DE102017219896A1

DE102017219896A1 - Überstromschutzvorrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs, Hochvoltbordnetz sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017219896A1
Application number: DE102017219896.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sudan; Johannes Göpfert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzvorrichtung (4) für ein Hochvoltbordnetz (1) eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einer Schalteinrichtung (5) aufweisend zumindest einen Halbleiterschalter (6), welche dazu ausgelegt ist, zumindest eine Versorgungsleitung (3) des Hochvoltbordnetzes (1) zu unterbrechen, einer ersten Strommesseinrichtung (13), welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen ersten Wert eines Indikators für eine Stärke eines durch die Schalteinrichtung (5) fließenden Laststroms (I_L) zu erfassen, und einer Steuereinheit (11), welche dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal für die Schalteinrichtung (5) zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung (3) bereitzustellen, falls der zumindest eine erfasste erste Wert ein vorbestimmtes erstes Überstromkriterium erfüllt, wobei die Überstromschutzvorrichtung (4) zumindest eine zweite Strommesseinrichtung (14) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen zweiten Wert des Indikators für die Stärke des durch die Schalteinrichtung (5) fließenden Laststroms (I_L) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (11) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert anhand des zumindest einen zweiten Werts zu plausibilisieren. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzvorrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einer Schalteinrichtung aufweisend zumindest einen Halbleiterschalter, welche dazu ausgelegt ist, zumindest eine Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes zu unterbrechen, einer ersten Strommesseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen ersten Wert eines Indikators für eine Stärke eines durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms zu erfassen, und einer Steuereinheit, welche dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal für die Schalteinrichtung zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung bereitzustellen, falls der zumindest eine erfasste erste Wert ein vorbestimmtes erstes Auslösekriterium für einen ersten Überstrom erfüllt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Hochvoltkomponenten eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Elektromotoren, Klimaanlagen, etc., werden über elektrische Versorgungsleitungen mit einem Hochvoltspeicher des Hochvoltbordnetzes verbunden. Dieser Hochvoltspeicher stellt elektrische Energie zu Energieversorgung der Hochvoltkomponenten bereit. Bei einem Defekt oder Fehler einer Hochvoltkomponente kann es vorkommen, dass über die Versorgungsleitungen ein Überstrom, beispielsweise ein Kurzschlussstrom, fließt, durch welchen die Versorgungsleitungen der defekten Hochvoltkomponente des Hochvoltbordnetzes sowie die defekte Komponente selbst weiter geschädigt werden können. Auch kann der Überstrom zu einer Hitzeentwicklung im Hochvoltbordnetz führen, wodurch sich die Gefahr eines Brandes des Kraftfahrzeugs ergibt.
Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Sicherungen zu verwenden, welche bei Vorliegen des Überstroms auslösen und die Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher trennen können. Solche Sicherungen können beispielsweise Schmelzsicherungen sein, welche in der Versorgungsleitung zwischen dem Hochvoltspeicher und der Hochvoltkomponente oder in einem Hochvoltverteiler angeordnet sind. Auch können solche Sicherungen Schalteinrichtungen mit zumindest einem Halbleiterschalter sein, welche zum Unterbrechen der Versorgungsleitung und damit zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Hochvoltspeicher und der Hochvoltkomponente geöffnet werden können. Solche Halbleiterschalter ermöglichen ein präzises Auslösen bei Überlast bzw. Überstrom sowie im Kurzschlussfall. Außerdem können Halbleiterschalter, im Gegensatz zu Schmelzsicherungen, wieder rückgestellt werden. Zum Unterbrechen der Versorgungsleitung wird üblicherweise der Strom durch den Halbleiterschalter gemessen und der Halbleiterschalter zum Öffnen angesteuert, falls der gemessene Strom einem Überstrom entspricht. Dazu muss die Strommessung jedoch zuverlässig erfolgen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Überstromschutzvorrichtung mit zumindest einem Halbleiterschalter für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs besonders zuverlässig, effizient und sicher zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Überstromschutzvorrichtung, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Eine erfindungsgemäße Überstromschutzvorrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs weist zumindest eine Schalteinrichtung mit zumindest einem Halbleiterschalter, welche dazu ausgelegt ist, zumindest eine Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes zu unterbrechen, eine erste Strommesseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen ersten Wert eines Indikators für eine Stärke eines durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms zu erfassen, und eine Steuereinheit, welche dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal für die Schalteinrichtung zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung bereitzustellen, falls der zumindest eine erfasste erste Wert ein vorbestimmtes erstes Überstromkriterium erfüllt, auf. Darüber hinaus weist die Überstromschutzvorrichtung zumindest eine zweite Strommesseinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen zweiten Wert des Indikators für die Stärke des durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms zu erfassen, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert anhand des zumindest einen zweiten Werts zu plausibilisieren.
Das Hochvoltbordnetz kann eine Vielzahl von Hochvoltkomponenten, beispielsweise einen Elektromotor, eine Klimaanlage, etc., sowie einen Hochvoltspeicher zur Energieversorgung der Hochvoltkomponenten aufweisen. Dazu kann jede Hochvoltkomponente über eine erste elektrische Versorgungsleitung mit einem ersten Pol, beispielsweise einem Pluspol, des Hochvoltspeichers und über eine zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Pol, beispielsweise einem Minuspol, des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden sein. Die Hochvoltkomponenten können über Versorgungsleitungen ebenfalls miteinander verbunden sein. Die Schalteinrichtung („Solid State Circuit Breaker“), welche den zumindest einen Halbleiterschalter aufweist, kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, die Hochvoltkomponente allpolig oder einpolig zu trennen. Zum allpoligen Trennen ist zumindest ein Halbleiterschalter in jeder der Versorgungsleitungen angeordnet. Zum einpoligen Trennen ist zumindest ein Halbleiterschalter in einer der Versorgungsleitungen angeordnet. Auch kann die Schalteinrichtung dazu ausgelegt sein, die jeweilige Versorgungsleitung unidirektional oder bidirektional zu trennen. Beim bidirektionalen Unterbrechen kann die Schalteinrichtung einen Stromfluss in beide Richtungen, also von der Hochvoltkomponente weg und zur Hochvoltkomponente hin, unterbinden. Beim unidirektionalen Unterbrechen kann die Schalteinrichtung einen Stromfluss in nur eine Richtung unterbinden. Zum bidirektionalen Trennen kann die Schalteinrichtung zumindest zwei antiserielle Halbleiterschalter aufweisen.
Der zumindest eine Halbleiterschalter der Schalteinrichtung kann beispielsweise als ein IGBT („Insulated Gate Bipolar Transistor“- Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und/oder als ein Leistungs-MOSFET ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die zumindest eine Schalteinrichtung genau einen Halbleiterschalter auf. Dies bedeutet, dass die Schalteinrichtung insbesondere keine redundanten Halbleiterschalter aufweist. Die Schalteinrichtung ist somit besonders kostengünstig ausgebildet. Solche Halbleiterschalter umfassen üblicherweise einen Steueranschluss, welchem ein Steuersignal in Form von einer Steuerspannung zum Öffnen und/oder Schließen des Halbleiterschalters bereitgestellt werden kann. Im Falle eines IGBTs oder eines Leistungs-MOSFETs wird der Steueranschluss durch eine Gate-Elektrode gebildet. Im geschlossenen Zustand des zumindest einen Halbleiterschalters der Schalteinrichtung ist die Versorgungsleitung verbunden, wodurch beispielsweise die Hochvoltkomponente elektrisch mit dem Hochvoltspeicher verbunden ist. Im geöffneten Zustand des zumindest einen Halbleiterschalters der Schalteinrichtung ist die Versorgungsleitung unterbrochen, wodurch beispielsweise die Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher getrennt wird. Zum Öffnen und/oder Schließen des zumindest einen Halbleiterschalters ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, dem Steueranschluss ein entsprechendes Steuersignal zuzuführen. Die Steuereinheit kann beispielsweise in eine Steuereinrichtung bzw. ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein. Die Steuereinheit kann aber auch eigenständig sein und beispielsweise über einen Bus mit dem Steuergerät des Kraftfahrzeugs kommunizieren.
Die Versorgungsleitung einer Hochvoltkomponente soll nun bei einem Defekt der Hochvoltkomponente unterbrochen werden, beispielsweise um die defekte Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher zu trennen. Der Defekt kann dabei anhand zumindest eines Wertes des Indikators für die Stärke des Laststroms erkannt werden. Der Indikator, durch welchen die Stärke des durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms charakterisiert wird, kann beispielsweise die Stromstärke selbst und/oder ein zeitliches Integral der Stromstärke und/oder ein zeitlicher Verlauf der Stromstärke und/oder dergleichen sein. Zum Messen des Indikators der Stromstärke des Laststroms weist die Überstromschutzvorrichtung die erste Strommesseinrichtung auf. Die erste Strommesseinrichtung erfasst den zumindest einen ersten Wert des Indikators, beispielsweise zumindest einen ersten Wert der Stromstärke des Laststroms. Dieser zumindest eine erste Wert des Indikators wird der Steuereinheit von der ersten Strommesseinrichtung bereitgestellt. Die Steuereinheit überprüft, ob der zumindest eine erste Wert das erste Überstromkriterium erfüllt. Wenn der zumindest eine erste Wert das erste Überstromkriterium erfüllt, so bedeutet dies, dass durch die Schalteinrichtung ein erster Überstrom fließt. Dazu kann die Steuereinheit beispielsweise den zumindest einen ersten Wert der Stromstärke mit einem ersten Überstromschwellwert vergleichen. Wenn der zumindest eine erste Wert das erste Überstromkriterium erfüllt, also beispielsweise der zumindest eine erste Wert der Stromstärke den ersten Überstromschwellwert überschreitet, so ist dies ein Indiz für den Defekt der Hochvoltkomponente. Daraufhin führt die Steuereinheit der Schalteinrichtung das Steuersignal zum Öffnen der Schalteinrichtung und damit zum Unterbrechen der Versorgungsleitung zu. Wenn der zumindest eine erste Wert das erste Überstromkriterium nicht erfüllt, also beispielsweise der zumindest eine erste Wert der Stromstärke den ersten Überstromschwellwert nicht überschreitet, so wird die Schalteinrichtung geschlossen gehalten.
Um nun den zumindest einen ersten Wert des Indikators zu überprüfen bzw. zu plausibilisieren, weist die Überstromschutzvorrichtung die zweite Strommesseinrichtung auf. Die zweite Strommesseinrichtung ist dazu ausgelegt, den zumindest einen zweiten Wert des Indikators, beispielsweise zumindest einen zweiten Wert der Stromstärke des Laststroms, zu erfassen. Dieser zumindest eine zweite Wert des Indikators wird der Steuereinheit ebenfalls bereitgestellt. Die Steuereinheit kann den zumindest einen ersten Wert des Indikators mit dem zumindest einen zweiten Wert des Indikators vergleichen.
Wenn die Werte des Indikators plausibel sind bzw. korrelieren, so kann davon ausgegangen werden, dass die Strommesseinrichtungen und die Schalteinrichtung funktionstüchtig sind. Wenn die Werte des Laststroms nicht plausibel sind bzw. nicht korrelieren, so kann davon ausgegangen werden, dass zumindest eine der beiden Strommesseinrichtungen und/oder die Schalteinrichtung funktionsuntüchtig sind.
Insbesondere ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, den zumindest einen ersten Wert als unplausibel zu bewerten, falls der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Wert um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert und/oder Faktor voneinander abweichen. Wenn der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Wert höchstens um den vorbestimmten Grenzwert und/oder Faktor voneinander abweichen, so wird der zumindest eine erste Wert als plausibel bewertet. Beispielsweise kann der Grenzwert vorgegeben werden, welcher einem festen Abweichwert entspricht. Im Fall, dass als der Indikator die Stromstärke erfasst wird, ist der erste Wert der Stromstärke also plausibel, wenn er höchstens um den Abweichwert, beispielsweise 4 A, von dem zweiten Wert der Stromstärke abweicht. Der feste Abweichwert kann beispielsweise bei sehr kleinen Lastströmen vorgegeben werden. Auch kann vorgesehen sein, dass der Faktor vorgegeben wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass eine Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise 10%, nicht überschreiten darf, um den ersten Wert als plausibel zu bewerten. Der Faktor kann beispielsweise bei großen Lastströmen vorgegeben werden. Im Fall eines unplausiblen ersten Werts kann die Steuereinheit reagieren. Beispielweise kann die Steuereinheit als Reaktion eine Fehlermeldung ausgeben und/oder die Schalteinrichtung öffnen. Die Reaktion der Steuereinheit kann beliebig vorgegeben werden und beispielsweise kundenspezifisch angepasst werden.
Die Strommesseinrichtungen können den Laststrom während eines Betriebs der Schalteinrichtung im geschlossenen Zustand der Schalteinrichtung messen. Auch können die Strommesseinrichtungen vor dem Schließen der Schalteinrichtung, beispielsweise nach Starten des Kraftfahrzeugs, und/oder nach dem Öffnen der Schalteinrichtung zur Selbstüberprüfung bzw. Selbstdiagnose den Laststrom messen. Im geöffneten Zustand der Schalteinrichtung müssten der erste und der zweite Wert des Laststroms dem geöffneten Schaltzustand entsprechen und sollten beispielsweise 0 A betragen. Falls einer der beiden Werte von 0 A verschieden ist, so deutet dies auf eine Funktionsuntüchtigkeit und/oder auf eine Offsetverschiebung der betreffenden Strommesseinrichtungen hin. In Abhängigkeit von der Höhe der Abweichung der Werte des Laststroms von 0 A kann beispielsweise ein Warnsignal für den Fahrer des Kraftfahrzeugs ausgegeben werden, durch welches der Fahrer beispielsweise darauf hingewiesen wird, dass die Überstromschutzvorrichtung überprüft werden muss. Auch kann ein Offset-Abgleich zwischen den Strommesseinrichtungen durchgeführt werden.
Durch das doppelte Erfassen des Werts des Indikators, welcher die Stärke des durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms beschreibt bzw. charakterisiert, kann eine Redundanz bei der Strommessung erreicht werden. Somit kann eine Funktionstüchtigkeit der Überstromschutzvorrichtung besonders zuverlässig erfasst werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit im Falle eines als unplausibel bewerteten ersten Werts dazu ausgelegt ist, das Steuersignal zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung bereitzustellen. Es kann also unabhängig davon, ob einer der beiden Werte des Indikators das erste Überstromkriterium erfüllt, die Schalteinrichtung zum Unterbrechen der Versorgungsleitung dennoch geöffnet werden. Es wird also auch in diesem Fall des unplausiblen ersten Wertes für die Schalteinrichtung das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung und damit zum Trennen der Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher bereitgestellt. Die weiteren, funktionstüchtigen Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes können mit dem Hochvoltspeicher verbunden bleiben und somit mit elektrischer Energie versorgt werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die erste Strommesseinrichtung dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert basierend auf einem ersten Messprinzip zu erfassen, und die zumindest eine zweite Strommesseinrichtung dazu ausgelegt ist, den zumindest einen zweiten Wert basierend auf einem zu dem ersten Messprinzip unterschiedlichen zweiten Messprinzip zu erfassen. Die unterschiedlichen Messprinzipien werden durch unterschiedliche Strommesseinrichtungen bereitgestellt. Durch die unterschiedlichen Messprinzipien, also durch die zueinander unterschiedlichen Strommesseinrichtungen, kann eine diversitäre Redundanz beim Messen des Laststroms bzw. bei der Strommessung erreicht werden. Durch die diversitäre Redundanz kann vermieden werden, dass ein Defekt der Hochvoltkomponente wegen systematischer Fehler in der Strommessung nicht erkannt werden kann und damit möglicherweise weitere Hochvoltkomponenten, Versorgungsleitungen, der Hochvoltspeicher, etc. geschädigt werden. Die Überstromschutzvorrichtung kann somit einen Defekt in einer Hochvoltkomponente besonders sicher und zuverlässig erkennen und beispielsweise die defekte Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher, den Versorgungsleitungen des Hochvoltbordnetzes, etc. abtrennen. Durch das Abtrennen der defekten Hochvoltkomponente kann somit ein Ausfall des gesamten Hochvoltbordnetzes verhindert werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zumindest eine der Strommesseinrichtungen dazu ausgelegt ist, das Steuersignal für die Schalteinrichtung selbst zu generieren, falls der zumindest eine, von der zumindest einen Strommesseinrichtung erfasste Wert des Indikators ein zweites Überstromkriterium erfüllt. Wenn zumindest einer der Werte das zweite Überstromkriterium erfüllt, so bedeutet dies, dass durch die Schalteinrichtung ein im Vergleich zum ersten Überstrom größerer zweiter Überstrom, beispielsweise ein Kurzschlussstrom, fließt. Dieses zweite Überstromkriterium ist beispielsweise erfüllt, wenn der erste und/oder der zweite Wert der Stromstärke des Laststroms einen im Vergleich zum ersten Überstromschwellwert größeren zweiten Überstromschwellwert überschreiten. Der zweite Überstromschwellwert entspricht insbesondere der Stromstärke eines Kurzschlussstroms bei einem Defekt in Form von einem Kurzschluss in der Hochvoltkomponente. Im Falle dieses Kurzschlussstroms wird die Schalteinrichtung direkt von zumindest einer der Strommesseinrichtungen angesteuert, um die Versorgungsleitung zu trennen. Dies bedeutet, dass die Schalteinrichtung im Falle des Kurzschlussstroms nicht von der Steuereinheit, sondern von der zumindest einen Strommesseinrichtung geöffnet wird. Die Schalteinrichtung wird also nicht softwareseitig durch die Steuereinheit, sondern hardwareseitig durch die zumindest eine Strommesseinrichtung geöffnet. Zum direkten Öffnen der Schalteinrichtung kann beispielsweise ein Teilsignal des der Steuereinheit bereitzustellenden Strommesssignals abgezweigt werden, und dem Steueranschluss des zumindest einen Halbleiterschalters der Schalteinrichtung zugeführt werden. Durch das direkte Ansteuern der Schalteinrichtung kann verhindert werden, dass durch den Umweg über die Steuereinheit das Unterbrechen der Versorgungsleitung verzögert wird und der in dem Hochvoltbordnetz fließende Kurzschlussstrom das Hochvoltbordnetz, beispielsweise andere Hochvoltkomponenten, Versorgungsleitungen, den Hochvoltspeicher oder einen Verteiler, beschädigt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, das erste Überstromkriterium in Abhängigkeit von einem aktuellen Lastbereich einer an die Versorgungsleitung angeschlossenen Hochvoltkomponente des Hochvoltbordnetzes zu bestimmen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der aktuell für die Hochvoltkomponente bereitzustellende Laststrom und damit auch der für die Hochvoltkomponente kritische Laststrom bzw. Überstrom abhängig ist von dem aktuellen Lastbereich der Hochvoltkomponente. In einem ersten Lastbereich, beispielsweise bei einer ersten Stufe der als Klimaanlage ausgebildeten Hochvoltkomponente, wird der Hochvoltkomponente beispielsweise ein erster Laststrom bereitgestellt. In einem zweiten Lastbereich der Hochvoltkomponente, beispielsweise bei einer zweiten Stufe der Klimaanlage, wird der Hochvoltkomponente ein im Vergleich zum ersten Laststrom größerer zweiter Laststrom bereitgestellt. Dabei kann es beispielsweise sein, dass der zweite Laststrom im ersten Lastbereich der Hochvoltkomponente für die Hochvoltkomponente kritisch und daher einen Überstrom darstellt ist, während hingegen dieser zweite Laststrom im zweiten Lastbereich der Hochvoltkomponente unkritisch oder sogar gefordert ist. Um Überströme auch bei unterschiedlichen Lastbereichen der Hochvoltkomponente zuverlässig erfassen zu können, ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, den aktuellen Lastbereich der Hochvoltkomponente zu erkennen und das erste Überstromkriterium an diesen aktuellen Lastbereich der Hochvoltkomponente anzupassen. Die Erkennung des aktuellen Lastbereiches der Hochvoltkomponente wird der Steuereinheit insbesondere über einen Kommunikationskanal, beispielsweise einen Bus, von der Hochvoltkomponente mitgeteilt. Zum Anpassen des ersten Überstromkriteriums kann die Steuereinheit beispielsweise den ersten Überstromschwellwert in Abhängigkeit von dem aktuellen Lastbereich vorgeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen zur Erfassung des zumindest einen jeweiligen Werts des Indikators zumindest einen seriell zu der zumindest einen Schalteinrichtung geschalteten Messwiderstand und/oder zumindest einen Stromsensor, insbesondere einen Hall-Sensor, auf. Die jeweilige andere Strommesseinrichtung weist dabei insbesondere keinen Messwiderstand und/oder einen Stromsensor auf, sondern misst den Laststrom mittels eines anderen Messprinzips. Beispielsweise kann die erste Strommesseinrichtung, welche zum Erfassen des ersten Werts des Indikators ausgelegt ist, den Messwiderstand und/oder den Stromsensor aufweisen. Der Messwiderstand ist insbesondere ein niederohmiger elektrischer Widerstand, ein so genannter Shunt-Widerstand, welcher in der Versorgungsleitung in Reihe mit der Schalteinrichtung geschaltet ist. Der durch die Schalteinrichtung fließende Laststrom fließt somit ebenfalls durch den Messwiderstand. Anhand einer an dem Messwiderstand abfallenden Messspannung kann durch eine Auswerteeinheit der ersten Strommesseinrichtung unter Zuhilfenahme des bekannten Widerstandswerts und des ohmschen Gesetzes der jeweilige Wert des Laststroms bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit der ersten Strommesseinrichtung kann beispielsweise gemeinsam mit der Steuereinheit in die Steuereinrichtung des Hochvoltbordnetzes integriert sein. Der Messwiderstand kann beispielsweise über einen Signalwandler mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Wert des Laststroms berührungslos mittels des Stromsensors erfasst werden. Solche Stromsensoren können den Laststrom beispielsweise anhand der durch den Laststrom ausgelösten magnetischen Flussdichte messen. Eine mit einem Messwiderstand und/oder einem Stromsensor ausgestattete Strommesseinrichtung ist besonders einfach und kostengünstig gestaltet. Die gemessenen Werte des Laststroms können als die Werte des Indikators verwendet werden und/oder es können aus den gemessenen Werten des Laststroms weitere Werte, beispielsweise ein zeitliches Integral, als die Werte des Indikators abgeleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zumindest eine Halbleiterschalter einen integrierten Stromspiegel auf, welcher dazu ausgelegt ist, einen Teilstrom des durch den zumindest einen Halbleiterschalter fließenden Laststroms abzuzweigen, wobei zumindest eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen dazu ausgelegt ist, den zumindest einen jeweiligen Wert des Indikators anhand des Teilstroms zu erfassen. Im Falle einer Schalteinrichtung, welche mehrere Halbleiterschalter aufweist, kann dabei jeder Halbleiterschalter oder nur ein Teil der Halbleiterschalter den Stromspiegel aufweisen. Insbesondere ist die erste Strommesseinrichtung dazu ausgelegt, den Wert des Indikators anhand des Teilstroms des Stromspiegels zu erfassen, und weist in diesem Falle insbesondere keinen Messwiderstand und keinen Stromsensor auf. Falls der zumindest eine Halbleiterschalter den Stromspiegel aufweist, können durch diesen Stromspiegel insbesondere der Messwiderstand und der Stromsensor ersetzt werden. Dabei stehen der abgezweigte Teilstrom und der Laststrom in einem vorbestimmten, festen Verhältnis, sodass durch die Bestimmung der Stärke des Teilstroms auch die Stärke des Laststroms bestimmt ist. Eine so ausgebildete Strommesseinrichtung weist eine besonders hohe Effizienz mit geringer Verlustleistung auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen dazu ausgelegt, einen Spannungsabfall über dem zumindest einen Halbleiterschalter sowie eine Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters zu erfassen, in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur zumindest eine Kenngröße des zumindest einen Halbleiterschalters, insbesondere einen Durchlasswiderstand des zumindest einen Halbleiterschalters, zu bestimmen und anhand der Kenngröße sowie anhand des erfassten Spannungsabfalls den zumindest einen jeweiligen Wert des Indikators zu bestimmen. Beispielsweise kann der Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter sowie die Temperatur des Halbleiterschalters mittels der zweiten Strommesseinrichtung gemessen werden. Die erste Strommesseinrichtung weist dann beispielsweise den Messwiderstand und/oder den Stromsensor auf oder kann den Laststrom mittels des Stromspiegels messen.
Der Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter entspricht einer Ausgangsspannung des Halbleiterschalters zwischen zwei zu dem Steueranschluss unterschiedlichen Anschlüssen des Halbleiterschalters. Im Falle eines IGBTs entspricht die Ausgangsspannung einer Kollektor-Emitter-Spannung zwischen einem Kollektor-Anschluss und einem Emitter-Anschluss. Im Falle eines Leistungs-MOSFETs entspricht die Ausgangsspannung einer Drain-Source-Spannung zwischen einem Drain-Anschluss und einem Source-Anschluss. Die Kenngröße wird insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur, der Ausgangsspannung und der Steuerspannung am Steueranschluss des Halbleiterschalters bestimmt. Die Kenngröße kann beispielsweise mittels vorbestimmter Kennlinienfelder bestimmt werden, aus welchen basierend auf der gemessenen Temperatur, der gemessenen Ausgangsspannung sowie der aktuellen Steuerspannung die Kenngröße ausgelesen werden kann. Anhand der Kenngröße kann der Wert des durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms, beispielsweise von einer Auswerteeinheit der betreffenden Strommesseinrichtung, bestimmt werden. Die Auswerteeinheit der Strommesseinrichtung kann gemeinsam mit der Steuereinheit und der Auswerteeinheit der anderen Strommesseinrichtung in die Steuereinrichtung integriert sein.
Beispielsweise können für vorbestimmte Temperaturen jeweilige Kennlinienfelder vorgegeben werden, in welchen beispielsweise eine Abhängigkeit der Ausgangsspannung von dem Laststrom für jeweilige Steuerspannungswerte hinterlegt ist. In Abhängigkeit von der aktuellen, insbesondere zu dem betreffenden Modulationszeitpunkt gemessenen Temperatur kann dann das entsprechende Kennlinienfeld für diese Temperatur ausgewählt werden. Aus dem Kennlinienfeld kann dann diejenige Kennlinie ausgewählt werden, welche mit dem aktuellen Steuerspannungswert korrespondiert. Aus der ausgewählten Kennlinie kann derjenige Wert der Laststroms ausgewählt und als Wert des Indikators bestimmt werden, welcher mit der gemessenen Ausgangsspannung korrespondiert.
Im Falle eines Leistungs-MOSFETS kann beispielsweise ein Kennlinienfeld vorgegeben werden, bei welchem für mögliche Steuerspannungswerte Kennlinien vorgegeben sind, welche eine Abhängigkeit des Durchlasswiderstandes von der Temperatur beschreiben. Jede Kennlinie in dem Kennlinienfeld korrespondiert also mit einem vorgegebenen Steuerspannungswert und repräsentiert die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und dem Durchlasswiderstand. In Abhängigkeit von dem aktuellen Steuerspannungswert wird dann die entsprechende Kennlinie aus dem Kennlinienfeld ausgewählt. Dann wird der zu der gemessenen Temperatur korrespondierende Durchlasswiderstandswert aus der Kennlinie ausgewählt und als die Kenngröße vorgegeben. Anhand der gemessenen Ausgangsspannung und dem bestimmten Durchlasswiderstand kann aus dem ohmschen Gesetz der Wert des durch die Schalteinrichtung fließenden Laststroms, beispielsweise der zweite Wert des Laststroms, bestimmt werden. Dieser Wert des Laststroms kann dann als Wert des Indikators verwendet werden. Eine derart ausgebildete zweite Strommesseinrichtung, welche beispielsweise zur Plausibilisierung der ersten Strommesseinrichtung mit dem Shunt-Widerstand verwendet wird, ist besonders kostengünstig und effizient. Wäre die zweite Strommesseinrichtung nämlich ebenfalls mit einem Shunt-Widerstand ausgebildet, so würde sich der Shunt-Widerstand nachteilig auf die Kosten und dessen Verlustleistung nachteilig auf die Effizienz der Überstromschutzvorrichtung auswirken.
Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Strommesseinrichtung zur Erfassung der Temperatur einen Temperatursensor, insbesondere einen NTC-Widerstand, aufweist. Temperatursensoren liefern ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur. Dazu kann der Temperatursensor thermisch mit dem zumindest einen Halbleiterschalter gekoppelt werden. Mittels eines solchen Temperatursensors kann die Temperatur besonders einfach und genau erfasst werden.
Besonders bevorzugt weist die zumindest eine Strommesseinrichtung zur Erfassung der Temperatur zumindest eine Diode auf, wobei die Strommesseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine temperaturabhängige Diodenspannung der Diode zu erfassen und anhand der Diodenspannung die Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters zu bestimmen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Diodenspannung eine bekannte Temperaturabhängigkeit aufweist. Der zumindest einen Diode wird zunächst ein Diodenstrom mit bekannter, vorbestimmter Stromstärke eingeprägt. Die Stromstärke liegt insbesondere im Mikroamperebereich. Zum Einprägen des Diodenstroms weist die betreffende Strommesseinrichtung beispielsweise eine mit einer Anode der Diode elektrisch verbundene Konstantstromquelle auf. Eine Kathode der Diode kann beispielsweise mit einem Masseanschluss oder mit einem Anschluss des zumindest einen Halbleiterschalters, insbesondere einem Source-Anschluss oder einem Emitter-Anschluss, elektrisch verbunden sein, sodass die Diodenspannung der beispielsweise über einen Spannungsabgriff mit der Auswerteeinheit der Steuereinrichtung gekoppelten Diode insbesondere direkt erfasst werden kann. In Abhängigkeit von dem eingeprägten Diodenstrom sowie der Diodenspannung kann dann von der Auswerteeinheit die Temperatur des zumindest Halbleiterschalters besonders einfach und zuverlässig bestimmt werden.
Insbesondere ist die zumindest eine Diode thermisch mit dem zumindest einen Halbleiterschalter gekoppelt. Dazu können die zumindest eine Diode und der Halbleiterschalter in geringem Abstand (unter Einhaltung eines Mindestabstandes aufgrund der am Halbleiterschalter anliegenden Spannung) zueinander auf einem gemeinsamen Träger angeordnet werden. Der Abstand ist dabei so gewählt, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur der zumindest einen Diode der Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters entspricht. Auch kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Diode und der zumindest eine Halbleiterschalter mittels eines thermischen Koppelelementes miteinander gekoppelt sind. Das thermische Koppelelement weist insbesondere ein thermisch gut leitfähiges Materials auf und kann beispielsweise als eine Vergussmasse, eine Kupferplatte, eine Wärmeleitpaste oder dergleichen ausgebildet sein. Durch die thermische Kopplung zwischen der zumindest einen Diode und dem zumindest einen Halbleiterschalter ist der Messfehler beim Erfassen der Temperatur des Halbleiterschalters anhand der Diodenspannung der Diode besonders gering.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine erste Diode mit einem ersten Anschluss des zumindest einen Halbleiterschalters und eine zweite Diode mit einem zweiten Anschluss des zumindest einen Halbleiterschalters elektrisch verbunden ist. Die zumindest eine Strommesseinrichtung ist dazu ausgelegt, an einem ersten Spannungsabgriff eine Summe aus der Diodenspannung der ersten Diode und dem Spannungsabfall über den Anschlüssen des zumindest einen Halbleiterschalters zu erfassen und an einem zweiten Spannungsabgriff die Diodenspannung der zweiten Diode zu erfassen. Außerdem ist die Strommesseinrichtung dazu ausgelegt, anhand der Diodenspannung am zweiten Spannungsabgriff die Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters zu bestimmen und die zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsabgriff anliegende Spannung als den Spannungsabfall über dem zumindest einen Halbleiterschalter zu erfassen. Gemäß dieser Ausführungsform weist die Strommesseinrichtung, beispielsweise die zweite Strommesseinrichtung, zwei Dioden auf, welche insbesondere gleich dimensioniert sind. Insbesondere sind beide Dioden thermisch mit dem zumindest einen Halbleiterschalter gekoppelt, sodass beide Dioden sowie der zumindest eine Halbleiterschalter in etwa die gleiche Temperatur aufweisen. Darüber hinaus wird in die Dioden jeweils ein konstanter Diodenstrom bzw. Konstantstrom eingeprägt, wobei Stromstärken der Diodenströme insbesondere gleich sind. Somit fällt an beiden Dioden insbesondere die gleiche Diodenspannung ab.
Die Kathode der ersten Diode ist insbesondere mit dem ersten Anschluss, also beispielsweise dem Drain-Anschluss oder Kollektor-Anschluss, verbunden. Die Anode, über welche der ersten Diode der Diodenstrom eingeprägt wird, ist mit dem ersten Spannungsabgriff verbunden. Der erste Spannungsabgriff ist insbesondere mit einem ersten Eingang der Auswerteeinheit der Strommesseinrichtung verbunden. An diesem ersten Eingang kann insbesondere die Summe aus der Diodenspannung und der Ausgangsspannung zwischen den zwei Anschlüssen des Halbleiterschalters, also die Kollektor-Emitter-Spannung oder die Drain-Source-Spannung, gemessen werden. Durch die in Sperrrichtung zwischen dem ersten Anschluss des Halbleiterschalters und dem ersten Eingang der Auswerteeinheit angeordnete erste Diode kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass im ausgeschalteten Zustand des zumindest einen Halbleiterschalters die von dem Hochvoltspeicher bereitgestellte Hochvoltspannung der Auswerteeinheit zugeführt wird.
Die Kathode der zweiten Diode ist mit dem zweiten Anschluss, also beispielsweise dem Source-Anschluss oder Emitter-Anschluss, elektrisch verbunden. Die Anode, über welche der zweiten Diode der Diodenstrom eingeprägt ist, ist mit dem zweiten Spannungsabgriff verbunden. Der zweite Spannungsabgriff ist insbesondere mit einem zweiten Eingang der Auswerteeinheit der Strommesseinrichtung verbunden. An diesem zweiten Eingang kann die Diodenspannung gemessen werden. Aus dieser Diodenspannung am zweiten Spannungsabgriff kann dann von der Auswerteeinheit die Temperatur der zweiten Diode sowie des Halbleiterschalters bestimmt werden. Zwischen den zwei Eingängen bzw. zwischen den zwei Spannungsabgriffen kann direkt die Ausgangsspannung des Halbleiterschalters abgegriffen und somit der Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter gemessen werden, da die an beiden Spannungsabgriffen messbare Diodenspannung kompensiert wird. Eine solche Messung des Spannungsabfalls über dem Halbleiterschalter sowie der Temperatur kann mit besonders wenigen Bauelementen realisiert werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Überstromschutzvorrichtung zumindest eine Temperatursicherung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, die zumindest eine Versorgungsleitung zu trennen, falls eine Temperatur der Schalteinrichtung einen vorbestimmten Temperaturschwellwert überschreitet, und/oder zumindest eine Überspannungssicherung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, im Falle einer beim Öffnen der Schalteinrichtung an der Schalteinrichtung anliegenden Überspannung den Laststrom an der Schalteinrichtung vorbeizuführen. Die Überspannungssicherung kann beispielsweise parallel zu der Schalteinrichtung geschaltet sein und den Laststrom zum Energieabbau nach Öffnen der Schalteinrichtung an der Schalteinrichtung vorbeiführen. Bei Öffnen der Schalteinrichtung steigt nämlich die Spannung an der Schalteinrichtung, wodurch die Überspannungssicherung aktiviert wird und den Laststrom an der Schalteinrichtung vorbeiführt. Die Überspannungssicherung kann beispielsweise einen Varistor und/oder eine Suppressordiode aufweisen. Die Thermosicherung kann beispielsweise seriell zu der Schalteinrichtung geschaltet sein und ein ab dem Temperaturschwellwert schmelzendes Metall oder einen Bimetallschalter aufweisen. Die Thermosicherung kann den Stromkreis bzw. die Versorgungsleitung also bei der Übertemperatur trennen, welche durch die auf den Wert des Indikators reagierenden Strommesseinrichtungen nicht erfasst werden kann.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit anhand eines zeitlichen Verlaufs des zumindest einen ersten Werts des Indikators und/oder des zumindest einen zweiten Werts des Indikators dazu ausgelegt ist, einen seriellen Lichtbogen in dem Hochvoltbordnetz zu erkennen. Dazu können die mittels zumindest einer der Strommesseinrichtung abgetasteten Werte der Stromstärke im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich analysiert werden. In dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und/oder in dem frequenzabhängigen Verlauf der Stromstärke bzw. Stromstärkespektrum können die für einen seriellen Lichtbogen charakteristischen Merkmale erkannt werden. Nach Erkennung des seriellen Lichtbogens kann von der Steuereinheit beispielsweise die Schalteinrichtung geöffnet und/oder eine Fehlermeldung ausgegeben werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Hochvoltkomponente, einen über zumindest eine Versorgungsleitung mit der Hochvoltkomponente elektrisch verbundenen Hochvoltspeicher und eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung oder eine vorteilhafte Ausführungsform davon. Jede Hochvoltkomponente kann dabei über eine erste Versorgungsleitung mit einem ersten Pol, beispielsweise dem Pluspol, des Hochvoltbordnetzes und über eine zweite Versorgungsleitung mit einem zweiten Pol, beispielsweise dem Minuspol, des Hochvoltbordnetzes verbunden sein. Die zumindest eine Hochvoltkomponente kann beispielsweise eine Klimaanlage oder ein Elektromotor sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Überstromschutzvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvoltbordnetzes.
Die Fig. zeigt ein Hochvoltbordnetz 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Hochvoltbordnetz 1 ist insbesondere in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet und kann eine Vielzahl von Hochvoltkomponenten 2 umfassen, von welchen hier eine Hochvoltkomponente 2 gezeigt ist. Die Hochvoltkomponente 2 kann beispielsweise eine Klimaanlage oder ein Elektromotor des Kraftfahrzeugs sein. Die hier gezeigte Hochvoltkomponente 2 wird von einem hier nicht gezeigten Hochvoltspeicher des Hochvoltbordnetzes 1 mit elektrischer Energie versorgt. Der Hochvoltspeicher weist dabei einen ersten Pol HV+ und einem zweiten Pol HV- auf. Die Hochvoltkomponente 2 ist über jeweilige Versorgungsleitungen 3 mit den Polen HV+ und HV- des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden.
Zum Schützen des Hochvoltbordnetzes 1 bei einem Defekt der Hochvoltkomponente 2 weist das Hochvoltbordnetz 1 eine Überstromschutzvorrichtung 4 auf. Die Überstromschutzvorrichtung 4 umfasst zumindest eine Schalteinrichtung 5, welche in der Versorgungsleitung 3 zwischen der Hochvoltkomponente 2 und dem Hochvoltspeicher angeordnet ist. Die Schalteinrichtung 5 weist zumindest einen Halbleiterschalter 6 auf und ist dazu ausgelegt, die Versorgungsleitung 3 zu unterbrechen und damit die Hochvoltkomponente 2 von dem Hochvoltspeicher zu trennen. Die Schalteinrichtung 5 kann dazu ausgelegt sein, die Hochvoltkomponente 2 allpolig oder einpolig zu trennen. Auch kann die Schalteinrichtung 5 dazu ausgelegt sein, die Hochvoltkomponente 2 bidirektional oder unidirektional zu trennen. Im vorliegenden Fall weist die Schalteinrichtung 5 einen Halbleiterschalter 6 zwischen der Hochvoltkomponente 2 und dem zweiten Pol HV- auf. Der Halbleiterschalter 6 kann die Hochvoltkomponente 2 somit einpolig und unidirektional von dem Hochvoltspeicher trennen. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiterer Halbleiterschalter 6 zwischen der Hochvoltkomponente 2 und dem ersten Pol HV+ angeordnet sein.
Der Halbleiterschalter 6 umfasst einen Steueranschluss 7, einen ersten Anschluss 8, welcher hier mit der Hochvoltkomponente 2 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 9, welcher hier mit dem zweiten Pol HV- des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden ist. Der Halbleiterschalter 6 ist im vorliegenden Fall als ein Leistungs-MOSFET mit einem Steueranschluss 7 in Form von einem Gate-Anschluss G, einem ersten Anschluss 8 in Form von einem Drain-Anschluss D und einem zweiten Anschuss 9 in Form von einem Source-Anschluss S ausgebildet. Zwischen dem Source-Anschluss S und dem Drain-Anschluss D befindet sich außerdem eine im Leistungs-MOSFET enthaltene Rückwärtsdiode 29 bzw. Bodydiode. Diese Rückwärtsdiode 29 ist in Sperrrichtung gepolt. Über den Steueranschluss 7 kann dem Halbleiterschalter 6 ein Steuersignal zum Öffnen und/oder Schließen des Halbleiterschalters 6 zugeführt werden. Im geöffneten Zustand des Halbleiterschalters 6 ist die Versorgungsleitung 3 unterbrochen, im geschlossenen Zustand des Halbleiterschalters 6 ist die Versorgungsleitung 3 verbunden. Das Steuersignal für den Steueranschluss 7 kann dem Halbleiterschalter 6 über einen Gate-Treiber 10 von einer Steuereinheit 11 der Überstromschutzvorrichtung 4 bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 11 ist beispielsweise in eine Steuereinrichtung 12 bzw. ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert. Das Steuersignal zum Öffnen des Halbleiterschalters 6 wird dann bereitgestellt, wenn ein durch die Schalteinrichtung 5 fließender Laststrom L einem Überstrom entspricht. Zum Erkennen des Überstroms wird zumindest ein Wert eines Indikators für eine Stärke des durch die Schalteinrichtung 5 fließenden Laststroms L bestimmt. Der Indikator kann beispielsweise die Stromstärke des Laststroms L und/oder eine daraus abgeleitete Größe, beispielsweise ein zeitliches Integral, sein. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als der Indikator die Stromstärke bestimmt, also der Laststrom I_L gemessen.
Zum Messen des Laststroms L weist die Überstromschutzvorrichtung 4 eine erste Strommesseinrichtung 13 und eine zweite Strommesseinrichtung 14 auf. Die Strommesseinrichtungen 13, 14 messen den Laststrom L hier basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien. Es kann aber auch sein, dass die Strommesseinrichtungen 13, 14 den Laststrom I_L basierend auf demselben Messprinzip messen. Dabei wird überprüft, ob ein von der ersten Strommesseinrichtung 13 erfasster erster Wert des Laststroms I_L ein erstes Überstromkriterium erfüllt. Beispielsweise wird der erste Wert des Laststroms I_L mit einem vorbestimmten ersten Überstromschwellwert verglichen. Wenn der erste Wert des Laststroms I_L den ersten Überstromschwellwert überschreitet und damit das erste Überstromkriterium erfüllt, so stellt die Steuereinheit 11 der Schalteinrichtung 5 das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 bereit. Der Gate-Treiber 10 steuert hier also den Gate-Anschluss G zum Öffnen des Halbleiterschalters 6 an. Außerdem wird ein von der zweiten Strommesseinrichtung 14 erfasster zweiter Wert des Laststroms I_L mit dem ersten Wert des Laststroms I_L verglichen. Die zweite Strommesseinrichtung 14 dient zum Überprüfen bzw. Plausibilisieren der ersten Strommesseinrichtung 13. Wenn der erste und der zweite Wert des Laststroms I_L beispielsweise um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert und/oder Faktor voneinander abweichen, wird der erste Wert als unplausibel bewertet. In diesem Fall reagiert die Steuereinheit 11. Beispielsweise kann die Steuereinheit 11 als Reaktion auf den unplausiblen ersten Wert das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 bereitstellen. Das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 kann also beispielsweise immer dann bereitgestellt werden, wenn ein Überstrom durch die Schalteinrichtung 5 fließt und/oder die Strommessungen unplausibel sind.
Im vorliegenden Fall weist die erste Strommesseinrichtung 13 einen Messwiderstand 15 bzw. Shunt-Widerstand auf. Der Messwiderstand 15 ist in Reihe mit der Schalteinrichtung 5 geschaltet, sodass der durch die Schalteinrichtung 5 fließende Laststrom I_L auch durch den Messwiderstand 15 fließt. An dem Messwiderstand 15 fällt eine zu dem Laststrom I_L proportionale Messspannung U_M ab. Die Messspannung U_M über dem Messwiderstand 15 wird hier mittels eines Signalwandlers 16 in ein zu der Messspannung U_M korrespondierendes Messsignal 17 umgewandelt und einer ersten Auswerteeinheit 18 der ersten Strommesseinrichtung 13 zugeführt. Die erste Auswerteeinheit 18 kann ebenfalls in die Steuereinrichtung 12 des Hochvoltbordnetzes 1 integriert sein. Die Auswerteeinheit 18 kann anhand des Messsignals 17 den ersten Wert des Laststroms I_L bestimmen und diesen ersten Wert und/oder einen daraus abgeleiteten Wert der Steuereinheit 11, beispielsweise für den Vergleich mit dem ersten Überstromschwellwert, zuführen.
Die zweite Strommesseinrichtung 14 ist hier dazu ausgelegt, den zweiten Wert des Laststroms I_L anhand eines Spannungsabfalls U_DS über dem Halbleiterschalter 6 sowie anhand eines Innenwiderstands des Halbleiterschalters 6 zu erfassen. Da der Innenwiderstand des Halbleiterschalters 6 abhängig von einer Temperatur des Halbleiterschalters 6 ist, ist die zweite Strommesseinrichtung 14 außerdem dazu ausgelegt, die Temperatur des Halbleiterschalters 6 zu erfassen. Eine zweite Auswerteeinheit 19 der zweiten Strommesseinrichtung 14 kann dann aus der Temperatur den Innenwiderstand bestimmen und aus dem Innenwiderstand sowie dem Spannungsabfall U_DS den zweiten Wert des Laststroms I_L bestimmen. Die zweite Auswerteeinheit 19 kann ebenfalls in die Steuereinrichtung 12 des Hochvoltbordnetzes 1 integriert sein.
Zur Temperaturerfassung sowie zur Erfassung des Spannungsabfalls U_DS über dem Halbleiterschalter 6 weist die zweite Strommesseinrichtung 14 im vorliegenden Fall zwei Dioden D1, D2 auf. Die Dioden D1, D2 sind insbesondere gleich dimensioniert. Dabei ist eine erste Kathode K1 der ersten Diode D1 mit dem ersten Anschluss 8 des Halbleiterschalters 6, hier dem Drain-Anschluss D, elektrisch verbunden. Eine erste Anode A1 der ersten Diode D1 ist über einen ersten Spannungsabgriff 20 mit einem ersten Messanschluss 21 der zweiten Auswerteeinheit 19 elektrisch verbunden. Eine zweite Kathode K2 der zweiten Diode D2 ist mit dem zweiten Anschluss 9 des Halbleiterschalters 6, hier dem Source-Anschluss S, elektrisch verbunden. Eine zweite Anode A2 der zweiten Diode D2 ist über einen zweiten Spannungsabgriff 22 mit einem zweiten Messanschluss 23 der zweiten Auswerteeinheit 19 elektrisch verbunden.
Außerdem wird den Dioden D1, D2 über den jeweiligen Anodenanschluss A1, A2 jeweils ein konstanter, insbesondere gleich großer, Strom I_f eingeprägt. Dazu weist die Überstromschutzvorrichtung 4 hier zwei, insbesondere gleich dimensionierte Stromquellen 24, 25 auf, welche an eine Versorgungsspannung V_cc angeschlossen sind. Eine erste Stromquelle 24 ist hier mit der ersten Diode D1 elektrisch verbunden und eine zweite Stromquelle 25 ist hier mit der zweiten Diode D2 elektrisch verbunden. Aufgrund des eingeprägten Stroms I_f fällt an den Dioden D1, D2 jeweils eine, im vorliegenden Fall gleich große, Diodenspannung U_f ab. Die Diodenspannung U_f ist außerdem abhängig von der Temperatur der Dioden D1, D2. Die Dioden D1, D2 sind thermisch mit dem Halbleiterschalter 6 gekoppelt, sodass die Temperatur der Dioden D1, D2 der Temperatur des Halbleiterschalters 6 entspricht. Zur thermischen Kopplung 30 können die Dioden D1, D2 in geringem Abstand zu dem Halbleiterschalter 6 platziert werden. Zusätzlich können die Dioden D1, D2 über ein gut wärmeleitfähiges Material, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, mit dem Halbleiterschalter 6 thermisch gekoppelt werden.
Die Diodenspannung U_f der zweiten Diode D2 kann über den zweiten Spannungsabgriff 22 an dem zweiten Messanschluss 23 erfasst werden. Aus der Diodenspannung U_f sowie aus dem eingeprägten Strom I_f kann dann die Temperatur des Halbleiterschalters 6 bestimmt werden, anhand derer wiederum der Innenwiderstand des Halbleiterschalters 6 bestimmt wird. An dem ersten Messanschluss 21 liegt die Summe aus der Diodenspannung U_f der ersten Diode D1 und dem Spannungsabfall U_DS über dem Halbleiterschalter 6 an. Im vorliegenden Fall sind die Diodenspannungen U_f der ersten Diode D1 und der zweiten Diode D2 gleich, sodass zwischen den Messanschlüssen 21, 23, also aus der Differenz der an den Messanschlüssen 21, 23 anliegenden Potentiale, der Spannungsabfall U_DS über dem Halbleiterschalter 6 erfasst werden kann. Aus dem Spannungsabfall U_DS über dem Halbleiterschalter 6 sowie dem Innenwiderstand des Halbleiterschalters 6 kann dann der zweite Wert des Laststroms I_L bestimmt werden und der Steuereinheit 11 für den Vergleich mit dem ersten Wert des Laststroms I_L bereitgestellt werden. Der Spannungsabfall U_DS kann auch zur Selbstdiagnose der zweiten Strommesseinrichtung 14 verwendet werden. Im geöffneten Zustand des Halbleiterschalters 6 müsste der Spannungsabfall U_DS maximal sein. Falls der Spannungsabfall U_DS nicht maximal ist, so kann dies auf einen Defekt der Strommesseinrichtung 14 und/oder der Schalteinrichtung 5 hindeuten.
Hier weist die Überstromschutzvorrichtung 4 außerdem einen Überspannungsschutz in Form von einem parallel zu der Schalteinrichtung 5 geschalteten Varistor 26 auf. Der Varistor 26 ist dazu ausgelegt, im Falle eines einen vorbestimmen Überspannungswert überschreitenden Spannungsabfalls U_DS über dem Halbleiterschalter 6 den Laststrom I_L zum Schutz der Schalteinrichtung 5 an der Schalteinrichtung 5 vorbeizuführen. Der Überspannungswert kann beispielsweise beim Öffnen der Schalteinrichtung 5 auftreten. Zusätzlich kann eine hier nicht gezeigte Temperatursicherung vorgesehen sein, welche in den Varistor 26 integriert sein kann und/oder seriell zu dem Halbleiterschalter 6 angeordnet sein kann. Die Temperatursicherung ist dazu ausgelegt, im Falle einer einen vorbestimmen Temperaturschwellwert überschreitenden Temperatur des Halbleiterschalters 6 und/oder des Varistors 26 die jeweilige Versorgungsleitung 3 zu unterbrechen.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der beiden Strommesseinrichtungen 13, 14 dazu ausgelegt ist, der Schalteinrichtung 5 das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 direkt bereitzustellen, falls der jeweilige Wert des Laststroms I_L ein vorbestimmtes zweites Überstromkriterium erfüllt. Ein solches zweites Überstromkriterium ist beispielsweise erfüllt, wenn der jeweilige Wert des Laststroms I_L einen vorbestimmten zweiten Überstromschwellwert überschreitet. Der zweite Überstromschwellwert ist größer als der erste Überstromschwellwert und entspricht einem Kurzschlussstrom der Hochvoltkomponente 2. Falls der erste Wert des Laststroms I_L dem Kurzschlussstrom entspricht, kann über einen ersten Signalpfad 27 der Gate-Treiber 10 des Halbleiterschalters 6 angesteuert werden. Falls der zweite Wert des Laststroms I_L dem Kurzschlussstrom entspricht, kann über einen zweiten Signalpfad 28 der Gate-Treiber 10 des Halbleiterschalters 6 angesteuert werden. Beispielsweise kann in dem ersten Signalpfad 27 ein Komparator bereitgestellt sein, an welchem eingangsseitig die Messspannung U_M anliegt und welcher die eingangsseitig anliegende Messspannung U_M mit einem mit dem zweiten Überstromschwellwert korrespondierenden Referenzwert vergleicht. Ausgangsseitig ist der Komparator mit dem Gate-Treiber 10 elektrisch verbunden. Falls die Messspannung U_M höher ist als der Referenzwert, so wird dem Steueranschluss 7 über den Gate-Treiber 10 das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 zugeführt.
Auch kann in dem zweiten Signalpfad 28 ein Komparator bereitgestellt sein, an welchem eingangsseitig die Ausgangsspannung U_DS anliegt und welcher die eingangsseitig anliegende Ausgangsspannung U_DS mit einem mit dem zweiten Überstromschwellwert korrespondierenden Referenzwert vergleicht. Ausgangsseitig ist der Komparator mit dem Gate-Treiber 10 elektrisch verbunden. Falls die Ausgangsspannung U_DS höher ist als der Referenzwert, so wird dem Steueranschluss 7 über den Gate-Treiber 10 das Steuersignal zum Unterbrechen der Versorgungsleitung 3 zugeführt. Die Auswertung des Laststroms I_L wird hier also nicht softwareseitig durch die Steuereinrichtung 12, sonders hardwareseitig durch die Strommesseinrichtungen 13, 14 selbst übernommen.
Bezugszeichenliste

1: Hochvoltbordnetz
2: Hochvoltkomponente
3: Versorgungsleitung
4: Überstromschutzvorrichtung
5: Schalteinrichtung
6: Halbleiterschalter
7: Steueranschluss
8: erste Anschluss
9: zweiter Anschluss
10: Gate-Treiber
11: Steuereinheit
12: Steuereinrichtung
13: erste Strommesseinrichtung
14: zweite Strommesseinrichtung
15: Messwiderstand
16: Signalwandler
17: Messsignal
18: erste Auswerteeinheit
19: zweite Auswerteeinheit
20: erster Spannungsabgriff
21: erster Messanschluss
22: zweiter Spannungsabgriff
23: zweiter Messanschluss
24: erste Stromquelle
25: zweite Stromquelle
26: Varistor
27: erster Signalpfad
28: zweiter Signalpfad
29: Rückwärtsdiode
30: thermische Kopplung
HV+: erster Pol
HV-: zweiter Pol
D: Drain-Anschluss
G: Gate-Anschluss
S: Source-Anschluss
D1: erste Diode
D2: zweite Diode
A1: erste Anode
A2: zweite Anode
K1: erste Kathode
K2: zweite Kathode
I_L: Laststrom
U_M: Messspannung
U_DS: Spannungsabfall
I_f: Diodenstrom
U_f: Diodenspannung
V_CC: Versorgungsspannung

Claims

Überstromschutzvorrichtung (4) für ein Hochvoltbordnetz (1) eines Kraftfahrzeugs mit - zumindest einer Schalteinrichtung (5) aufweisend zumindest einen Halbleiterschalter (6), welche dazu ausgelegt ist, zumindest eine Versorgungsleitung (3) des Hochvoltbordnetzes (1) zu unterbrechen, - einer ersten Strommesseinrichtung (13), welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen ersten Wert eines Indikators für eine Stärke eines durch die Schalteinrichtung (5) fließenden Laststroms (I_L) zu erfassen, und - einer Steuereinheit (11), welche dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal für die Schalteinrichtung (5) zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung (3) bereitzustellen, falls der zumindest eine erfasste erste Wert ein vorbestimmtes erstes Überstromkriterium erfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzvorrichtung (4) zumindest eine zweite Strommesseinrichtung (14) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen zweiten Wert des Indikators für die Stärke des durch die Schalteinrichtung (5) fließenden Laststroms (I_L) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (11) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert anhand des zumindest einen zweiten Werts zu plausibilisieren.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert als unplausibel zu bewerten, wenn der zumindest eine erste und der zumindest eine zweite Wert um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert und/oder Faktor voneinander abweichen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) im Falle eines als unplausibel bewerteten ersten Werts dazu ausgelegt ist, das Steuersignal zum Unterbrechen der zumindest einen Versorgungsleitung (3) bereitzustellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strommesseinrichtung (13) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen ersten Wert basierend auf einem ersten Messprinzip zu erfassen, und die zumindest eine zweite Strommesseinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen zweiten Wert basierend auf einem zu dem ersten Messprinzip unterschiedlichen zweiten Messprinzip zu erfassen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Strommesseinrichtungen (13, 14) dazu ausgelegt ist, das Steuersignal für die Schalteinrichtung (5) selbst zu generieren, falls der zumindest eine, von der zumindest einen Strommesseinrichtung (13, 14) erfasste Wert des Indikators ein zweites Überstromkriterium erfüllt.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) dazu ausgelegt ist, das erste Überstromkriterium in Abhängigkeit von einem aktuellen Lastbereich einer an die zumindest eine Versorgungsleitung (3) angeschlossenen Hochvoltkomponente (2) des Hochvoltbordnetzes (1) zu bestimmen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen (13, 14) zur Erfassung des zumindest einen jeweiligen Werts zumindest einen seriell zu der zumindest einen Schalteinrichtung (5) geschalteten Messwiderstand (15) und/oder zumindest einen Stromsensor, insbesondere einen Hall-Sensor, aufweist.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Halbleiterschalter (6) einen integrierten Stromspiegel aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, einen Teilstrom des durch den zumindest einen Halbleiterschalter (6) fließenden Laststroms (I_L) abzuzweigen, wobei eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen (13, 14) dazu ausgelegt ist, den zumindest einen jeweiligen Wert des Indikators anhand des Teilstroms zu erfassen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der zumindest zwei Strommesseinrichtungen (13, 14) dazu ausgelegt ist, einen Spannungsabfall (U_DS) über dem zumindest einen Halbleiterschalter (6) sowie eine Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters (6) zu erfassen, in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur zumindest eine Kenngröße des zumindest einen Halbleiterschalters (6), insbesondere einen Durchlasswiderstand des zumindest einen Halbleiterschalters (6), zu bestimmen und anhand der Kenngröße sowie anhand des erfassten Spannungsabfalls (U_DS) den zumindest einen jeweiligen Wert des Indikators zu bestimmen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Strommesseinrichtung (13, 14) zur Erfassung der Temperatur einen Temperatursensor, insbesondere einen NTC-Widerstand, aufweist.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Strommesseinrichtung (13, 14) zur Erfassung der Temperatur zumindest eine Diode (D1, D2) aufweist, wobei die Strommesseinrichtung (13, 14) dazu ausgelegt ist, eine temperaturabhängige Diodenspannung (U_f) der zumindest einen Diode (D1, D2) zu erfassen und anhand der Diodenspannung (U_f) die Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters (6) zu bestimmen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Diode (D1) mit einem ersten Anschluss (8) des zumindest einen Halbleiterschalters (6) und eine zweite Diode (D2) mit einem zweiten Anschluss (9) des zumindest einen Halbleiterschalters (6) elektrisch verbunden ist, wobei die Strommesseinrichtung (13, 14) dazu ausgelegt ist, - an einem ersten Spannungsabgriff (20) eine Summe aus der Diodenspannung (U_f) der ersten Diode (D1) und dem Spannungsabfall (U_DS) über den Anschlüssen (8, 9) des zumindest einen Halbleiterschalters (6) zu erfassen, - an einem zweiten Spannungsabgriff (22) die Diodenspannung (U_f) der zweiten Diode (D2) zu erfassen, - anhand der Diodenspannung (U_f) am zweiten Spannungsabgriff (22) die Temperatur des zumindest einen Halbleiterschalters (6) zu bestimmen, und - die zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsabgriff (20, 22) anliegende Spannung als den Spannungsabfall (U_DS) über dem zumindest einen Halbleiterschalter (6) zu erfassen.
Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzvorrichtung (4) zumindest eine Temperatursicherung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, die zumindest eine Versorgungsleitung (3) zu trennen, falls eine Temperatur der Schalteinrichtung (5) einen vorbestimmten Temperaturschwellwert überschreitet, und/oder zumindest eine Überspannungssicherung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, im Falle einer beim Öffnen der Schalteinrichtung (5) an der Schalteinrichtung (5) anliegenden Überspannung den Laststrom (I_L) an der Schalteinrichtung (5) vorbeizuführen.
Hochvoltbordnetz (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Hochvoltkomponente (2), einen über zumindest eine Versorgungsleitung (3) mit der zumindest einen Hochvoltkomponente (2) elektrisch verbundenen Hochvoltspeicher und eine Überstromschutzvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz (1) nach Anspruch 14.