DE102016109866A1

DE102016109866A1 - Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung, Energiespeichersystem für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung

Info

Publication number: DE102016109866A1
Application number: DE102016109866.3A
Authority: DE
Inventors: Alexej Greilich; Robert Galler; Daniel Klein; Benjamin Schoening
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung (10) zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) eines Fahrzeugs, aufweisend eine erste Leitung (11) und eine zweite Leitung (12), wobei die Leitungen (11, 12) elektrisch parallel zueinander angeordnet sind und jeweils ein Speicherende (13) zum elektrischen Verbinden mit dem elektrischen Energiespeicher (30) und ein Netzende (14) zum elektrischen Verbinden mit dem Stromnetz (40) aufweisen, wobei ferner ein Masseschütz (21) in der ersten Leitung (11) und ein Hauptschütz (22) in der zweiten Leitung (12) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem (60) für ein Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Energiespeicher (30) und eine Schaltvorrichtung (10) zum Schalten einer elektrischen Verbindung des elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) des Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) eines Fahrzeugs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz eines Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz eines Fahrzeugs.
Moderne Fahrzeuge sind oftmals als Hybridfahrzeuge oder als Elektrofahrzeuge ausgebildet. In derartigen Fahrzeugen werden Elektromaschinen zur Erzeugung eines Vortriebs des Fahrzeugs und zumeist auch für eine Rekuperation von Bremsenergie durch Umwandlung in elektrische Energie eingesetzt. Zum Bereitstellen und/oder Speichern der elektrischen Energie sind die Fahrzeuge zumeist mit elektrischen Energiespeichern ausgestattet, die zum Abgeben und Aufnehmen bzw. Speichern von elektrischer Energie ausgebildet sind.
Für ein Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Elektromotor ist es allgemein bekannt, eine Schaltvorrichtung mit elektromechanischen Schaltelementen einzusetzen. Eine beispielhafte derartige Schaltvorrichtung 10 ist in 1 gezeigt. Dabei ist die Schaltvorrichtung 10 zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen einem Energiespeicher 30 und einem Stromnetz 40 eines Fahrzeugs ausgebildet. Das Stromnetz 40 des Fahrzeugs kann dabei mehrere Verbraucher 41 aufweisen, von denen ein Stromwandler 42 und ein Elektromotor 43 als Beispiele näher bezeichnet sind. Zusammen mit dem Energiespeicher 30 bildet die Schaltvorrichtung 10 ein Energiespeichersystem 60. Die Schaltvorrichtung 10 weist eine erste Leitung 11 und eine zweite Leitung 12 auf. Jede dieser Leitungen 11, 12 weist wiederum ein Speicherende 13 auf, das zum elektrischen Verbinden mit dem Energiespeicher 30 vorgesehen ist. Am anderen Ende der jeweiligen Leitung 11, 12 ist ein Netzende 14 angeordnet, durch das eine elektrische Verbindung mit dem Stromnetz 40 herstellbar ist.
Für das eigentliche Schalten der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 sind in der ersten Leitung 11 ein Masseschütz 21 und in der zweiten Leitung 12 ein Hauptschütz 22 angeordnet. Der Masseschütz 21 und der Hauptschütz 22 sind dabei als elektromechanische Schaltelemente wie beispielsweise Schütze ausgebildet. Um eine zu hohe Strombelastung des Stromnetzes 40 beim Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 zu vermeiden, weist die Schaltvorrichtung 10 einen Vorladeschalter 50 auf, der zum Hauptschütz 22 elektrisch parallel geschaltet und ebenfalls als ein elektromechanisches Schaltelement ausgebildet ist. Zum Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 wird bei geöffnetem Hauptschütz 22 der Masseschütz 21 geschlossen und durch ein Schließen des Vorladeschalters ein Zwischenkreiskondensator 15 im Stromnetz 40 über einen Vorladewiderstand 51 aufgeladen. Der Zwischenkreiskondensator 15 kann dabei als ein einzelnes Bauteil ausgebildet sein aber auch aus mehreren Bauteilen und/oder aus parasitären Kapazitäten zusammengesetzt sein. Stromspitzen, die bei einem plötzlichen Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 auftreten könnten, können so vermieden werden.
Allerdings ergeben sich durch eine Verwendung von elektromechanischen Schaltelementen in einer Schaltvorrichtung zum Schalten einer Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Stromnetz eines Fahrzeugs auch Nachteile. So muss beispielsweise oftmals der Vorladewiderstand, um den Vorladestrom auf einen ausreichend kleinen Wert zu begrenzen, derart groß dimensioniert gewählt werden, dass er bauartbedingt nicht mehr auf den üblicherweise verwendeten Leiterplatinen integrierbar ist. Dies erzeugt einen erhöhten Platzbedarf und darüber hinaus einen hohen Aufwand bei der Fertigung, da ein derartiger Vorladewiderstand als zusätzliche Komponente in die restliche Elektronik der Schaltvorrichtung eingebaut und mit dieser verdrahtet werden muss. Darüber hinaus sind derartige elektromechanische Schaltelemente, insbesondere Schütze, hochkomplexe Bauteile, die beispielsweise oftmals einen Permanentmagneten zum Löschen eines Abschaltfunkens aufweisen. Ferner sind, insbesondere um ein Trennen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz sicherzustellen, zumeist große Abstände zwischen den Kontakten des Schaltelements nötig, wodurch wiederum eine Kapsel, die diese umgibt, einen hohen Platzbedarf aufweist. Die großen Kontaktabstände sind beispielsweise nötig, damit eine Ablagerung von Rußpartikeln, die durch Funkenbildung beim Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz entstehen, nicht zu einer insbesondere kritischen Reduktion einer Isolation und/oder Spannungsfestigkeit des elektromechanischen Schaltelements führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz eines Fahrzeugs zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung, ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung bereitzustellen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Weise ein Schalten einer elektrischen Verbindung verbessern, wobei insbesondere eine Verringerung des nötigen Platzbedarfs und der Komplexität der Schaltvorrichtung erreicht werden kann.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichersystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 6 sowie durch ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz eines Fahrzeugs, aufweisend eine erste Leitung und eine zweite Leitung, wobei die Leitungen elektrisch parallel zueinander angeordnet sind und jeweils ein Speicherende zum elektrischen Verbinden mit dem elektrischen Energiespeicher und ein Netzende zum elektrischen Verbinden mit dem Stromnetz aufweisen, wobei ferner ein Masseschütz in der ersten Leitung und ein Hauptschütz in der zweiten Leitung angeordnet ist. Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung zusätzlich einen Halbleiterschalter zum Unterstützen des Schaltens der Verbindung des elektrischen Energiespeichers zum Stromnetz des Fahrzeugs aufweist.
Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers mit einem Stromnetz eines Fahrzeugs ausgebildet. Das Fahrzeug kann dabei bevorzugt ein Hybridfahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug sein. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung weist dafür eine erste und eine zweite Leitung auf, die elektrisch parallel geschaltet sind. Der elektronische Energiespeicher ist zumeist eine Gleichstrombatterie mit zwei Polen, die durch diese zwei Leitungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit den entsprechenden Polen des Stromnetzes des Fahrzeugs verbunden werden können. Jede dieser Leitungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung endet dafür in einem Speicherende und entgegengesetzt dazu in einem Netzende, die jeweils für die Verbindung der jeweiligen Leitung mit dem elektrischen Energiespeicher bzw. dem Stromnetz vorgesehen und ausgebildet sind. In der ersten Leitung ist ferner ein Masseschütz angeordnet, durch den die erste Leitung unterbrochen werden kann. Analog dazu ist in der zweiten Leitung ein Hauptschütz angeordnet, der zum Unterbrechen der zweiten Leitung ausgebildet ist. Dadurch ist grundsätzlich ein Schalten der elektrischen Verbindung des elektrischen Energiespeichers zum Stromnetz des Fahrzeugs möglich.
Erfindungsgemäß ist die Schaltvorrichtung dahingehend weiterentwickelt, dass die Schaltvorrichtung zusätzlich zu den beiden elektromechanischen Schaltelementen, dem Masseschütz und dem Hauptschütz, einen Halbleiterschalter aufweist. Dieser Halbleiterschalter ist dabei zum Unterstützen des Schaltens der Verbindung des elektrischen Energiespeichers zum Stromnetz des Fahrzeugs ausgebildet. Ein Halbleiterschalter ist dabei erfindungsgemäß bevorzugt eine Halbleiterschaltung, besonders bevorzugt eine integrierte Halbleiterschaltung. Halbleiterschalter weisen ferner keine mechanisch beweglichen und/oder bewegten Elemente auf und sind dadurch kleiner und kompakter als elektromechanische Komponenten, die vergleichbare Aufgaben erfüllen. Unterstützen im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass durch den Halbleiterschalter Aufgaben übernommen werden, die in einer Schaltvorrichtung gemäß dem Stand der Technik durch ein elektromechanisches Schaltelement erfüllt werden. Dies kann beispielsweise ein notfallartiges Unterbrechen einer der beiden Leitungen bei einer Überlast, ein Schließen bzw. Öffnen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs und/oder ein Aufladen eines Zwischenkreiskondensators sein. Insgesamt kann dadurch beispielsweise erreicht werden, dass die weiterhin verwendeten elektromechanischen Schaltelemente, insbesondere der Masseschütz und der Hauptschütz, direkt unterstützt werden. Dadurch können die Anforderungen, die sie erfüllen müssen, verringert und dadurch die verwendeten elektromechanischen Schaltelemente kleiner und/oder weniger komplex ausgebildet sein. Auch kann der zusätzliche Halbleiterschalter für Aufgaben eingesetzt werden, die in Schaltvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik durch weitere elektromechanische Schaltelemente wahrgenommen werden. Diese weiteren elektronischen Schaltelemente werden somit in einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nicht mehr oder zumindest nur noch in einer kleineren und/oder weniger komplexen Ausgestaltungsform benötigt. Insgesamt kann somit durch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ein Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Stromnetz eines Fahrzeugs vereinfacht und weniger komplex ausgeführt werden. Auch eine Verringerung des benötigten Bauraums kann durch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung erreicht werden.
Bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung vorgesehen sein, dass der Halbleiterschalter elektrisch parallel zum Hauptschütz an der zweiten Leitung angeordnet ist. Auf diese Weise kann durch den zusätzlichen Halbleiterschalter insbesondere der elektromechanische Vorladeschalter ersetzt werden. Dabei kann bevorzugt verwendet werden, dass der Halbleiterschalter geregelt geschlossen werden kann. Geregelt im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass der durch den Halbleiterschalter fließende Strom eingestellt, insbesondere geregelt werden kann. Diese Regelung kann beispielsweise bevorzugt durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Halbleiterschalters erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei einem Aufladen eines Zwischenkreiskondensators der dafür über den Halbleiterschalter geschaltete Ladestrom begrenzt werden kann, ohne dass ein zusätzlicher Vorladewiderstand erforderlich ist. Auf einen derartigen Vorladewiderstand kann somit bei Vorhandensein eines zusätzlichen Halbleiterschalters, der elektrisch parallel zum Hauptschütz an der zweiten Leitung angeordnet ist, verzichtet werden. Eine deutliche Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann dadurch erreicht werden, wobei insbesondere bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung Zeit und Kosten eingespart werden können. Zusätzlich treten durch dieses geregelte Schalten und Vorladen des Zwischenkreiskondensators im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorladeschaltung geringere Spitzenströme auf, wodurch auch Anforderungen beispielsweise an Sicherungselemente verringert werden können. Auch dadurch kann eine Vereinfachung und eine Verringerung einer Komplexität einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung bereitgestellt werden.
Alternativ kann eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass der Halbleiterschalter elektrisch seriell zum Masseschütz in der ersten Leitung angeordnet ist, bevorzugt zwischen dem Masseschütz und dem Netzende der ersten Leitung. Auf diese Weise kann der Halbleiterschalter für die Aufgabe des Schaltens der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs eingesetzt werden. Der Hauptschütz und der Masseschütz dienen in dieser Ausgestaltungsform nur noch als reine Potentialtrennelemente um den elektrischen Energiespeicher und das Stromnetz des Fahrzeugs insbesondere galvanisch zu trennen bzw. zu verbinden. Der Masseschütz und der Hauptschütz müssen daher selbst keine Ströme und insbesondere keine Überlastströme mehr schalten, wodurch beispielsweise die maximale Anzahl der Schaltzyklen und dadurch ihre Lebensdauer deutlich erhöht werden kann. Da das eigentliche Schalten der Verbindung durch den Halbeiterschalter durchgeführt wird, sind die Schaltvorgänge, die der Masseschütz und der Hauptschütz durchführen, potentialfreie Schaltvorgänge. Dies verringert die baulichen Anforderungen, die an den Masseschütz und den Hauptschütz gestellt sind, wodurch diese kleiner und weniger komplex ausgebildet sein können. Auch eine Leistung einer im Masseschütz oder im Hauptschütz verwendeten Spule kann daher verkleinert werden, wodurch wiederum eine im jeweiligen Schütz anfallende Verlustleistung und die damit einhergehende Erwärmung reduziert werden kann. Auch eine Aufladung eines Zwischenkreiskondensators kann durch ein geregeltes Schließen des Halbleiterschalters vorgenommen werden. Eine zusätzliche Vorladeschaltung mit einem elektromechanischen Vorladeschalter und einem Vorladewiderstand ist dazu nicht erforderlich. Zusätzlich treten durch dieses geregelte Schalten und Vorladen des Zwischenkreiskondensators im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorladeschaltung geringere Spitzenströme auf, wodurch auch Anforderungen beispielsweise an Sicherungselemente verringert werden können. Auch dadurch kann eine Vereinfachung und eine Verringerung einer Komplexität einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung eine Freilaufdiode angeordnet ist, wobei insbesondere die Freilaufdiode an den Netzenden der Leitungen oder zumindest nahe den Netzenden der Leitungen mit der jeweiligen Leitung elektrisch verbunden ist. Insbesondere bei einem schnellen Trennen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz kann durch Induktion eine hohe Spannung im Stromnetz auftreten. Ein derartiges schnelles Trennen kann dabei beispielsweise in einem Überlastfall nötig sein. Durch eine Freilaufdiode kann eine Höhe dieser Spannungsspitzen begrenzt werden. Eine Beschädigung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung und/oder des Stromnetzes kann dadurch verhindert werden. Durch eine Verbindung der Freilaufdiode mit der ersten und der zweiten Leitung an oder nahe den Netzenden mit der ersten und der zweiten Leitung kann sichergestellt werden, dass die Freilaufdiode auch bei einem aufgetrenntem Halbleiterschalter mit dem Stromnetz verbunden bleibt und so die auftretenden Spannungen begrenzen kann.
Ferner kann eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist, wobei insbesondere der Zwischenkreiskondensator jeweils an den Netzenden der Leitungen oder zumindest nahe den Netzenden der Leitungen mit der jeweiligen Leitung elektrisch verbunden ist. Durch einen derartigen Zwischenkreiskondensator kann elektrische Energie zwischengespeichert werden. Dadurch kann bereitgestellt werden, dass beispielsweise bei einer geschlossenen Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz eine bei einem plötzlich auftretenden Bedarf an elektrischer Energie im Stromnetz entstehende Stromspitze nicht aus dem elektrischen Energiespeicher sondern aus dem Zwischenkreiskondensator entnehmbar ist. Eine Beeinträchtigung oder sogar Beschädigung des elektrischen Energiespeichers kann dadurch vermieden werden. Dabei kann der Zwischenkreiskondensator als ein einzelnes Bauteil ausgebildet sein aber auch aus mehreren Bauteilen und/oder aus parasitären Kapazitäten zusammengesetzt sein. Ferner kann, alternativ oder zusätzlich, der Zwischenkreiskondensator auch als ein Teil des Stromnetzes ausgebildet sein ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. Eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ist zum Schalten einer Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Stromnetz eines Fahrzeugs ausgebildet. Wird eine derartige elektrische Verbindung plötzlich geschlossen, kann schlagartig ein hoher Strom durch die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung und im Anschluss daran in das Stromnetz fließen. Eine Beschädigung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, des elektrischen Energiespeichers und/oder des Stromnetzes kann die Folge sein. Um derartige Stromspitzen zu vermeiden, wird der Zwischenkreiskondensator vor dem eigentlichen allpoligen Verbinden des elektrischen Energiespeichers mit dem Stromkreis aufgeladen, wofür bei einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ein geregeltes Schalten des Halbleiterschalters eingesetzt wird. Das geregelte Schalten bewirkt dabei, dass der dadurch entstehende Strom nicht zu hoch, das heißt nicht schädlich für die verwendeten Elemente wie beispielsweise den elektrischen Energiespeicher, den Zwischenkreiskondensator, für Stromschienen, die für die die erste und zweite Leitung verwendet werden, und/oder für die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung, ist. Für die Regelung kann dabei beispielsweise eine Pulsweitenmodulation eingesetzt werden, zum Beispiel durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerungsspannung des Halbleiterschalters. Durch die Anordnung des Zwischenkreiskondensators direkt im Stromnetz beziehungsweise zwischen den oder zumindest nahe den Netzenden der ersten und der zweiten Leitung ist der Zwischenkreiskondensator im eingebauten Zustand einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung auch mit dem Stromnetz verbunden. Ist der Zwischenkreiskondensator aufgeladen, so ist idealerweise ein Spannungsniveau im Stromkreis erreicht, das der Spannung des elektrischen Energiespeichers entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht. Ein Verbinden des elektrischen Energiespeichers mit dem Stromkreis ist dadurch nun ohne kritische Stromspitze ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichersystem für ein Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Energiespeicher und eine Schaltvorrichtung zum Schalten einer elektrischen Verbindung des elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz des Fahrzeugs. Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die ausführlich zu einer Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit auch für ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem, das eine derartige Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers zu einem Stromnetz eines Fahrzeugs. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder durch eine Schaltvorrichtung eines Energiespeichersystems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs geöffnet und/oder geschlossen wird. Sämtliche Vorteile, die ausführlich zu einer Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder zu einem Energiespeichersystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem eine derartige Schaltvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder ein Energiespeichersystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Halbleiterschalter elektrisch parallel zum Hauptschütz an der zweiten Leitung angeordnet ist, und dass zum Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs folgende Schritte ausgeführt werden:

a) Schließen des Masseschützes,
b) Geregeltes Schließen des Halbleiterschalters zum Laden eines Zwischenkreiskondensators,
c) Erhöhen des Ladestroms, und
d) Schließen des Hauptschützes nach Erreichen des maximalen Ladestroms.

Durch die elektrisch parallele Anordnung des Halbleiterschalters zum Hauptschütz kann der Halbleiterschalter derart betrieben werden, dass er Aufgaben eines Vorladeschalters übernimmt, insbesondere ein Aufladen eines Zwischenkreiskondensators. Dieser Zwischenkreiskondensator kann dabei direkt an oder zumindest nahe den Netzenden zwischen der ersten und der zweiten Leitung verschaltet sein. Dadurch ist der Zwischenkreiskondensator im eingebauten Zustand einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung dem Stromnetz des Fahrzeugs vorgeschaltet und bildet einen Zwischenkreis. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenkreiskondensator auch als Teil des Stromnetzes ausgebildet sein. In beiden Ausgestaltungsformen kann der Zwischenkreiskondensator durch ein einzelnes Bauteil oder zusammengesetzt aus mehreren Komponenten gebildet sein, wobei auch parasitäre Kapazitäten zur Bildung des Zwischenkreiskondensators beitragen können.
Vor der Ausführung der Schritte dieser Ausgestaltungsform des Verfahrens, in der die Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs geschlossen wird, sind zum Sicherstellen einer Trennung der Verbindung üblicherweise sowohl der Masseschütz und der Hauptschütz als auch der Halbleiterschalter geöffnet. In Schritt a) wird in dieser Ausgestaltungsform der Masseschütz geschlossen. Dadurch werden der elektrische Energiespeicher und das Stromnetz des Fahrzeugs einpolig miteinander verbunden. Ein Austausch elektrischer Energie zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs findet noch nicht statt. Im zweiten Schritt b) wird ein geregeltes Schließen des Halbleiterschalters vorgenommen. Dies bewirkt ein Laden des Zwischenkreiskondensators. Geregelt im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass der durch den Halbleiterschalter fließende Strom eingestellt, insbesondere geregelt eingestellt werden kann. Mit anderen Worten kann der Strom durch eine geeignete Regelung auf geeignete Werte eingestellt und insbesondere begrenzt werden. Ein Vorladewiderstand, der in Schaltvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik einen Vorladestrom begrenzt, ist somit nicht nötig. Im nächsten Schritt c) wird der Ladestrom erhöht, insbesondere durch eine geeignete Regelung der Schließung des Halbleiterschalters. Dabei kann eine Ausführung des Schritts c) beispielsweise auch davon abhängig gemacht werden, ob bei der Ausführung von insbesondere Schritt b) keine Fehler aufgetreten sind. Schritt c) wird solange ausgeführt, bis ein maximaler Ladestrom erreicht ist und insbesondere der Zwischenkreiskondensator voll aufgeladen ist. Ein maximaler Ladestrom bedeutet dabei im Sinne der Erfindung insbesondere ein kontrolliert geregelter und damit insbesondere begrenzter Ladestrom. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn am Zwischenkreiskondensator dieselbe oder zumindest im Wesentlichen dieselbe Spannung anliegt, wie sie auch im elektrischen Energiespeicher vorherrscht. Dadurch kann sichergestellt werden, dass in Schritt d), in dem nach Erreichen des maximalen Ladestroms der Hauptschütz geschlossen wird, dieses Schließen potentialfrei oder zumindest im Wesentlichen potentialfrei erfolgen kann. Dadurch können beispielsweise Funken, die sich bei einem Schließen bei hohem Spannungsunterschied zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs bilden können und die zu hohem Verschleiß der elektromechanischen Schaltelemente führen, vermieden werden. Nach Durchführung des Schritts d) sind somit sowohl der Masseschütz als auch der Hauptschütz geschlossen und die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs ist hergestellt. Insgesamt kann somit in dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Schalten, insbesondere ein Schließen, einer Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs verbessert werden, wobei insbesondere auch die verwendete Schaltvorrichtung vereinfacht aufgebaut sein kann und beim Schalten weniger beansprucht wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass nach Schritt d) der Halbleiterschalter deaktiviert wird. Der Halbleiterschalter wird in den Schritten b) und c) dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet, um den Zwischenkreiskondensator geregelt aufzuladen. Dieses Aufladen ist nach Abschluss des Schritts c) abgeschlossen und eine Ansteuerung bzw. Regelung des Halbleiterschalters werden nicht mehr benötigt. Nach dem Schließen des Hauptschützes in Schritt d) ist der Zwischenkreiskondensator darüber hinaus direkt über die erste und die zweite Leitung mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Deaktivieren des Halbleiterschalters im Sinne der Erfindung kann dabei insbesondere auch bedeuten, dass nur die Regelung, die zum Einstellen und Begrenzen des Ladestroms verwendet wurde, deaktiviert wird, wobei der Halbleiterschalter selbst konstant geöffnet oder geschlossen ist. In einer alternativen Ausgestaltungsform kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass der Halbleiterschalter elektrisch seriell zum Masseschütz in der ersten Leitung angeordnet ist, und dass zum Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs folgende Schritte ausgeführt werden:

e) Schließen des Masseschützes und des Hauptschützes,
f) Geregeltes Schließen des Halbleiterschalters zum Laden eines Zwischenkreiskondensators, und
g) Erhöhen des Ladestroms bis zum Erreichen des maximalen Ladestroms.

Durch die elektrisch serielle Anordnung zum Masseschütz kann der Halbleiterschalter derart betrieben werden, dass ein Strom, der über den Masseschütz und den dazu elektrisch in Serie geschalteten Halbleiterschalter fließt, geregelt und insbesondere begrenzt werden kann. Somit können auch in dieser Ausgestaltungsform durch den Halbleiterschalter Aufgaben eines Vorladeschalters, beispielsweise ein Aufladen eines Zwischenkreiskondensators, übernommen werden. Auf eine zusätzliche Vorladeschaltung kann dabei insbesondere vollständig verzichtet werden. Der Zwischenkreiskondensator kann dabei auch in dieser Ausgestaltungsform direkt an oder zumindest nahe zu den Netzenden zwischen der ersten und der zweiten Leitung verschaltet sein. Dadurch ist der Zwischenkreiskondensator im eingebauten Zustand einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung dem Stromnetz des Fahrzeugs vorgeschaltet und bildet einen Zwischenkreis. Ferner kann auch in dieser Ausgestaltungsform der Zwischenkreiskondensator alternativ oder zusätzlich als Teil des Stromnetzes ausgebildet sein. Dabei kann jeweils der Zwischenkreiskondensator durch ein einzelnes Bauteil oder zusammengesetzt aus mehreren Komponenten gebildet sein, wobei wiederum auch parasitäre Kapazitäten zur Bildung des Zwischenkreiskondensators beitragen können.
Vor der Ausführung der Schritte dieser Ausgestaltungsform des Verfahrens, in der die Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs geschlossen wird, sind zum Sicherstellen einer Trennung der Verbindung üblicherweise sowohl der Masseschütz und der Hauptschütz als auch der Halbleiterschalter geöffnet. In Schritt e) wird in dieser Ausgestaltungsform der Masseschütz und der Hauptschütz geschlossen. Der Halbleiterschalter bleibt jedoch weiterhin geöffnet und unterbricht somit die erste Leitung. Dadurch werden der elektrische Energiespeicher und das Stromnetz des Fahrzeugs nur einpolig miteinander verbunden. Ein Austausch elektrischer Energie zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs findet noch nicht statt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Schließen des Masseschützes und des Hauptschützes potentialfrei oder zumindest im Wesentlichen potentialfrei erfolgen kann. Dadurch können beispielsweise Funken, die sich bei einem Schließen bei hohem Spannungsunterschied bzw. Potentialunterschied zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs im Masseschütz oder dem Hauptschütz bilden können und die zu hohem Verschleiß der elektromechanischen Schaltelemente führen, vermieden werden. Im zweiten Schritt f) wird ein geregeltes Schließen des Halbleiterschalters vorgenommen. Da der Masseschütz geschlossen ist, bewirkt dies ein Laden des Zwischenkreiskondensators. Geregelt im Sinne der Erfindung bedeutet dabei insbesondere, dass der durch den Masseschütz und den Halbleiterschalter fließende Strom eingestellt, insbesondere geregelt eingestellt werden kann. Mit anderen Worten kann der Strom durch eine geeignete Regelung auf geeignete Werte eingestellt und insbesondere begrenzt werden. Ein Vorladewiderstand, der in Schaltvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik einen Vorladestrom begrenzt, ist somit nicht nötig. Im nächsten Schritt g) wird der Ladestrom erhöht, insbesondere durch eine geeignete Regelung der Schließung des Halbleiterschalters. Dabei kann eine Ausführung des Schritts g) beispielsweise auch davon abhängig gemacht werden, ob bei der Ausführung von insbesondere Schritt f) keine Fehler aufgetreten sind. Schritt g) wird solange ausgeführt, bis ein maximaler Ladestrom erreicht ist und insbesondere der Zwischenkreiskondensator voll aufgeladen ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn am Zwischenkreiskondensator dieselbe oder zumindest im Wesentlichen dieselbe Spannung anliegt, wie sie auch im elektrischen Energiespeicher vorherrscht. Nach Durchführung des Schritts g) sind somit sowohl der Masseschütz und der Hauptschütz als auch der Halbleiterschalter geschlossen und die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs ist hergestellt. Insgesamt kann somit in dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Schalten, insbesondere ein Schließen, einer Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs verbessert werden, wobei insbesondere auch die verwendete Schaltvorrichtung vereinfacht aufgebaut sein kann und beim Schalten weniger beansprucht wird.
Besonders bevorzugt kann diese Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens dahingehend weiterentwickelt sein, dass nach Schritt g) die Regelung der Ansteuerung des Halbleiterschalters beendet wird und dass die Ansteuerung des Halbleiterschalters fortlaufend und konstant durchgeführt wird. Der Halbleiterschalter wird in den Schritten f) und g) dieser Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet, um den Zwischenkreiskondensator geregelt aufzuladen. Dieses Aufladen ist nach Abschluss des Schritts g) abgeschlossen und eine Regelung des Halbleiterschalters wird nicht mehr benötigt. Durch ein fortlaufendes und konstantes Ansteuern des Halbleiterschalters, das insbesondere ein permanentes Zuschalten des Halbleiterschalters bewirkt, kann sichergestellt werden, dass die zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs geschlossene Verbindung bestehen bleibt.
Darüber hinaus kann in einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass zum Trennen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs und/oder in einem Überlastfall folgende Schritte ausgeführt werden:

h) Öffnen des Halbleiterschalters, und
i) Öffnen des Masseschützes und des Hauptschützes.

Bei einem Öffnen eines elektromechanischen Schalelements, beispielsweise einem Masseschütz oder einem Hauptschütz, kann es, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise zu einer Funkenbildung kommen. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn eine hohe Potentialdifferenz herrscht oder wenn über das Schaltelement ein hoher Strom fließt. Gemäß dieser Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Trennen einer bestehenden Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem Stromnetz eines Fahrzeugs als erster Schritt h) der Halbleiterschalter der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung geöffnet wird und erst anschließend daran in Schritt i) der Masseschütz und der Hauptschütz geöffnet werden. Da der Halbleiterschalter elektrisch seriell zum Masseschütz in der ersten Leitung angeordnet wird, wird somit bereits in Schritt h) ein Stromfluss zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs unterbrochen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass in Schritt i) das Öffnen des Masseschützes und des Hauptschützes stromlos oder zumindest im Wesentlichen stromlos erfolgen kann. Dadurch können beispielsweise Funken, die sich bei einem Öffnen bei hohem Spannungsunterschied und/oder Stromfluss zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs bilden können und die zu hohem Verschleiß der elektromechanischen Schaltelemente führen, vermieden werden.
Bevorzugt kann dabei ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterentwickelt sein, dass in Schritt h) eine im Stromnetz des Fahrzeugs anliegende Spannung begrenzt wird, wobei die Spannung insbesondere durch eine zwischen der ersten und der zweiten Leitung angeordnete Freilaufdiode begrenzt wird. Bei einem Öffnen des Halbleiterschalters in Schritt h) kann es zu einer hohen Spannungsbelastung kommen. Dies kann insbesondere auf Induktionsvorgänge zurückgeführt werden, die bei einem, insbesondere plötzlichen, Öffnen des Halbleiterschalters auftreten können. Durch ein Begrenzen dieser Spannungsspitzen können Beschädigungen des Stromnetzes, aber auch der Schaltvorrichtung, vermieden werden. Durch eine Freilaufdiode kann eine Höhe dieser Spannungsspitzen besonders einfach begrenzt werden. Durch eine Verbindung der Freilaufdiode mit der ersten und der zweiten Leitung an oder nahe den Netzenden mit der ersten und der zweiten Leitung kann sichergestellt werden, dass die Freilaufdiode auch bei einem aufgetrenntem Halbleiterschalter mit dem Stromnetz verbunden bleibt und so die auftretenden Spannungen begrenzen kann.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass in Schritt b) und/oder Schritt f) das Schließen des Halbleiterschalters über eine Pulsweitenmodulation geregelt wird. Dabei kann beispielsweise bevorzugt eine Ansteuerungsspannung des Halbleiterschalters pulsweitenmoduliert bereitgestellt werden, wodurch sich automatisch diese Pulsweitenmodulation auf das Schließen des Halbleiterschalters überträgt. Ein geregeltes Laden des Zwischenkreiskondensators kann auf diese Weise besonders einfach und effektiv bereitgestellt werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass in den Schritten b) und c) und/oder in den Schritten f) und g) für eine Überwachung des Schließens der Verbindung der Ladestrom und/oder eine Ladespannung gemessen und die Messergebnisse mit Sollwerten verglichen werden. Eigenschaften, beispielsweise eine Größe, eine Änderungsgeschwindigkeit oder ähnliches, des Ladestroms und/oder der Ladespannung können durch ein Messen ermittelt werden. Ein Vergleichen mit Sollwerten ermöglicht darüber hinaus eine Überwachung dieser Größen. Eine Information über einen Zustand der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, aber auch des Stromnetzes des Fahrzeugs und/oder des elektrischen Energiespeichers, können dadurch bereitgestellt werden.
Besonders bevorzugt kann gemäß einer Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass bei einem Erkennen einer Abweichung des überwachten Ladestroms und/oder der überwachten Ladespannung vom jeweiligen Sollwert das Schließen der Verbindung abgebrochen wird. Eine derartige Abweichung des Ladestroms und/oder der Ladespannung von Sollwerten, beispielsweise ein zu hoher Ladestrom oder ein Verfehlen einer Sollspannung durch die Ladespannung, kann auf ein Problem beim Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Stromnetz des Fahrzeugs hindeuten. Durch ein Abbrechen des Schließens der Verbindung in diesem Fall kann verhindert werden, dass die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung und/oder der elektrische Energiespeicher bzw. das Stromnetz des Fahrzeugs, beschädigt werden. Die Sicherheit beim Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, aber auch für den elektrischen Energiespeicher und das Stromnetz des Fahrzeugs können dadurch erhöht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion oder Wirkungsweise sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
1 Eine Schaltvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 Eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,
3 Eine zweite Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, und
4 Spannungs- und Stromverläufe beim Schließen einer Schaltvorrichtung.
2 zeigt eine erste mögliche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10, die als Teil eines erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 60 zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung und damit zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen einem Energiespeicher 30 und einem Stromnetz 40 eines Fahrzeugs ausgebildet ist. Das Stromnetz des Fahrzeugs kann dabei mehrere Verbraucher 41 aufweisen, von denen ein Stromwandler 42 und ein Elektromotor 43 als Beispiele näher bezeichnet sind. Die Schaltvorrichtung 10 weist eine erste 11 und eine zweite Leitung 12 auf. Jede dieser Leitungen 11, 12 weist wiederum ein Speicherende 13 auf, das zum elektrischen Verbinden mit dem Energiespeicher 30 vorgesehen ist. Am anderen Ende der jeweiligen Leitung 11, 12 ist ein Netzende 14 angeordnet, durch das eine elektrische Verbindung mit dem Stromnetz 40 herstellbar ist. In der ersten Leitung 11 ist ferner ein Masseschütz 21 und in der zweiten Leitung 12 ein Hauptschütz 22 angeordnet. Der Masseschütz 21 und der Hauptschütz 22 können dabei als elektromechanische Schaltelemente wie beispielsweise Relais ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 ist ein Halbleiterschalter 20 parallel zum Hauptschütz 22 an der zweiten Leitung 12 angeordnet. Durch diesen Halbleiterschalter 20 kann das Schalten der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 des Fahrzeugs unterstützt werden. Insbesondere bei einem Schließen der Verbindung kann dabei der Halbleiterschalter 20 verwendet werden, um einen Zwischenkreiskondensator 15 aufzuladen. Dieser Zwischenkreiskondensator 15 ist in der abgebildeten Ausgestaltungsform als Teil der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenkreiskondensator 15 auch als Teil des Stromnetzes 40 ausgebildet sein. Dabei ist jeweils eine Bildung des Zwischenkreiskondensators 15 durch ein einzelnes Bauteil und/oder ein Zusammenwirken von mehreren Bauteilen, auch von parasitären Kapazitäten, zur Bildung des Zwischenkreiskondensators 15 möglich. Durch das Aufladen des Zwischenkreiskondensators 15 kann eine zu hohe Strombelastung des Stromnetzes 40 beim Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 vermieden werden. Zum Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 wird bei geöffnetem Hauptschütz 22 der Halbleiterschalter 20 geregelt geschlossen und dadurch der Zwischenkreiskondensator 15 aufgeladen. Dabei kann der Halbleiterschalter insbesondere unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation, beispielsweise einer Ansteuerungsspannung des Halbleiterschalters 20, geregelt betrieben werden. Eine Begrenzung des Ladestroms, mit dem der Zwischenkreiskondensator 15 aufgeladen wird, kann dadurch bereitgestellt werden, ohne dass ein zusätzlicher Vorladewiderstand 51 (nicht mit abgebildet) dafür nötig ist. Stromspitzen, die bei einem plötzlichen Schließen der Verbindung zwischen dem Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 auftreten könnten, können so sicher vermieden werden. Insgesamt kann dadurch eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 10 einfacher aufgebaut sein. Insbesondere die Möglichkeit, auf einen Vorladewiderstand 51 verzichten zu können, der anwendungsbedingt einen hohen Platzbedarf aufweist und bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 einen hohen Zeit- und Kostenaufwand bedingt, ermöglicht einen weniger komplexen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10, in der ebenfalls ein zusätzlicher Halbleiterschalter 20 zum Unterstützen eines Schaltens einer Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher 30 und einem Stromnetz 40 eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Das Stromnetz kann dabei erneut mehrere Verbraucher 41 aufweisen, wobei auch hier ein Stromwandler 42 und ein Elektromotor 43 beispielhaft benannt sind. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 10 weist darüber hinaus ebenfalls eine erste 11 und eine zweite Leitung 12 auf, in denen ein Masseschütz 21 bzw. ein Hauptschütz 22 angeordnet sind. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausgestaltungsform ist hier der zusätzliche Halbleiterschalter 20 elektrisch seriell zum Masseschütz 21 in der ersten Leitung 11 angeordnet. Für ein Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 des Fahrzeugs werden bevorzugt zuerst der Masseschütz 21 und der Hauptschütz 22 geschlossen, während der zusätzliche Halbleiterschalter 20 geöffnet bleibt. Dadurch ist das Stromnetz 40 einpolig mit dem elektrischen Energiespeicher 30 verbunden, wobei jedoch noch kein Strom fließt. Anschließend wird der Halbleiterschalter 20 geregelt geschlossen, beispielsweise geregelt durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerungsspannung. Dieses geregelte Schließen des Halbleiterschalters 20 wird dabei derart durchgeführt, dass ein Zwischenkreiskondensator 15 durch einen, anfangs geringen, Ladestrom 70 (nicht mit abgebildet) aufgeladen wird. Auch in dieser Ausgestaltungsform ist der Zwischenkreiskondensator 15 als Teil der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 gezeigt. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenkreiskondensator 15 auch hier als Teil des Stromnetzes 40 ausgebildet sein. Dabei ist jeweils eine Bildung des Zwischenkreiskondensators 15 als ein einzelnes Bauteil und/oder ein Zusammenwirken von mehreren Bauteilen, auch von parasitären Kapazitäten, zur Bildung des Zwischenkreiskondensators 15 möglich. Der Ladestrom 70 und die Ladespannung 71 (ebenfalls nicht mit abgebildet) werden gemessen und durch einen Vergleich mit Sollwerten überwacht. Wird bei dieser Überwachung keine oder nur eine geringfügige Abweichung erkannt, wird der Ladestrom 70 bis zum Erreichen eines maximalen Ladestroms 70 erhöht. Bei Erreichen des maximalen Ladestroms 70 ist die Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 des Fahrzeugs hergestellt und der Halbleiterschalter 20 wird permanent angesteuert und dadurch konstant geöffnet gehalten. Die Regelung der Ansteuerung des Halbleiterschalters 20 kann dann deaktiviert werden. Zum Trennen der Verbindung und/oder in einem Überlastfall wird zuerst der Halbleiterschalter 20 geöffnet. Eine durch Induktion entstehende Überspannung im Stromnetz kann durch eine Freilaufdiode 16 begrenzt werden. Im Anschluss werden der Masseschütz 21 und der Hauptschütz 22 geöffnet, wobei dies nun potentialfrei oder zumindest im Wesentlichen potentialfrei vorgenommen werden kann. Verschleißerscheinungen des Masseschützes 21 und des Hauptschützes 22, hervorgerufen beispielsweise durch Funkenüberschläge beim Öffnen der Verbindung, werden vermieden. Auch können der Masseschütz 21 und der Hauptschütz 22 einfacher und kompakter ausgebildet sein, da sie geringere Anforderungen für einen sicheren Betrieb erfüllen müssen. Insgesamt kann somit auch in dieser Ausgestaltungsform eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 10 einfacher und kompakter aufgebaut sein.
In 4 sind Verläufe eines Ladestroms 70 sowie einer Ladespannung 71 gezeigt, wie sie bei einem Schließen einer Verbindung zwischen einem elektrischen Energiespeicher 30 und einem Stromnetz 40 durch eine Schaltvorrichtung 10 (jeweils nicht mit abgebildet) auftreten können. Dabei sind in der oberen Abbildung die Verläufe für eine Schaltvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik und in der unteren Abbildung für eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung 10 gezeigt. Deutlich sichtbar ist, dass bei einer Schaltvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik am Anfang des Schließvorgangs ein sehr hoher Ladestrom 70 fließt. Dieser hohe Ladestrom 70 ist durch die Verwendung einer Vorladeschaltung mit einem Vorladeschalter 50 und einem Vorladewiderstand 51 (nicht mit abgebildet) zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators 15 bedingt. Im Gegensatz dazu wird bei einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 10 ein geregelter Halbleiterschalter 20 (nicht mit abgebildet) verwendet, um den Zwischenkreiskondensator 15 aufzuladen. Der maximale Ladestrom 70 ist deutlich geringer, wodurch die Belastung, die durch diese Stromspitze hervorgerufen wird, ebenfalls deutlich vermindert ist. Auf den maximalen Wert der Ladespannung 71, der idealerweise dem Spannungsniveau des elektrischen Energiespeichers 30 bzw. des Stromnetzes 40 des Fahrzeugs entspricht, hat dies jedoch keinen Einfluss. Auf diese Weise kann somit ein Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 30 und dem Stromnetz 40 des Fahrzeugs bereitgestellt werden, bei der eine Belastung der beteiligten Komponenten vermindert werden kann. Eine Verlängerung einer Lebensdauer der eingesetzten Komponenten kann dadurch erreicht werden.
Bezugszeichenliste

10: Schaltvorrichtung
11: erste Leitung
12: zweite Leitung
13: Speicherende
14: Netzende
15: Zwischenkreiskondensator
16: Freilaufdiode
20: Halbleiterschalter
21: Masseschütz
22: Hauptschütz
30: Energiespeicher
40: Stromnetz
41: Verbraucher
42: Stromwandler
43: Elektromotor
50: Vorladeschalter
51: Vorladewiderstand
60: Energiespeichersystem
70: Ladestrom
71: Ladespannung

Claims

Schaltvorrichtung (10) zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) eines Fahrzeugs, aufweisend eine erste Leitung (11) und eine zweite Leitung (12), wobei die Leitungen (11, 12) elektrisch parallel zueinander angeordnet sind und jeweils ein Speicherende (13) zum elektrischen Verbinden mit dem elektrischen Energiespeicher (30) und ein Netzende (14) zum elektrischen Verbinden mit dem Stromnetz (40) aufweisen, wobei ferner ein Masseschütz (21) in der ersten Leitung (11) und ein Hauptschütz (22) in der zweiten Leitung (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (10) zusätzlich einen Halbleiterschalter (20) zum Unterstützen des Schaltens der Verbindung des elektrischen Energiespeichers (30) zum Stromnetz (40) des Fahrzeugs aufweist.
Schaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (20) elektrisch parallel zum Hauptschütz (22) an der zweiten Leitung (12) angeordnet ist.
Schaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (20) elektrisch seriell zum Masseschütz (21) in der ersten Leitung (11) angeordnet ist, bevorzugt zwischen dem Masseschütz (21) und dem Netzende (14) der ersten Leitung (11).
Schaltvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Leitung (11) und der zweiten Leitung (12) eine Freilaufdiode (16) angeordnet ist, wobei insbesondere die Freilaufdiode (16) an den Netzenden (14) der Leitungen (11, 12) oder zumindest nahe den Netzenden (14) der Leitungen (11, 12) mit der jeweiligen Leitung elektrisch verbunden ist.
Schaltvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Leitung (11) und der zweiten Leitung (12) ein Zwischenkreiskondensator (15) angeordnet ist, wobei insbesondere der Zwischenkreiskondensator (15) jeweils an den Netzenden (14) der Leitungen (11, 12) oder zumindest nahe den Netzenden (14) der Leitungen (11, 12) mit der jeweiligen Leitung (11, 12) elektrisch verbunden ist.
Energiespeichersystem (60) für ein Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Energiespeicher (30) und eine Schaltvorrichtung (10) zum Schalten einer elektrischen Verbindung des elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zum Schalten einer elektrischen Verbindung eines elektrischen Energiespeichers (30) zu einem Stromnetz (40) eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Schaltvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder durch eine Schaltvorrichtung (10) eines Energiespeichersystems (60) nach Anspruch 6 eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher (30) und dem Stromnetz (40) des Fahrzeugs geöffnet und/oder geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (20) elektrisch parallel zum Hauptschütz (22) an der zweiten Leitung (12) angeordnet ist, und dass zum Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher (30) und dem Stromnetz (40) des Fahrzeugs folgende Schritte ausgeführt werden: a) Schließen des Masseschützes (21), b) Geregeltes Schließen des Halbleiterschalters (20) zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (15), c) Erhöhen des Ladestroms (70), und d) Schließen des Hauptschützes (22) nach Erreichen des maximalen Ladestroms (70).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) der Halbleiterschalter (20) deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (20) elektrisch seriell zum Masseschütz (21) in der ersten Leitung (11) angeordnet ist, und dass zum Schließen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher (30) und dem Stromnetz (40) des Fahrzeugs folgende Schritte ausgeführt werden: e) Schließen des Masseschützes (21) und des Hauptschützes (22), f) Geregeltes Schließen des Halbleiterschalters (20) zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (15), und g) Erhöhen des Ladestroms (70) bis zum Erreichen des maximalen Ladestroms (70).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt g) die Regelung der Ansteuerung des Halbleiterschalters (20) beendet wird und dass die Ansteuerung des Halbleiterschalters (20) fortlaufend und konstant durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Trennen der Verbindung zwischen dem elektrischen Energiespeicher (30) und dem Stromnetz (40) des Fahrzeugs und/oder in einem Überlastfall folgende Schritte ausgeführt werden: h) Öffnen des Halbleiterschalters (20), und i) Öffnen des Masseschützes (21) und des Hauptschützes (22).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt h) eine im Stromnetz (40) des Fahrzeugs anliegende Spannung begrenzt wird, wobei die Spannung insbesondere durch eine zwischen der ersten (11) und der zweiten Leitung (12) angeordnete Freilaufdiode (16) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) und/oder Schritt f) das Schließen des Halbleiterschalters (20) über eine Pulsweitenmodulation geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten b) und c) und/oder in den Schritten f) und g) für eine Überwachung des Schließens der Verbindung der Ladestrom (70) und/oder eine Ladespannung (71) gemessen und die Messergebnisse mit Sollwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Erkennen einer Abweichung des überwachten Ladestroms (70) und/oder der überwachten Ladespannung (71) vom jeweiligen Sollwert das Schließen der Verbindung abgebrochen wird.