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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsabschalteinrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2016 224 433 A1 beschrieben, ein Elektrofahrzeug-Steuergerät bekannt. In einer HCU eines Elektrofahrzeugs, umfassend einen Motorgenerator, eine dritte Energiespeichervorrichtung mit einer hohen Spannung, einen Wechselrichter, ein Unterbrechungsrelais, das die dritte Energiespeichervorrichtung in einen Verbindungszustand oder einen Unterbrechungszustand schaltet, und einen Begrenzungswiderstand, der einen passiven Entladewiderstand und einen Zwangsentladewiderstand umfasst, die parallel zu einem Glättungskondensator an einer Vorstufe des Wechselrichters verbunden sind, wird ein Hochspannungs-Unterbrechungszustand ausgebildet, um die dritte Energiespeichervorrichtung abzutrennen, wenn eine Kollision des Fahrzeugs detektiert wird, und ein Verbindungsrelais wird intermittierend verbunden oder getrennt von dem Zwangsentladewiderstand zur intermittierenden Entladung, wenn die in dem Glättungskondensator gespeicherte Elektroenergie entladen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Sicherheitsabschalteinrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sicherheitsabschalteinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Sicherheitsabschalteinrichtung zur Unterbrechung eines elektrischen Stromkreises umfasst erfindungsgemäß einen Halbleiterschalter mit Selbsthalteschaltung.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann beispielsweise eine aus dem Stand der Technik bekannte pyrotechnische Trenneinrichtung ersetzen, wodurch geringere Herstellkosten erreicht werden. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Lösung die gleiche Sicherheit und Zuverlässigkeit wie durch die pyrotechnische Trenneinrichtung erreicht.
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Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Lösung eine Wiedereinschaltung, d. h. ein erneutes Schließen des Stromkreises, ermöglicht, ohne dass hierfür ein Austausch der Sicherheitsabschalteinrichtung erforderlich ist. Im Gegensatz dazu kann eine pyrotechnische Trenneinrichtung nur einmal verwendet werden, da nach dem Auslösen dieser pyrotechnischen Trenneinrichtung ein pyrotechnischer Treibsatz verbraucht ist und der Stromkreis durch zerstörende Trennung einer Stromschiene unterbrochen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sicherheitsabschalteinrichtung, und
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sicherheitsabschalteinrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen zweier Ausführungsformen einer Sicherheitsabschalteinrichtung 1, genauer gesagt einer elektronischen Sicherheitsabschalteinrichtung 1, zur Unterbrechung eines elektrischen Stromkreises. Diese Sicherheitsabschalteinrichtung 1 umfasst vorteilhafterweise einen Halbleiterschalter 2 mit Selbsthalteschaltung. Beide dargestellten Ausführungsformen der Sicherheitsabschalteinrichtung 1 umfassen eine integrierte Kontrolleinheit 2c in dem Halbleiterschalter 2, welcher als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, auch als metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) bezeichnet, ausgebildet ist oder einen solchen umfasst. Dabei weist die in 2 dargestellte Ausführungsform der Sicherheitsabschalteinrichtung 1 zusätzlich ein standardisiertes Bus-Interface 3b auf.
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Die Sicherheitsabschalteinrichtung 1 ist insbesondere zur Unterbrechung eines als elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs ausgebildeten elektrischen Stromkreises vorgesehen, insbesondere eines einer Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors mittels einer Traktionsbatterie dienenden so genannten Hochvolt-Bordnetzes oder Hochspannungsbordnetzes eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere bei solchen Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, sind Sicherheitsabschalteinrichtungen 1 bekannt, die nach Unfällen oder fehlerhaften Betriebsbedingungen Versorgungszweige des Bordnetzes des Fahrzeugs, insbesondere Hochspannungszweige, abschalten. Anforderungen an solche Sicherheitsabschalteinrichtungen 1 sind eine ununterbrochene Sicherstellung eines eingeschalteten Zustands in einem Normalbetrieb des Fahrzeugs, d. h. wenn keine fehlerhafte Betriebsbedingung und kein Unfall vorliegen, um eine maximale Verfügbarkeit des Fahrzeugs sicherzustellen, und des Weiteren nach vordefinierten Fehlerzuständen oder Unfallereignissen eine Sicherstellung eines abgeschalteten Zustands solange, bis eine Fachkraft das Fahrzeug wieder in einen betriebsfähigen Zustand zurücksetzt.
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Als Stand der Technik zur Trennung von Stromkreisen, insbesondere zur Abschaltung von Versorgungsspannungszweigen, sind als pyrotechnische Trenneinrichtung ausgebildete Sicherheitsabschalteinrichtungen 1 bekannt. Sie verfügen über eine pyrotechnische Zündeinrichtung, welche eine Stromschiene durch Aktivierung der Zündeinrichtung mechanisch in zwei Teile trennt und damit die Unterbrechung des Stromkreises sicherstellt. Die Trennung erfolgt durch eine nicht leitfähige mechanische Schneideeinrichtung, auch als Fallbeil bezeichnet. Nach Auslösung der pyrotechnischen Zündeinrichtung sind die Stromschiene und die als pyrotechnische Trenneinrichtung ausgebildete Sicherheitsabschalteinrichtung 1 nicht reparabel und müssen durch eine Fachkraft ersetzt werden.
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Die nachfolgend näher beschriebene elektronische Sicherheitsabschalteinrichtung 1, welche in zwei Ausführungsformen in den 1 und 2 dargestellt ist, erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen an eine Schaltlogik zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, d. h. die ununterbrochene Sicherstellung des eingeschalteten Zustands im Normalbetrieb des Fahrzeugs und damit die Sicherstellung der maximalen Verfügbarkeit des Fahrzeugs und des Weiteren nach vordefinierten Fehlerzuständen oder Unfallereignissen die Sicherstellung des abgeschalteten Zustands solange, bis eine Fachkraft das Fahrzeug wieder in einen betriebsfähigen Zustand zurücksetzt.
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Die hier beschriebene und in den 1 und 2 anhand zweier Ausführungsbeispiele dargestellte elektronische Sicherheitsabschalteinrichtung 1 weist jedoch im Vergleich zur pyrotechnischen Trenneinrichtung wesentliche Vorteile auf. So ist die Herstellung der elektronischen Sicherheitsabschalteinrichtung 1 innerhalb einer bestehenden elektronischen Baugruppe wesentlich günstiger, insbesondere kostengünstiger, im Vergleich zur pyrotechnischen Trenneinrichtung. Des Weiteren ist die elektronische Sicherheitsabschalteinrichtung 1 nach einer erfolgten Abschaltung, d. h. nach einer erfolgten Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, reparabel und muss somit nicht ausgetauscht werden. Sobald ein Schaden am Fahrzeug, welcher zur Auslösung der elektronischen Sicherheitsabschalteinrichtung 1 und somit zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises geführt hat, repariert ist und das Fahrzeug wieder in einem betriebsfähigen Zustand ist, kann ein elektronisches Schaltelement der elektronischen Sicherheitsabschalteinrichtung 1, welches zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises abgeschaltet wurde, wieder eingeschaltet werden, beispielsweise mit einem Diag nosewerkzeug.
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1 zeigt eine als elektronische Baugruppe ausgebildete elektronische Sicherheitsabschalteinrichtung 1, welche zwischen einer elektrischen Spannungsquelle UBatt , beispielsweise einer Batterie, insbesondere Traktionsbatterie, des Fahrzeugs, und einer elektrischen Last V, d. h. mindestens einem elektrischen Verbraucher, beispielsweise dem Antriebsmotor, angeordnet ist. Sie umfasst im Wesentlichen einen Halbleiterschalter 2, der von einem Mikrokontroller 3 mittels eines Ansteuersignals in Form eines Einschaltsignals SEin über einen Einschaltpfad EP oder Ausschaltsignals SAus über einen Ausschaltpfad AP eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden kann. Zur Sicherstellung, dass ein einmal eingeschalteter Zustand des Halbleiterschalters 2 dauerhaft bestehen bleibt, erfolgt eine Rückführung eines Ausgangssignals SAG des Halbleiterschalters 2 über einen Rückführpfad RP auf einen Eingang 2a des Halbleiterschalters 2.
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Im Einschaltpfad EP und Ausschaltpfad AP sowie in einem von der Spannungsquelle UBatt kommenden Batteriespannungspfad BP ist jeweils eine Diode D angeordnet. Im Ausschaltpfad AP und Rückführpfad RP ist jeweils ein elektrischer Widerstand R angeordnet.
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Der Halbleiterschalter 2 besteht aus einem so genannten Highside-MOSFET 2b, der eine vorgeschaltete Kontrolleinheit 2c mit Ladungspumpe für eine Gateansteuerung des Highside-MOSFET 2b beinhaltet. Die vorgeschaltete Kontrolleinheit 2c erlaubt eine Ansteuerung des Halbleiterschalters 2 mit logikkompatiblen Spannungen von 3,3 V bis 5 V. Bedingt durch das niedrige Spannungslevel kann somit das zurückgeführte Ausgangssignal SAG verwendet werden, um mit dem jeweiligen Schaltsignal SAus , SEin des Mikrokontrollers 3 eine logische ODER-Verknüpfung zu bilden, aus welcher ein entsprechendes Logiksignal SL resultiert. Das bedeutet, dass nach erstmaligem Einschalten durch den Mikrokontroller 3 der Ausgang des Halbleiterschalters 2 ohne weitere Aktivitäten des Mikrokontrollers 3 solange eingeschaltet bleibt, bis die Versorgungsspannung unter die untere Betriebsspannungsgrenze des Halbleiterschalters 2 abgesunken ist.
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Zum Ausschalten dieses selbsthaltenden Sicherheitsschalters ist eine Unterbrechung der Rückführung mittels eines nach Masse schaltenden Transistors 4 erforderlich.
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Zur Erhöhung des Sicherheitslevels ist die Ansteuerschaltung so ausgelegt, dass Einschalt- oder Ausschaltvorgänge nur durch vordefinierte zyklische Ansteuersignale des Mikrokontrollers 3 möglich sind. Damit wird verhindert, dass einfache Störungen oder Ausfälle des Mikrokontrollers 3 einen ungewollten Zustandswechsel der Sicherheitsabschalteinrichtung 1 verursachen.
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Eine einfache Form zur zyklischen Ansteuerung ist eine Reihenschaltung je eines Bandpasses 5 im Einschaltpfad EP und Ausschaltpfad AP. Dabei sind die Ansteuersignale so ausgeführt, dass sie einer Durchlassfrequenz des nachgeschalteten Bandpasses 5 entsprechen. Falls die Frequenz des Schaltsignals außerhalb der Grenzfrequenzen des Bandpasses 5 liegt, sperrt der Bandpass 5 und der aktuell vorliegende Schaltzustand der Sicherheitsabschalteinrichtung 1 bleibt erhalten.
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2 zeigt eine andere Form zur zyklischen Ansteuerung, welche in der Verwendung von standardisierten Bus-Interfaces 3b, beispielweise Serial Peripheral Interface (SPI) und/oder Inter-Integrated Circuit (I2C) innerhalb der als elektronische Baugruppe ausgebildeten elektronischen Sicherheitsabschalteinrichtung 1 besteht. Verfügt der Halbleiterschalter 2 neben einem Busanschluss für ein Bussignal BS auch über einen redundanten direkten Einschaltpfad 2d, der typischerweise als Rückfallebene (Limp Home) bei fehlerhaft arbeitenden Mikrokontrollern 3 verwendet wird, kann dieser Eingang, d. h. der redundante direkte Einschaltpfad 2d, als Rückführungspfad vom Lastausgang verwendet werden, über welchen ein Limp-Home-Signal LS eingespeist werden kann.
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Die logische ODER-Verknüpfung des Bussignals BS und des Limp-Home-Signals LS erfolgt hier intern im Halbleiterschalterbaustein. Auch mit dieser Schaltungsanordnung ist sichergestellt, dass ein einmal eingeschalteter Ausgang nur durch eine gültige Ausschaltbotschaft auf dem internen Businterface 3b und einer gleichzeitigen Ansteuerung des Ausschalttransistors, d. h. des Transistors 4, erfolgen kann.
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Beide Ausführungsbeispiele ermöglichen die Sicherstellung des eingeschalteten Zustandes durch Rückführung des Ausgangssignals SAG auf einen Eingang des Schaltelementes, d. h. auf den Eingang 2a bzw. den Eingang des redundanten direkten Einschaltpfades 2d des Halbleiterschalters 2. Dies wird als Selbsthaltung bezeichnet. Des Weiteren ermöglichen beide Ausführungsbeispiele die Ansteuerung der Einschaltpfade EP und Ausschaltpfade AP über zyklische Steuerbefehle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sicherheitsabschalteinrichtung
- 2
- Halbleiterschalter
- 2a
- Eingang
- 2b
- Highside-MOSFET
- 2c
- Kontrolleinheit
- 2d
- redundanter direkter Einschaltpfad
- 3
- Mikrokontroller
- 3b
- Bus-Interface
- 4
- Transistor
- 5
- Bandpass
- AP
- Ausschaltpfad
- BP
- Batteriespannungspfad
- BS
- Bussignal
- D
- Diode
- EP
- Einschaltpfad
- LS
- Limp-Home-Signal
- R
- Widerstand
- RP
- Rückführpfad
- SAG
- Ausgangssignal
- SAus
- Ausschaltsignal
- SEin
- Einschaltsignal
- SL
- Logiksignal
- UBatt
- Spannungsquelle
- V
- Last
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224433 A1 [0002]
