeschlossen ist und an dem Anschluss 24 ein negativer Pol angeschlossen ist. Der Anschluss 22 ist an einem Knotenpunkt 26 zum einen mit einer Diode 28 gekoppelt und zum anderen mit einem Steuerelement 30 und einem Steuerelement 32 verbunden. Die Klemme 30c versorgt direkt die Steuerelemente 30, 32, welche wiederum das High-Side Schaltelement 34 und das Low-Side Schaltelement 36 ansteuert. Die Diode 28 ist dabei so verschaltbar, dass elektrische Energie, welche aus Richtung des Anschlusses 22 kommt, durchgelassen werden kann (Durchlassrichtung) und in die andere Richtung gesperrt werden kann (Sperrrichtung). Bei dem Steuerelement 30 kann es sich insbesondere um einen High-Side-Treiber handeln, welcher dazu ausgebildet ist, ein High-Side Schaltelement 34 elektrisch anzusteuern/zu schalten. Das High-Side Schaltelement 34 liegt dabei oberhalb einer Last, welche durch die Steuervorrichtung 18 gebildet wird. Das Steuerelement 32 kann insbesondere als Low-Side-Treiber ausgebildet sein und dient insbesondere zum Schalten/Steuern eines Low-Side Schaltelements. Das Low-Side Schaltelement 36 liegt dabei insbesondere unterhalb der Last, wobei die Last das Schaltelement 18 ist. Dadurch, dass das Low-Side Schaltelement an dem negativen Pol, welcher insbesondere eine Masse 40 des Kraftfahrzeugs ist, geschaltet ist, kann das Low-Side Schaltelement 36 und das Schaltelement 32 besonders einfach ausgestaltet sein. Der High-Side-Treiber und das High-Side Schaltelement 34 dienen insbesondere als redundantes Sicherheitssystem im Kraftfahrzeug.
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Elektrisch gesehen hinter der Diode 28 befindet sich ein weiterer Knotenpunkt 38, welcher über einen Kondensator 42 mit der Masse 40 des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Im Kondensator 42 kann somit elektrische Energie gespeichert werden. Diese elektrische Energie dient insbesondere dazu, dass ein Differenzstrom, welcher sich aus der Differenz zwischen dem Zuschaltstrom I2 für das Schaltelement 14 und dem Versorgungsstrom I1 für die Schaltanordnung 10 ergibt, bereitgestellt werden kann. Der Kondensator 42 ist an die Sperrseite der Diode elektrisch gekoppelt, sodass ein Rückfluss der gespeicherten elektrischen Energie im Kondensator 42 mit der Diode 28 in die KL30c-Leitung verhindert wird. Somit kann ein Spannungseinbruchs aufgrund des Zuschaltstroms I2 des Schaltelements 14 im Moment des Zuschaltens verhindert werden.
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Der Kondensator 42 ist dabei insbesondere so auszulegen, dass dieser, zusammen mit dem KL30c-Anschluss, genügend Strom zur Verfügung stellen kann, um das Schaltelement 14 ausreichend mit Strom zu versorgen, sodass dieses Zuschalten kann.
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Im Falle eines Unfalls und einer daraus resultierenden Unterbrechung der KL30c, mit anderen Worten des Anschlusses 22, würden zunächst die Steuerelemente 30, 32 ihre Spannungsversorgung verlieren, wodurch das High-Side Schaltelement 34 und das Low-Schaltelement 36 ihre Spannungsversorgung verlieren, wodurch diese öffnen, was wiederum zu einem Öffnen des Schaltelements 14 führt.
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Durch diese Schaltanordnung ist es also möglich, auch bei KL30c-Versorgungsleitungen mit geringem Querschnitt das Schaltelement 14 sicher anzusteuern. Gleichzeitig ist dennoch gewährleistet, dass die Spannungsversorgung des Schaltelements 14 im Falle eines Unfalls unterbrochen wird, sodass dieses Schaltelement 14 sicher öffnet.
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Dadurch können aufgrund dieser Auslegung Kosten, Bauraum und Gewicht bei der Auslegung der KL30c-Leitung eingespart werden
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltanordnung
- 12
- Batterieanordnung
- 14
- Schaltelement
- 16
- Stromkreis
- 18
- Steuerelement
- 20
- Steuervorrichtung
- 22
- erster Anschluss
- 24
- zweiter Anschluss
- 26
- Knotenpunkt
- 28
- Diode
- 30
- Steuerelement
- 32
- Steuerelement
- 34
- High-Side Schaltelement
- 36
- Low-Side Schaltelement
- 38
- Knotenpunkt
- 40
- Masse
- 42
- Kondensator
- 11
- Versorgungsstrom
- 12
- Zuschaltstrom
