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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, mit einem Batterietrennrelais zur Entkopplung einer Fahrzeugbatterie von der Masse des Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug weist typischerweise ein oder mehrere Batterien auf, in denen elektrische Energie zum Betrieb von ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs gespeichert wird. Die elektrischen Verbraucher können Teil eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs sein. Das elektrische Bordnetz eines Fahrzeugs kann z.B. eine Bordnetzspannung von 12V oder 48V aufweisen.
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Der Minuspol einer Fahrzeugbatterie ist typischerweise mit der Karosserie des Fahrzeugs bzw. mit Masse gekoppelt. Andererseits ist der Pluspol der Fahrzeugbatterie typischerweise mit dem Bordnetz gekoppelt (z.B. mit der sogenannten Klemme 30).
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In bestimmten Situationen (z.B. beim Transport eines Fahrzeugs, im Rahmen der Entwicklung bzw. der Wartung eines Fahrzeugs, etc.) kann es erforderlich sein, die Batterie eines Fahrzeugs von der Karosserie des Fahrzeugs zu trennen, um Spannungsfreiheit im Fahrzeug herzustellen. Dies kann durch Einbau eines mechanischen Batterietrennschalters erfolgen. Der Einbau eines solchen Schalters ist jedoch typischerweise mit einem relativ hohen Aufwand (Kosten, Bauraum und/oder Gewicht) verbunden, insbesondere in Bezug auf die erforderliche Verkabelung, um eine Betätigung des Batterietrennschalters an einer allgemein zugänglichen Stelle (z.B. im Innenraum des Fahrzeugs) zu ermöglichen.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in effizienter und komfortabler Weise eine Trennung einer Fahrzeugbatterie von der Fahrzeugkarosserie bzw. von Masse zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug, etwa ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Bus und/oder ein Motorrad) beschrieben. Das Fahrzeug umfasst eine Batterie, die eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von ein oder mehreren elektrischen Verbrauchern eines (elektrischen) Bordnetzes des Fahrzeugs bereitzustellen. Dabei kann die Batterie (z.B. ein Blei-Akkumulator oder eine Lithium-Ionen-Batterie) eine Nennspannung von 50V oder weniger, insbesondere von 48V (z.B. zwischen 45V und 52V) oder 12V (z.B. zwischen 11V und 14V), aufweisen. Ein erster Pol (insbesondere der Pluspol) der Batterie ist dabei mit dem Bordnetz (z.B. mit der sogenannten Klemme 30) gekoppelt.
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Außerdem umfasst das Fahrzeug ein Leistungsrelais, das angeordnet ist, um eine elektrisch leitende Verbindung eines zweiten Pols (insbesondere des Minuspols) der Batterie mit einer Masse (insbesondere mit der Karosserie) des Fahrzeugs zu unterbrechen oder herzustellen. Dabei kann das Leistungsrelais in einem offenen Zustand die elektrisch leitende (Leistungs-) Verbindung des zweiten Pols der Batterie mit der Masse des Fahrzeugs unterbrechen. Andererseits kann das Leistungsrelais in dem geschlossenen Zustand die elektrisch leitende (Leistungs-) Verbindung des zweiten Pols der Batterie mit der Masse des Fahrzeugs herstellen.
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Die (Leistungs-) Verbindung zwischen dem zweiten Pol der Batterie und der Masse des Fahrzeugs kann dabei über Leistungs-Kontakte des Leistungsrelais erfolgen. Insbesondere kann das Leistungsrelais einen ersten Leistungs-Kontakt zur Kontaktierung der Masse und einen zweiten Leistungs-Kontakt zur Kontaktierung des zweiten Pols der Batterie aufweisen. Des Weiteren kann das Leistungsrelais eine Kontaktbrücke aufweisen, die eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Leistungs-Kontakt in einem geschlossenen Zustand miteinander elektrisch leitend zu verbinden und in einem offenen Zustand voneinander zu trennen. Somit kann über das Leistungsrelais eine zuverlässige Kopplung bzw. Entkopplung der Fahrzeug-Batterie mit bzw. von der Masse des Fahrzeugs erfolgen.
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Das Leistungsrelais umfasst ferner eine Energie-Schnittstelle, über die elektrische Schalt-Energie zum Schalten des Leistungsrelais bereitgestellt wird. Die Schalt-Energie ist dabei typischerweise substantiell kleiner als die Energie, die über die elektrisch leitende (Leistungs-) Verbindung des zweiten Pols der Batterie mit der Masse des Fahrzeugs fließt. Folglich kann eine Ankopplung der Energie-Schnittstelle des Leistungsrelais an die Fahrzeug-Batterie über ein oder mehrere Leitungen erfolgen, die einen substantiell kleineren Durchmesser aufweisen als die Leitung, die für die elektrisch leitende (Leistungs-) Verbindung des zweiten Pols der Batterie mit der Masse des Fahrzeugs verwendet wird.
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Das Fahrzeug umfasst außerdem einen Schalter, der eingerichtet ist, die Energie-Schnittstelle mit der Batterie zu verbinden oder von der Batterie zu trennen. Der Schalter ist bevorzugt ein mechanischer Schalter, insbesondere ein rastender Drehschalter.
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Es wird somit ein Fahrzeug beschrieben, das ein Leistungsrelais verwendet, um bei Bedarf die Batterie des Fahrzeugs von der Masse des Fahrzeugs entkoppeln zu können. Die Verwendung eines Leistungsrelais ermöglicht es, den Schalter zur Entkopplung bzw. zur Kopplung der Fahrzeug-Batterie von bzw. mit Masse an einem geeigneten, zugänglichen Ort im Fahrzeug zu verbauen, ohne dass dafür eine aufwändige Verkabelung (insbesondere eine Verkabelung mit relativ dicken Leitungen) erforderlich ist. Die Leistungen zur Bereitstellung der Schalt-Energie für das Leistungsrelais können in Bauraum-, Gewichts- und Kosten-effizienter Weise in einem Fahrzeug verbaut werden. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung eines Leistungsrelais eine relativ kurze (Leistungs-) Verbindung zwischen dem zweiten Pol der Batterie und der Masse des Fahrzeugs. Somit wird das Verhalten des Bordnetzes durch die Bereitstellung eines Leistungsrelais nicht wesentlich beeinträchtigt.
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Das Leistungsrelais ist bevorzugt ein bistabiles Relais, das ohne Bereitstellung von externer Energie sowohl in einem offenen Zustand als auch in einem geschlossenen Zustand gehalten werden kann. Zu diesem Zweck kann das Leistungsrelais zumindest einen Permanentmagneten umfassen, der eingerichtet ist, das Leistungsrelais (insbesondere die Kontaktbrücke) im offenen Zustand oder im geschlossenen Zustand zu halten (ohne dass dafür die Zufuhr von elektrischer Energie erforderlich ist).
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Alternativ oder ergänzend kann das Leistungsrelais einen internen Energiespeicher (z.B. einen Kondensator) umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zu speichern, um das Leistungsrelais ohne eine externe Energieversorgung von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand und/oder von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand zu überführen.
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Durch die Verwendung eines bistabilen Relais wird die Verwendung eines einzigen (mechanischen) Schalters zur Ansteuerung des Leistungsrelais ermöglicht. Durch ein Schließen des Schalters kann bewirkt werden, dass dem Leistungsrelais Schalt-Energie, insbesondere ein Impuls mit Schalt-Energie, zugeführt wird. Der Impuls bzw. die Schalt-Energie kann dann bewirken, dass das Leistungsrelais in den jeweils anderen Zustand (d.h. von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand oder von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand) geschaltet wird. Insbesondere kann durch das Schließen des Schalters bewirkt werden, dass das Leistungsrelais von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand überführt wird. Das Leistungsrelais kann dann ohne externe Energie im geschlossenen Zustand gehalten werden (z.B. durch einen Permanentmagneten). Andererseits kann das Öffnen des Schalters bewirken, dass auf Basis der in dem internen Energiespeicher gespeicherten elektrischen Energie das Leistungsrelais von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand überführt wird. Das Öffnen des Schalters kann z.B. durch eine Steuereinheit des Leistungsrelais detektiert werden (z.B. auf Basis der Tatsache, dass die Zufuhr von Schalt-Energie unterbrochen wird). Durch die Verwendung eines bistabilen Leistungsrelais kann der Aufwand für die Bereitstellung einer Trennung der Batterie von der Masse des Fahrzeugs weiter reduziert werden.
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Das Leistungsrelais kann eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, auf Basis der Schalt-Energie das Leistungsrelais zu schalten. Insbesondere kann die Steuereinheit einen Aktor (z.B. einen Elektromagneten) ansteuern, der eingerichtet ist, auf Basis der Schalt-Energie die Kontaktbrücke des Leistungsrelais von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen und/oder umgekehrt. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu veranlassen, dass die Kontaktbrücke bei Erhalt eines Impulses an Schalt-Energie in den jeweils anderen Zustand (d.h. von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand oder von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand) überführt wird.
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Das Leistungsrelais umfasst typischerweise ein Gehäuse. Dabei kann das Gehäuse den Aktor, die Kontaktbrücke und/oder die Steuereinheit umschließen. Die Energie-Schnittstelle kann an dem Gehäuse angeordnet sein. Z.B. kann die Energie-Schnittstelle als Buchse oder als Stecker an dem Gehäuse des Leistungsrelais angeordnet sein.
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Alternativ oder ergänzend können der erste Leistungs-Kontakt und/oder der zweite Leistungs-Kontakt am Gehäuse des Leistungsrelais angeordnet sein (z.B. um eine Leitung zu der Masse des Fahrzeugs und/oder eine Leitung zu dem zweiten Pol der Batterie anzuschließen. Die Leistungs-Kontakte können z.B. Schraubklemmen für die jeweiligen Leitungen aufweisen.
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Das Leistungsrelais kann eine interne leitende Verbindung (zur Bereitstellung der Schalt-Energie) umfassen, die innerhalb des Gehäuses verläuft und die den zweiten Leistungs-Kontakt des Leistungsrelais zur Kontaktierung des zweiten Pols der Batterie (intern, d.h. innerhalb des Gehäuses) mit der Steuereinheit verbindet. So kann über die interne leitende Verbindung eine Kontaktierung mit dem zweiten Pol der Batterie zur Bereitstellung der Schalt-Energie ermöglicht werden. Andererseits kann die Verbindung zu dem ersten Pol der Batterie über eine externe leitende Verbindung erfolgen (indirekt über den (mechanischen) Schalter).
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Die Energie-Schnittstelle zur Bereitstellung der Schalt-Energie für das Leistungsrelais kann somit keinen dedizierten externen Kontakt zur Kontaktierung des zweiten Pols der Batterie aufweisen. Insbesondere kann die Energie-Schnittstelle nur einen einzigen Kontakt aufweisen, der zur Kontaktierung des ersten Pols der Batterie (indirekt über den Schalter) verwendet wird. Es kann somit ein kosteneffizientes Leistungsrelais verwendet werden. Des Weiteren können so die Kosten, der Bauraum und das Gewicht in einem Fahrzeug reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Leistungsrelais, z.B. für ein Fahrzeug insbesondere für ein Straßenkraftfahrzeug, beschrieben. Das Leistungsrelais umfasst einen ersten Leistungs-Kontakt, der z.B. zur Kontaktierung einer Masse (insbesondere der Karosserie) eines Fahrzeugs verwendet werden kann, sowie einen zweiten Leistungs-Kontakt, der z.B. zur Kontaktierung eines Pols (insbesondere des Minuspols) einer Fahrzeug-Batterie verwendet werden kann. Das Leistungsrelais umfasst ferner eine Kontaktbrücke, die eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Leistungs-Kontakt in einem geschlossenen Zustand miteinander elektrisch leitend zu verbinden und in einem offenen Zustand voneinander zu trennen. Außerdem umfasst das Leistungsrelais einen Aktor (z.B. einen Elektromagneten), der eingerichtet ist, die Kontaktbrücke von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zu überführen und/oder umgekehrt.
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Des Weiteren umfasst das Leistungsrelais eine Energie-Schnittstelle, über die elektrische Schalt-Energie zum Betrieb des Aktors bereitgestellt werden kann. Insbesondere können über die Energie-Schnittstelle Impulse von Schalt-Energie bereitgestellt werden, um das Leistungsrelais in den offenen Zustand bzw. in den geschlossenen Zustand zu überführen. Das Leistungsrelais umfasst ferner eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, auf Basis der Schalt-Energie (insbesondere in Abhängigkeit von Impulsen mit Schalt-Energie) den Aktor zu betreiben.
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Außerdem weist das Leistungsrelais ein Gehäuse auf, das die Kontaktbrücke und den Aktor umschließt. Dabei verbindet eine interne leitende Verbindung, die innerhalb des Gehäuses verläuft, zur Bereitstellung der Schalt-Energie den zweiten Leistungs-Kontakt mit der Steuereinheit. So kann eine Kosten- und Bauraum-effiziente Bereitstellung von Schalt-Energie ermöglicht werden.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt 1 ein Fahrzeug mit einem Batterietrennrelais.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der zuverlässigen und effizienten Trennung einer Fahrzeugbatterie von der Karosserie eines Fahrzeugs. In diesem Zusammenhang zeigt 1 beispielhafte Komponenten eines Fahrzeugs 100. Insbesondere zeigt 1 eine Fahrzeugbatterie 101 mit einem ersten Pol 103 (insbesondere dem Pluspol), der mit dem Bordnetz 104 (insbesondere der Klemme 30) des Fahrzeugs 100 gekoppelt ist. Der zweite Pol 102 der Batterie 101 (insbesondere der Minuspol) ist über ein Relais 110 mit der Karosserie bzw. mir Masse 105 des Fahrzeugs 100 gekoppelt. Das Relais 110 umfasst zu diesem Zweck einen batterieseitigen (zweiten) Kontakt 112, der mit dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 gekoppelt ist, und einen masseseitigen (ersten) Kontakt 115, der mit der Masse 105 des Fahrzeugs 100 gekoppelt ist.
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Die beiden (Leistungs-) Kontakte 112, 115 des Relais 110 können über eine Kontaktbrücke 113 elektrisch leitend miteinander in Kontakt gebracht oder voneinander getrennt werden. Die Kontaktbrücke 113 kann dabei durch einen Aktor 114 (z.B. durch einen Elektromagneten) bewegt werden, um die Kontaktbrücke 113 zu öffnen (und damit den Kontakt zwischen dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 und der Masse 105 des Fahrzeugs 100 bzw. den Kontakt zwischen dem ersten Kontakt 105 und dem zweiten Kontakt 102 zu trennen) oder um die Kontaktbrücke 113 zu schließen (und damit den Kontakt zwischen dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 und der Masse 105 des Fahrzeugs 100 bzw. den Kontakt zwischen dem ersten Kontakt 105 und dem zweiten Kontakt 102 herzustellen). Das Relais 110 ist bevorzugt als ein bistabiles Relais ausgebildet, so dass ohne externe Energiezufuhr zu dem Relais 110 sowohl der offene Zustand als auch der geschlossene Zustand der Kontaktbrücke 113 gehalten werden können.
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Die Steuerung des Aktors 114 erfolgt über eine Steuereinheit 111 des Relais 110. Dabei kann die Steuereinheit 111 einen Microprozessor 119 aufweisen. Des Weiteren kann die Steuereinheit 111 einen lokalen Energiespeicher 118 (z.B. in Form eines Kondensators) aufweisen, um auch ohne externe Energieversorgung einen Schaltvorgang des Relais 110 (insbesondere der Kontaktbrücke 113) zu bewirken und/oder um auch ohne externe Energieversorgung einen Zustand des Relais 110 zu halten. Alternativ oder ergänzend kann das Relais 110 z.B. einen Permanentmagneten umfassen, mit dem das Relais 110 ohne externe Energieversorgung in einem bestimmten Zustand gehalten werden kann.
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Das Relais 110 weist eine Energie-Schnittstelle 117 auf, über die das Relais 110 mit einer externen Energieversorgung gekoppelt werden kann. Die externe Energieversorgung kann dabei in einem Fahrzeug 100 durch die Batterie 101 des Fahrzeugs 100 erfolgen. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Energie-Schnittstelle 117 über einen mechanischen Schalter 134 (und ggf. über eine Sicherung 135) mit dem Bordnetz 104 (insbesondere mit Klemme 30) des Fahrzeugs 100 verbunden. Die Sicherung 135 kann eingerichtet sein, bei Erreichen und/oder Überschreiten eines Strom-Schwellenwerts auszulösen. Eine Verbindungsleitung 132 zwischen dem Relais 110 und dem Schalter 134 kann mittels eines ersten Steckers 130 mit der Energie-Schnittstelle 117 und/oder mittels eines zweiten Steckers 133 mit dem Schalter 134 verbunden sein.
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Ein erster Pol zur Energieversorgung (insbesondere ein Pluspol) des Relais 110 kann über die Energie-Schnittstelle 117 mit dem Bordnetz 104 (und somit mit dem ersten Pol 103 der Batterie 101) verbunden sein. Des Weiteren kann ein zweiter Pol zur Energieversorgung (insbesondere ein Minuspol) des Relais 110 über die Energie-Schnittstelle 117 und über eine externe Leitung 131 mit dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 gekoppelt sein.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Relais 110 bereits einen (Leistungs-) Kontakt 112 zu dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 aufweist, ist es vorteilhaft, eine interne Verbindung 121 innerhalb des Gehäuses 116 des Relais 110 bereitzustellen, um den Leistungs-Kontakt 112 des Relais 110 mit dem zweiten Pol der Energieversorgung des Relais 110 zu verbinden. So kann der Verkabelungsaufwand in einem Fahrzeug 100 reduziert werden. Des Weiteren kann so die Komplexität der Energie-Schnittstelle 117 reduziert werden, da nur ein einziger Kontakt für eine einzige externe Leitung 132 bereitgestellt werden muss.
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Es wird somit der Verbau eines Leistungsrelais 110 in Kombination mit einem rastenden Drehschalter 134 und einem Verbindungskabelbaum 132 beschrieben. Als Leistungsrelais 110 kann ein bistabiles Leistungsrelais mit interner Steuerelektronik 111 samt Energiespeicher 118 verwendet werden. Der in 1 dargestellte Steuerkreis kann wie ein monostabiles Relais angesteuert werden, schaltet jedoch bistabil. Das Relais 110 ist im geschalteten Zustand (d.h. im geschlossenen Zustand) energielos und benötigt für den Ausschaltvorgang (d.h. für den Übergang in den geöffneten Zustand) ggf. keine weitere externe Ansteuerung bzw. keine weitere externe Energie (die Energie für den Ausschaltvorgang kann aus dem Energiespeicher 118 entnommen werden). Im geschlossenen Zustand liegt ein Kontakt zwischen den Leistungs-Kontakten 112, 115 vor (über die Kontaktbrücke 113). Andererseits liegt im geöffneten Zustand kein Kontakt zwischen den Leistungs-Kontakten 112, 115 vor. Das Relais 110 befindet sich typischerweise im geöffneten Zustand in einer (unbestromten) Ruheposition. Durch das Schließen des Schalters 134 (und die Bereitstellung von Schalt-Energie) kann das Relais 110 dann in den geschlossenen Zustand überführt werden.
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Durch die Verwendung eines Relais 110 kann die erforderliche Verkabelung (z.B. in Form von 35mm2 Leitungen) zwischen dem zweiten Pol 102 der Batterie 101 und der Masse 105 des Fahrzeugs 100 substantiell reduziert werden. Infolgedessen kann auch eine Beeinträchtigung des Bordnetzes 104 durch eine relativ lange Anbindung des zweiten Pols 102 der Batterie 101 reduziert werden. Insbesondere kann so auch bei Bereitstellung eines Schalters zum Entkoppeln der Batterie 101 von Masse 105 ein unverfälschter Erprobungsbetrieb ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
