DE102016107707B3

DE102016107707B3 - Schutzvorrichtung für eine Hochvolt-Spannungsversorgung

Info

Publication number: DE102016107707B3
Application number: DE102016107707.0A
Authority: DE
Inventors: August Seidl
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: CN107317299B; CN107317299A

Abstract

Vorgestellt wird eine Schutzvorrichtung (100) für eine Hochvolt-Spannungsversorgung (104) eines Kraftfahrzeuges (106) mit einer Stromschiene (108) mit einem Widerstand (R) zwischen einem ersten Anschluss (110) und einem zweiten Anschluss (112) der Stromschiene (108), einer Steuerungseinrichtung (116) die ausgebildet ist, eine pyrotechnische Sicherung (102) mittels eines Steuersignals (UZ) anzusteuern unter Verwendung eines Spannungsabfalls (UPT) über den Widerstand (R) und einer durch den Spannungsabfall (UPT) gespeisten Stromversorgungseinrichtung (118) für die pyrotechnische Sicherung (102) und die Steuerungseinrichtung (116).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Hochvolt-Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges.
Stand der Technik
Insbesondere Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen Batteriesysteme mit hohen Systemspannungen und einer hohen Speicherdichte auf, um die benötigte Antriebsleistung bereitstellen zu können. Bei Unfällen und sonstigen Störungen kann von diesen Systemen und den Bordnetzen, die die entsprechende elektrische Energie verteilen, eine Gefahr sowohl für die Fahrzeuginsassen als auch Lösch- und Bergekräfte ausgehen, da diese den hohen Gleichspannungen und der Gefahr von Kurzschlüssen und damit Bränden oder gefährlichen Berühr-Spannungen durch freiliegende spannungsführende Teile ausgesetzt sein können. Deshalb werden in solchen Fahrzeugen Sicherungen, Relais oder sogenannte Schütze eingesetzt, um im Falle eines Unfalls oder eines anderen technischen Problems die Batteriesysteme vom Bordnetz sicher zu trennen. Dabei kommen unter anderem Schmelzsicherungen und pyrotechnische Schalter zum Einsatz. Schmelzsicherungen trennen nach einer gewissen Zeit den entsprechend geschützten elektrischen Leiter bei Kurzschlussströmen oberhalb eines Grenzwertes. Die genannten pyrotechnischen Schalter können von einem zentralen Steuergerät, beispielsweise gekoppelt mit dem Auslösen der Airbags, den so geschützten elektrischen Leiter trennen.
So wird beispielsweise in der DE 10 2013 209 835 A1 ein Trennmittel (pyrotechnischer Schalter) zur nicht-reversiblen Unterbrechung der leitfähigen Verbindung zwischen den Batteriemodulen bei einem Unfallereignis beschrieben. Die Trennmittel können als pyrotechnische Trenneinrichtungen ausgebildet sein. Die Auslösung der Trennelemente kann durch ein eigenes Steuergerät, über das Batteriesteuergerät oder das Airbag-Steuergerät vorgenommen werden. Die Versorgung des Steuergeräts kann über die Autobatterie und zusätzlich oder alternativ kann eine Energiespeicherung im Steuergerät beispielsweise durch geeignete Kondensatoren vorgesehen sein.
Die DE 10 2011 014 343 A1 offenbart eine Sicherungseinrichtung für eine Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges mit einem Leiterelement, das eine Sollbruchstelle aufweist und einem pyrotechnischen Sicherungselement mit einer Treibladung, die bei Auslösung die Sollbruchstelle des Leiterelements durchtrennt. Eine Steuereinrichtung, die zum Empfangen und Auswerten von Eingangssignalen eingerichtet ist, bestimmt mit Hilfe der Eingangssignale, ob die Treibladung ausgelöst wird. Die Steuereinrichtung kann im gleichen Gehäuse vorgesehen sein, wie das pyrotechnische Sicherungselement. Die Eingangssignale werden von einer externen Einrichtung, beispielsweise von Sensoren zur Detektion eines Unfalls, an die Steuereinrichtung gesendet. Nachteil dieser Lösung ist, dass bei Ausfall der Niedervolt-Spannungsversorgung die Sicherungseinrichtung nicht mehr funktioniert.
US 2009/ 0 184 797 A1 offenbart eine Schmelzsicherung mit integriertem Shunt-Widerstand.
US 2012/ 0 127 621 A1 beschreibt eine Schaltungsschutzanordnung für eine PV-Anlage mit einer Steuerungselektronik und einer Zweipfadsicherung. Die Zweipfadsicherung umfasst einen ersten Pfad mit einem Schaltelement und einen hierzu parallelen zweiten Pfad mit einer Schmelzsicherung. Bei einer gewünschten Auslösung wird das Schaltelement geöffnet und durch den erhöhten Strom im zweiten Pfad die Schmelzsicherung ausgelöst. Die Auslöseelektronik wird explizit über eine zusätzliche Spannungsversorgung versorgt.
US 6 141 202 A beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung, um eine Schmelzsicherung auszulösen. Ein Sensor überwacht den Strom in einem Stromleiter, in dem die Schmelzsicherung angeordnet ist, eine Steuerungseinrichtung wertet den Stromverlauf aus und stellt in Abhängigkeit einer Kennlinie ein Triggersignal bereit, welches die Stromlast der Schmelzsicherung erhöht und somit zum Schmelzen des Schmelzleiters der Schmelzsicherung führt.
DE 10 2013 101 466 A1 beschreibt eine elektrische Überstromsicherung ohne externe Spannungsversorgung. Die Überstromsicherung ist in einer stromführenden Leitung einer (Niedervolt-)Schaltung angeordnet. Ein Schaltelement, welches den Leitungsstrom schaltet, wird von einer einen RS-Flip-Flop umfassenden Steuerelektronik angesteuert. Bei Abklingen des Überstromfalls oder bei Unterbrechung der Spannungsversorgung schaltet die Steuerelektronik das Schaltelement derart an, dass es wieder stromleitend ist, womit sich die Überstromsicherung selbsttätig zurücksetzt.
DE 10 2007 034 757 A1 zeigt beispielhaft einen Stromsensor.
Die dargestellten Lösungen haben den Nachteil, dass sie nicht vollkommen autark arbeiten können, wenn beispielsweise das Bordnetz bereits keinen Strom mehr liefert, aber die Batterie noch nicht allpolig abgetrennt ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Schutzvorrichtung ist es Nachteile des bekannten Stands der Technik zumindest teilweise zu beheben und insbesondere unabhängig von Hilfs- oder Versorgungssystemen einsatzfähig zu sein.
Die oben genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Schutzvorrichtung für eine Hochvolt-Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeuges eine Stromschiene, eine Steuerungseinrichtung sowie eine Stromversorgungseinrichtung. Unter der Stromschiene kann auch ein Segment einer Stromschiene verstanden werden. Die Stromschiene verfügt über einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, wobei ein Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen als ein Widerstandswert vorbestimmt ist. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, eine pyrotechnische Sicherung anzusteuern beziehungsweise auszulösen. Hierzu wird ein entsprechendes Steuersignal bereitgestellt. Dabei wird das Steuersignal unter Verwendung eines Spannungsabfalls über den Widerstand der Stromschiene zwischen den beiden Anschlüssen erzeugt. Die Stromversorgungseinrichtung versorgt unter Verwendung des Spannungsabfalls über den Widerstand der Stromschiene zwischen den beiden Anschlüssen die pyrotechnische Sicherung und die Steuerungseinrichtung mit elektrischer Energie.
Unter der Stromschiene kann eine Metallschiene zur Strom- und Spannungsführung verstanden werden. Die Stromschiene kann beispielsweise im Wesentlichen aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Das Prinzip dieser Energiegewinnung ist die Nutzung des Spannungsabfalls über den (vorab festgelegten) Widerstand der Stromschiene im Überstromfall. Wenn in diesem Fall mehrere 1000 Ampere Kurzschlussstrom fließen, reicht ein relativ kleiner Übergangswiederstand zwischen den Anschlüssen aus, um einen genügend großen Spannungsabfall zu erzeugen.
Unter einer pyrotechnischen Sicherung kann ein pyrotechnischer Schalter, ein pyrotechnisches Sicherungselement, ein Trennmittel, eine sogenannte Pyro-Fuse oder Pyro-Sicherung verstanden werden. Eine derartige pyrotechnische Sicherung umfasst eine Treibladung, die mit Hilfe eines Trennmittels oder eine Sollbruchstelle nutzend dazu ausgebildet ist, bei Aktivierung die Stromschiene zu trennen. Bei der Treibladung kann es sich um eine Zündpille, wie diese in Airbags genutzt wird, handeln. Eine pyrotechnische Sicherung ist, wie eingangs dargestellt, bei Strömen oberhalb von 2000 Ampere erforderlich.
Die Stromversorgungseinrichtung weist einen Spannungswandler auf. Dabei kann der Spannungswandler in einer Ausführungsform als ein Spannungsteiler mit Hilfe von zwei oder mehr Widerständen ausgeführt sein. In einer alternativen, optimierten Ausführungsform kann der Spannungswandler als ein Buck-Boost-Wandler, das heißt ein Inverswandler, ein Sperrwandler oder auch kaskadierter Ab-/Aufwärtswandler ausgebildet sein. Der Spannungswandler kann dabei eine galvanische Trennung aufweisen. So kann vorteilhaft die Ausgangsspannung dem Betrage nach sowohl kleiner als auch größer als die Eingangsspannung sein.
Ferner umfasst der Spannungswandler einen Spannungsregler. Vorteilhaft kann somit die Steuerungseinrichtung mit einer konstanten Spannung versorgt werden. Dabei ist der Toleranzbereich der Schwankungen der Spannung konstruktiv zu beeinflussen. Insbesondere wenn die über die Stromschiene angebundenen Lasten über die Zeit variieren, kann über den Spannungsregler die Steuerungseinrichtung vor Störungen durch zu hohe Spannungen bedingt durch den variierenden Spannungsabfall geschützt werden.
Wenn die Steuerungsvorrichtung von einer externen Auslöse-Elektronik über eine Ansteuerungsschnittstelle ein Ansteuersignal empfangen kann, so kann die Steuerungsvorrichtung neben einer Auslöseentscheidung basierend auf dem Spannungsabfall über den Widerstand der Stromschiene zwischen den beiden Anschlüssen zusätzlich bei Anliegen des Ansteuersignals die pyrotechnische Sicherung zünden und somit die Stromschiene unterbrechen. Unter einer externen Auslöse-Elektronik kann dabei ein Steuergerät des Fahrzeugs, wie beispielsweise ein Airbag-Steuergerät verstanden werden. So kann die pyrotechnische Sicherung beispielsweise auch in einem Crash-Fall ausgelöst werden, um der Gefahr von Kurzschlüssen und damit Bränden oder gefährlichen Berühr-Spannungen durch freiliegende spannungsführende Teile vorzubeugen. Optional kann die externe Auslöse-Elektronik auch in Form eines Sensors mit zugeordneter Auswerteelektronik in die Steuerungsvorrichtung integriert werden.
Ferner kann die Steuerungsvorrichtung einen über die Stromversorgungseinrichtung ladbaren Energiespeicher aufweisen. Der Energiespeicher kann als Energiepuffer bezeichnet werden. Dabei kann es sich bei dem Energiespeicher beispielsweise um einen oder mehrere Kondensatoren, Goldcaps oder Akkus handeln. Mittels des Energiespeichers kann die Elektronik, das heißt die Steuerungseinrichtung, weiterversorgt werden. Auch kann der Energiespeicher für die Auslösung der Zündpille der pyrotechnischen Sicherung gebraucht werden. So kann zusätzliche elektrische Energie bereitgestellt werden, um im Fehlerfall eine ausreichende Auslösespannung für die pyrotechnische Sicherung bereitstellen zu können.
Die Steuerungsvorrichtung kann einen AD-Wandler zum Bestimmen des Spannungsabfalls aufweisen. Da der Widerstand beziehungsweise der Widerstandswert zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss bekannt ist, kann somit der Strom beziehungsweise Stromwert zwischen den beiden Anschlüssen von der Steuerungseinrichtung berechnet werden. Weitere Auswertungen erlauben einen Abgleich des Stromwerts mit Schwellwerten, um beispielsweise einen Kurzschlussstrom zu erkennen.
Die Steuerungsvorrichtung kann einen Mikrocontroller in Form eines ASIC, einer MCU oder eines FPGA umfassen. So können in dem Mikrocontroller Berechnungen, Auswertungen und Vergleiche mit Schwellwerten durchgeführt werden. So kann die Steuerungsvorrichtung besonders effizient arbeiten.
Weiterhin kann die Charakteristik einer Sicherungskennlinie nachgebildet werden, über ein Integral des Stromwerts über die Zeit. Unter Verwendung der Sicherungskennlinie kann beispielsweise eine thermische Belastung der zu überwachenden und abzusichernden Hochvolt-Spannungsversorgung bestimmt werden. Eine Information über die thermische Belastung kann für eine Auslöseentscheidung, das heißt ein Bereitstellen des Steuersignals, von Bedeutung sein, da hierüber Rückschlüsse beispielsweise auf Kriechströme etc. möglich sind.
Wie bereits ausgeführt, kann die Stromschiene beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Um den Widerstand zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu beeinflussen, weist die Stromschiene in diesem Bereich zumindest 50 Gewichtsprozent Kupfer, Aluminium, Manganin, Konstantan, Isotan und ergänzend oder alternativ Isabellin auf. Insbesondere kann die Stromschiene in einer Ausführungsform zumindest 75 Gewichtsprozent der genannten Metalle aufweisen. Durch das Einbringen eines zusätzlichen spezifischen Materials kann ein vorabbestimmter oder definierter Widerstand und darüber der Spannungsabfall generiert werden. Vorteilhaft kann so der elektrische Widerstand angepasst werden, um die Baugröße der Schutzvorrichtung zu optimieren.
Über eine Aussparung in der Stromschiene zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss kann der Widerstand eingestellt und erhöht werden. Unter einer Aussparung kann hier eine Kerbe, Einfräsung, Materialverjüngung oder Einkerbung, auch ein Loch, wie etwa eine Bohrung oder Ausstanzung verstanden werden. Ferner können eine Mehrzahl von Aussparungen an der Stromschiene zwischen dem ersten und zweiten Anschluss ausgebildet sein. Beispielsweise kann je eine Aussparung, insbesondere in Form einer Kerbe o.ä., auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene ausgebildet sein. Von Vorteil ist die hierdurch erzielbare Bauraumoptimierung des Systems, da der Abstand zwischen beiden Anschlüssen verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Widerstandswert zu kalibrieren.
Die Schutzvorrichtung und die pyrotechnische Sicherung sind direkt kombiniert. So kann die Schutzvorrichtung die pyrotechnische Sicherung umfassen. Dabei ist es günstig, wenn die pyrotechnische Sicherung ausgebildet ist, die Stromschiene zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu trennen. Durch die Kombination der pyrotechnischen Sicherung und der Schutzvorrichtung kann der Bauraum weiter optimiert werden.
Wenn die Stromschiene eine Aussparung aufweist und die Schutzvorrichtung die pyrotechnische Sicherung umfasst, ist es vorteilhaft, wenn die Stromschiene im Bereich der Aussparung eine Sollbruchstelle aufweist. So kann das vorhanden sein der Aussparung für eine Definition einer Sollbruchstelle ausreichend sein. Zusätzlich kann die Stromschiene weitere Merkmale aufweisen, um eine Sollbruchstelle für die pyrotechnische Sicherung zu schaffen. An der Sollbruchstelle ist die Stromschiene leichter durchtrennbar. In diesem Fall ist die pyrotechnische Sicherung derart an der Stromschiene angeordnet, dass sie die Stromschiene an der Sollbruchstelle durchtrennt. So ist eine geringe Sprengladung der pyrotechnischen Sicherung notwendig, um die Stromschiene zu trennen.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Schutzvorrichtung gelten für ein Verfahren entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Vorrichtung in einen ASIC integriert sein.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Kurze Figurenbeschreibung
1 zeigt eine schematische Block-Darstellung einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische Block-Darstellung einer Schutzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Diagramm einer Sicherungs-Kennlinie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4b zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung 100 mit einer pyrotechnischen Sicherheitsvorrichtung 102 für eine Hochvolt-Spannungsversorgung 104 eines Kraftfahrzeugs 106. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst eine Stromschiene 108 mit einem ersten Anschluss 110 und einem zweiten Anschluss 112. Bei der Stromschiene 108 handelt es sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Segment einer Stromschiene des Kraftfahrzeugs 106. Zwischen dem ersten Anschluss 110 und dem zweiten Anschluss 112 weist die Stromschiene 108 einen Widerstand R auf. Der erste Anschluss 110 und der zweite Anschluss 112 sind mit einer Steuerungseinrichtung 116 der Schutzvorrichtung 100 und einer Stromversorgungseinrichtung 118 der Schutzvorrichtung 100 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 116 und die Stromversorgungseinrichtung 118 sind in der in 1 dargestellten Variante als eine kombinierte Schaltung realisiert. Über den Widerstand R fällt eine Spannung U_PT ab. In der dargestellten Variante umfassen die Steuerungseinrichtung 116 und die Stromversorgungseinrichtung 118 einen Spannungswandler 120 oder Spannungsteiler 120, über den aus dem Spannungsabfall U_PT das Steuersignal U_Z beziehungsweise die Zündspannung U_Z abgegriffen wird. Das Steuersignal U_Z wird an eine Zünd-Pille der pyrotechnischen Sicherung 102 geleitet, um diese zu zünden und somit die pyrotechnische Sicherung auszulösen.
Die Stromschiene 108 weist eine Trennstelle 132 auf. Diese ist in einer Variante außerhalb der zwei Anschlüsse 110, 112 der pyrotechnischen Sicherung 102 zugeordnet. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Trennstelle 132 zwischen den beiden Anschlüssen 110, 112 angeordnet. Optional kann die Trennstelle 132 eine Sollbruchstelle 130 aufweisen, wie dies in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Optional weist die Stromschiene 108 eine Aussparung 128 auf. Dadurch wird der Widerstand R erhöht und somit kann der Abstand zwischen den beiden Anschlüssen 110, 112 verringert werden. Um den Widerstand R einzustellen, kann über die Ausgestaltung der Aussparung 128 und den Abstand der Anschlüsse 110, 112 ein Optimum aus Bauraumsicht und aus elektrischer Sicht eingestellt werden.
In einem besonderen Ausführungsbeispiel stellt die Aussparung 128 eine bewusste Schwächung der Stromschiene dar und erzeugt somit eine Sollbruchstelle 130 in diesem Bereich.
So ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die pyrotechnische Sicherung 102 ein Bestandteil der Sicherungsvorrichtung 100. Dabei lässt sich wir dargestellt die Trennstelle 132 zwischen den Anschlüssen 110, 112 anordnen. Bei Verwendung der Aussparung 128 kann diese mit einer Sollbruchstelle 130 der Stromschiene 108 kombiniert werden.
In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die pyrotechnische Sicherung 102 zweigeteilt dargestellt. Die Zündpille 102' der pyrotechnischen Sicherung 102 wirkt auf den Pyro-Trennschalter 102" der pyrotechnischen Sicherung 102. So wird bei Anliegen der Zündspannung U_Z an der Zündpille 102' diese gezündet und als Reaktion die Trennstelle 132 in der Stromschiene 108 durchtrennt.
2 zeigt eine schematische Block-Darstellung einer Schutzvorrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schutzvorrichtung 100 umfasst weiter einen Spannungsregler 240, einen Energiespeicher 242, einen AD-Wandler 244, einen Zündtreiber 246 sowie einen Mikrocontroller 248. Der Spannungswandler 120 umfasst den Spannungsregler 240 sowie den AD-Wandler 244. Über den AD-Wandler wird die Spannung U_PT über den Widerstand R gemessen und daraus dann der Stromwert I_PT zwischen den beiden Anschlüssen 110, 112 bestimmt.
Der optionale Mikrocontroller 248, der beispielsweise als MCU, ASIC oder FPGA realisiert sein kann, ist ausgebildet, die Stromwerte zu ermitteln, darüber hinaus Kennlinien zu erstellen, wie beispielsweise eine Sicherungskennlinie des Stroms I_PT über die Zeit (siehe 3) oder Grenzwerte zu überwachen. Über den Zündtreiber 246, der auch als Zündtreiber-Elektronik 246 bezeichnet wird, kann die Zündspannung U_Z bereitgestellt werden. Dabei wird der Zündtreiber 246 optional von dem Energiespeicher 242 unterstützt, um ausreichend Zündenergie oder Zündstrom zu liefern.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schutzvorrichtung 100 eine optionale Ansteuerungsschnittstelle 222 zum Empfangen eines Ansteuerungssignals 224 einer extern zur Schutzvorrichtung 100 angeordneten Auslöse-Elektronik 226. So kann beispielsweise ein Airbag-Steuergerät als Auslöse-Elektronik 226 ein Auslösesignal für den Airbag auch als Ansteuerungssignal 224 für die Schutzvorrichtung 100 bereitstellen. Die Schutzvorrichtung 100 ist in diesem Fall dazu eingerichtet, die pyrotechnische Sicherung 102 anzusteuern, wenn ein positives Ansteuerungssignal 224 anliegt.
Das hier dargestellte Prinzip beruht darauf, einen Energieabfall über ein Segment der Stromschiene zu detektieren und diese Energie im Fehlerfall zum Auslösen der pyrotechnischen Sicherung 102 zu nutzen. Im Normalbetriebs-, Kurzschluss- oder Überlastfall kann beispielsweise über einen Buck-Boost-Spannungswandler 240 die Ansteuer- und Auswerteelektronik versorgt werden und die pyrotechnische Sicherung 102, auch als pyrotechnischer Trennschalter 102 bezeichnet (mittels Zündpille 102') ausgelöst werden.
Will man eine pyrotechnische Sicherung 102 als Ersatz für eine Schmelzsicherung verwenden, wird für die Zündung der Treibladung 102' immer Energie gebraucht, die z.B. im Crash-Fall oder bei fehlender Bordnetzspannung nicht mehr vorhanden ist, wenn sie aus dem Niedervolt-System wie im Stand der Technik bereitgestellt wird. Dadurch könnte der Trennschalter 102 nicht aktiviert werden.
Ein Aspekt der vorgestellten Idee ist, parallel zur Trennstelle 132 der Stromschiene 108 der pyrotechnischen Sicherung 102, die Zündenergie U_Z im Überstrom- oder Kurzschlussfall abzugreifen (entweder direkt oder über einen Nebenpfad) und damit über einen Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 240 (Buck-Boost) die Ansteuerelektronik zu versorgen, die dann kontrolliert die Treibladung zündet, um den Überstrom abzuschalten.
Das Prinzip dieser Energiegewinnung ist den Spannungsabfall über den spezifischen Widerstand der Metallschiene (z.B. Kupfer, Alu, ...) im Betriebszustand bzw. im Überstromfall zu nutzen. Zusätzlich könnte die Trennstelle z.B. durch eine Einfräsung oder Einkerbung verengt werden, oder durch Einbringen eines spezifischen Materials (Shunt-Prinzip), um einen definierten Widerstand und darüber einen Spannungsabfall zu generieren.
Im Normalbetrieb (bei Elektrofahrzeugen mehrere 100A) fällt über den Widerstand R eine Spannung U_PT ab. Es reicht ein relativ kleiner Übergangswiederstand R aus, um einen genügend großen Spannungsabfall U_PT zu erzeugen. Ein Aufwärts-(oder Abwärts-/Buck-Boost)Spannungswandler 240 mit einem Spannungsregler, versorgt dann die Auswerte- und Ansteuerelektronik. Zusätzlich kann Energie in einem Energiepuffer 242 (Kondensator, Goldcap, Akku oder ähnliches) gespeichert werden, mit dem dann die Elektronik weiterversorgt wird bzw. für die Auslösung der Zündpille gebraucht wird.
Die pyrotechnische Sicherung 102 beziehungsweise die Schutzvorrichtung 100 versorgt sich damit im Fahrbetrieb oder auch bei Kurzschluss bzw. Überlast selbst (d.h. wenn Strom über den Trennschalter fließt) und braucht keine weitere (Bordnetz-)Spannungsquelle.
Der Vorteil ist, dass ein pyrotechnischer Schalter eine Schmelzsicherung 1:1 ersetzen kann, welcher zusätzlich noch über eine Auslöse-Elektronik z.B. im Crash-Fall getrennt werden kann, um die Gefahr von Kurzschlüssen und damit Bränden oder gefährlichen Berühr-Spannungen durch freiliegende spannungsführende Teile vorzubeugen. Das Fahrzeug muss nicht über ein funktionierendes Bordnetz verfügen oder kann auch geparkt bzw. stillgelegt sein.
3 zeigt ein Diagramm einer Sicherungskennlinie 350 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem kartesischen Koordinatensystem ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate der Strom in Ampere dargestellt. Der Strom stellt den Strom I_PT über der Trennstelle dar. Der Stromwert steigt über die Zeit an und überschreitet zu einem Zeitpunkt einen Schwellwert.
Über einen in 2 dargestellten AD-Wandler 244 wird der Spannungsabfall U_PT gemessen und damit der Strom I_PT über die Trennstelle 132 ermittelt. Ein ASIC oder ein Mikrocontoller kann damit eine (parametertierbare) Sicherungskennlinie über Zeit und Strom auswerten und bei drohender thermischer Überlastung die Trennung mittels des Steuersignals U_Z über die Zündtreiber (U_Z) aktivieren.
4a zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist eine nicht dargestellte pyrotechnische Sicherung in die Schutzvorrichtung 100 integriert. Durch die Schutzvorrichtung 100 führt eine Stromschiene 104. Die Schutzvorrichtung 100 ist ausgebildet, die Stromschiene 104 bei Auftreten von Kurzschlussströmen oder Überspannungen zu durchtrennen.
4b zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung 100 gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der in 4a dargestellten Schutzvorrichtung 100 ist in dem in 4b dargestellten Ausführungsbeispiel die pyrotechnische Sicherung 102 neben der Schutzvorrichtung 100 auf der Stromschiene 104 angeordnet. Die Schutzvorrichtung 100 stellt ein Steuersignal U_Z, bzw. eine Zündspannung U_Z bereit.
Bezugszeichenliste

100: Schutzvorrichtung
102: pyrotechnische Sicherung
102': Zündpille der pyrotechnischen Sicherung
102": Pyro-Trennschalter der pyrotechnischen Sicherung
104: Spannungsversorgung
106: Kraftfahrzeug
108: Stromschiene
110: erster Anschluss
112: zweiter Anschluss
116: Steuerungseinrichtung
118: Stromversorgungseinrichtung
R: Widerstand
U_PT: Spannungsabfall
I_K: Kurzschlussstrom
U_Z: Steuersignal; Zündspannung
120: Spannungswandler
128: Aussparung
130: Sollbruchstelle
132: Trennstelle; Trennbereich
222: Ansteuerungsschnittstelle
224: Ansteuerungssignal
226: Auslöse-Elektronik
240: Spannungsregler, (Spannungswandler mit Spannungsregler)
242: Energiespeicher
244: AD-Wandler
I_PT: Strom
246: Zündtreiber(-Elektronik)
248: Mikrocontroller
350: Sicherungskennlinie

Claims

Schutzvorrichtung (100) für eine Hochvolt-Spannungsversorgung (104) eines Kraftfahrzeuges (106) mit: – einer Stromschiene (108) mit einem Widerstand (R) zwischen einem ersten Anschluss (110) und einem zweiten Anschluss (112) der Stromschiene (108), die zwischen dem ersten Anschluss (110) und dem zweiten Anschluss (112) zu mindestens 50 Gewichtsprozent aus Kupfer, Aluminium, Manganin, Konstantan, Isotan und/oder Isabellin besteht; – einer pyrotechnische Sicherung (102), die ausgebildet ist, die Stromschiene (108) zwischen dem ersten Anschluss (110) und dem zweiten Anschluss (112) zu trennen, – einer Steuerungseinrichtung (116), die ausgebildet ist, den Spannungsabfall (U_PT) über den Widerstand (R) auszuwerten und die pyrotechnische Sicherung (102) mittels eines Steuersignals (U_Z) anzusteuern; und – einer durch den Spannungsabfall (U_PT) gespeisten Stromversorgungseinrichtung (118) für die pyrotechnische Sicherung (102) und die Steuerungseinrichtung (116), wobei die Stromversorgungseinrichtung (118) einen Spannungswandler (120) umfasst, der einen Spannungsregler (240) umfasst, um die Steuerungseinrichtung (116) mit einer in einem Toleranzbereich konstanten Spannung zu versorgen.
Schutzvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, mit einer Ansteuerungsschnittstelle (222) zum Empfangen eines Ansteuerungssignals (224) einer extern zur Schutzvorrichtung (100) angeordneten Auslöse-Elektronik (226), wobei die Steuerungseinrichtung (116) ausgebildet ist, die pyrotechnische Sicherung (102) unter Verwendung des Ansteuerungssignals (224) anzusteuern.
Schutzvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Energiespeicher (242), der über die Stromversorgungseinrichtung (118) ladbar ist und dazu ausgebildet ist, die Steuerungseinrichtung (116) und/oder die pyrotechnische Sicherungsvorrichtung (112) mit elektrischer Energie zu versorgen.
Schutzvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem AD-Wandler (244) zum Erfassen des Spannungsabfalls (U_PT), wobei die Steuerungseinrichtung (116) ausgebildet ist, einen Stromwert (I_PT) zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu bestimmen.
Schutzvorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, bei der eine Sicherungskennlinie (350) über Zeit (t) und Stromwert (I_PT) bestimmt wird, um eine thermische Belastung unter Verwendung der Sicherungskennlinie (350) zu bestimmen.
Schutzvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Aussparung (128) in der Stromschiene (108) zwischen dem ersten Anschluss (110) und dem zweiten Anschluss (112), um den Widerstand (R) in einem vorabdefinierten Toleranzbereich zu erhöhen und/oder einzustellen.
Schutzvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, bei der die Aussparung (128) der Stromschiene (108) als eine Sollbruchstelle (130) der Stromschiene (108) ausgebildet ist und die pyrotechnische Sicherung (102) derart an der Stromschiene (108) angeordnet ist, um die Stromschiene (108) an der Sollbruchstelle (130) zu trennen.