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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Absicherung eines Hochvoltnetzes. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Schutzvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Absichern eines Hochvoltnetzes für ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Absicherung eines Hochvoltnetzes in einem ganz oder teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug beschrieben. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung jedoch auch zur Absicherung beliebiger elektrischer Leitungsnetze, insbesondere zur Absicherung beliebiger Hochvoltnetze anwendbar.
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Ganz oder teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden in der Regel von einem elektrischen Energiespeicher gespeist, beispielsweise von einer Traktionsbatterie. Diese elektrischen Energiespeicher stellen für den Antrieb des Fahrzeugs eine elektrische Spannung bereit, deren Höhe mehrere Hundert Volt betragen kann. Aus Gründen der Sicherheit muss beispielsweise bei einer Unterbrechung einer Hochvoltsteckverbindung für eine Hochvoltkomponente die Hochvoltversorgung des Fahrzeugs zentral abgeschaltet werden, damit es nicht durch einen losen Hochvoltstecker oder ähnliches zu einem Unfall kommen kann. Hierzu können beispielsweise sogenannte Interlock-Schaltkreise eingesetzt werden, um die Hochvoltsicherheit eines elektrischen Systems, beispielsweise eines elektrischen Antriebsstrangs, sicherzustellen. Dabei kann eine Niedervolt-Leiterbahnschleife durch die zu überwachenden Komponenten gelegt werden. Wird diese Leiterbahnschleife unterbrochen, beispielsweise durch das Öffnen einer Steckverbindung zwischen zwei Komponenten, so kann diese Unterbrechung detektiert werden. Daraufhin kann bei einer detektierten Unterbrechung die Hochspannungsversorgung in dem Fahrzeug abgeschaltet werden. Beispielsweise kann in einem Batteriemodul ein Schütz oder eine andere Schalteinrichtung geöffnet werden, sodass das Hochvoltnetz in dem Fahrzeug spannungslos geschaltet wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 219 141 A1 offenbart einen Interlock-Schaltkreis zur Absicherung eines elektrischen Bordnetzes in einem Fahrzeug. Hierzu wird eine Leiterbahnschleife zur Detektion einer Unterbrechung zwischen zwei Stromspiegelschaltungen angeschlossen.
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Eine weitere Überwachung eines Leitungsnetzes für ein Fahrzeug ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2010 056 006 A1 bekannt.
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Darüber hinaus können in einem Antriebssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs auch weitere Fehler entstehen, die zum Beispiel zu einer starken Erwärmung an der Fehlerstelle führen können. Dabei kann eine Hochvoltbatterie in eine solche Fehlerstelle eine hohe elektrische Leistung einspeisen. Dies kann sehr rasch zu einem nicht oder zumindest nur sehr schwer beherrschbaren thermischen Ereignis führen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schutz zur Absicherung eines Hochvoltnetzes insbesondere für ein ganz oder teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, vorzusehen, welcher auch beim Auftreten eines Fehlers ein rasches und zuverlässiges Abschalten der Hochvolt-Energieversorgung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Schutzvorrichtung zur Absicherung eines Hochvoltnetzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und ein Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Schutzvorrichtung zur Absicherung eines Hochvoltnetzes, insbesondere zur Absicherung eines Hochvoltnetzes eines Fahrzeugs, mit einem Überwachungsstromkreis und einer Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis zu detektieren. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Energieversorgung des Hochvoltnetzes zu unterbrechen, wenn eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis detektiert worden ist. Der Überwachungsstromkreis umfasst mindestens eine Temperatursicherung. Die Temperatursicherung in dem Überwachungsstromkreis ist dazu ausgelegt, eine elektrische Verbindung in dem Überwachungsstromkreis zu unterbrechen, wenn ein vorbestimmtes Übertemperaturereignis auftritt.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere ein elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Hochvolt-Energiequelle, einer elektrischen Antriebseinheit, die von der elektrischen Hochvolt-Energiequelle gespeist wird, und einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung zur Absicherung eines Hochvoltnetzes. Die elektrische Antriebseinheit kann insbesondere eine elektrische Maschine und einen Stromrichter umfassen.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes, insbesondere eines Hochvoltnetzes eines Fahrzeugs mit einem Schritt zum Bereitstellen eines Überwachungsstromkreises mit mindestens einer Temperatursicherung. Die Temperatursicherung ist dazu ausgelegt, eine elektrische Verbindung in dem Überwachungsstromkreis beim Auftreten eines Übertemperaturereignisses zu unterbrechen. Ferner umfasst das Verfahren die Schritte des Detektierens einer Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis und des Unterbrechens einer Energieversorgung des Hochvoltnetzes, wenn eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis detektiert worden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Hochvolt-Energiequelle, wie z.B. die Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges beim Auftreten eines Fehlers in einem Hochvolt-Bordnetz eine große Menge elektrischer Energie in die Fehlerstelle einspeisen kann. Diese elektrische Energie führt sehr rasch zu einer Ausweitung des Fehlers, welches mit einem thermischen Ereignis, wie zum Beispiel einer starken Überhitzung bis hin zu einem Brand verbunden sein kann. Wird durch die Hochvolt-Energiequelle weiter elektrische Energie in die Fehlerstelle eingespeist, so kann das thermische Ereignis an der Fehlerstelle nicht oder zumindest nur sehr schwer beherrscht werden.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Schutzvorrichtung sowie ein Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes bereitzustellen, um beim Auftreten eines Fehlers eine rasche und zuverlässige Abschaltung des Hochvoltnetzes zu ermöglichen. Hierzu sieht die vorliegende Erfindung vor, einen in der Regel bereits vorhandenen Hochvolt-Interlock zur Absicherung des Hochvoltnetzes zu erweitern. Insbesondere ist dabei vorgesehen, einen oder mehrere Temperatursicherungen in einen Überwachungsstromkreis des Hochvolt-Interlocks zu integrieren. Beim Überschreiten einer Grenztemperatur kann die Temperatursicherung den Überwachungsstromkreis des Hochvolt-Interlocks zwischen zwei Anschlusspunkten der Temperatursicherung unterbrechen und somit zu einer Abschaltung des Hochvolt-Bordnetzes führen.
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Durch die Erweiterung eines konventionellen Hochvolt-Interlocks mittels einer oder mehrerer Temperatursicherungen wird der durch den Interlock überwachte Stromkreis nicht nur durch Öffnen einer Steckverbindung oder eines Schalters unterbrochen, sondern auch dann, wenn die Temperatur an der Temperatursicherung ansteigt und zum Auslösen der Temperatursicherung führt. Auf diese Weise kann auch ein Ansteigen der Temperatur, insbesondere an der Position der Temperatursicherung, durch den Hochvolt-Interlock detektiert werden und zum Abschalten der Hochvolt-Energieversorgung führen.
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Als Temperatursicherungen können beliebige Bauelemente verwendet werden, welche beim Überschreiten einer Temperatur zum Unterbrechen einer elektrischen Verbindung führen. Die Temperatursicherung stellt somit zunächst zwischen zwei Anschlusspunkten eine elektrische Verbindung bereit, welche nach dem Auslösen der Temperatursicherung unterbrochen wird. Eine solche Temperatursicherung kann nahezu an einer beliebigen Stelle innerhalb des Überwachungsstromkreises des Hochvolt-Interlocks angeordnet werden. Auf diese Weise kann an einer oder an mehreren Stelle ein Überschreiten einer kritischen Temperatur überwacht und detektiert werden. Sobald die kritische Temperatur überschritten wird und damit die Temperatursicherung anspricht, wird der Überwachungsstromkreis des Hochvolt-Interlocks unterbrochen.
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Insbesondere können als Temperatursicherungen Bauelemente oder Baugruppen verwendet werden, welche im nicht ausgelösten Zustand keinen oder zumindest einen sehr geringen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit und ggf. weitere elektrische Eigenschaften des Überwachungsstromkreises haben. Somit wird der Überwachungsstromkreis durch die zusätzlich eingebrachten Temperatursicherungen nicht oder zumindest nicht signifikant beeinflusst. Auf diese Weise ist es möglich, einen konventionellen Hochvolt-Interlock auf besonders einfache und kostengünstige Weise zu erweitern.
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Die Steuereinrichtung, welche eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis detektiert und daraufhin die Energieversorgung des Hochvoltnetzes abschaltet, kann beispielsweise als separate Steuereinrichtung ausgestaltet werden. In diesem Fall kann durch eine separate Baugruppe die elektrische Leitfähigkeit des Überwachungsstromkreises überprüft werden. Wird eine Unterbrechung des Überwachungsstromkreises detektiert, so kann die separate Steuereinrichtung diese Unterbrechung an eine entsprechende Schalteinrichtung der Hochvolt-Energieversorgung signalisieren, um infolge dieser Signalisierung die Einspeisung weiterer elektrischer Energie von der Energiequelle in das Hochvoltnetz zu unterbrechen. Insbesondere ist es dabei beispielsweise möglich, dass die separate Steuereinrichtung im fehlerfreien Fall, d.h. bei einem geschlossenen Überwachungsstromkreis, ein Steuersignal von der Steuereinrichtung zu der Schalteinrichtung der Hochvolt-Energiequelle bereitstellt, sodass die Hochvolt-Energiequelle nur so lange elektrische Energie in das Hochvolt-Bordnetz einspeist, so lange von der Steuereinrichtung ein entsprechendes Signal bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann auch sichergestellt werden, dass bei einem Ausfall der Steuereinrichtung und einem daraufhin fehlenden Steuersignal die Einspeisung von elektrischer Energie in das Hochvolt-Bordnetz unterbunden wird und somit die Sicherheit weiterhin gesteigert werden kann.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Überwachung des Überwachungsstromkreises zentral implementiert ist, d.h. die Steuereinrichtung zur Überwachung des Überwachungsstromkreises und die Schaltelemente zum Koppeln bzw. Trennen der Hochvolt-Spannungsquelle mit dem Hochvolt-Bordnetz sind als eine gemeinsame Einheit ausgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Temperatursicherung einen Bimetallschalter, ein PTC-Element und/oder eine Schmelzsicherung umfassen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Bauelemente möglich, welche beim Überschreiten einer Grenztemperatur eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlusspunkten unterbrechen können. Insbesondere kann es sich bei den PTC-Elementen um Bauelemente handeln, welche mit zunehmender Temperatur einen ansteigenden elektrischen Widerstand aufweisen, sodass bei Überschreiten einer Grenztemperatur der elektrische Widerstand einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der Temperatursicherung um ein reversibles Temperatursicherungselement handeln. Als reversibles Temperatursicherungselement wird beispielsweise ein Bauelement angesehen, welches beim Überschreiten einer Grenztemperatur eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlusspunkten unterbricht. Alternativ kann beim Überschreiten der Grenztemperatur auch der elektrische Widerstand zwischen den beiden Anschlusspunkten signifikant ansteigen. Nach dem Absinken der Temperatur können reversible Temperatursicherungselemente wiederum eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusspunkten bereitstellen, oder der elektrische Widerstand zwischen den beiden Anschlusspunkten kann signifikant sinken. Auf diese Weise können solche Temperatursicherungselemente mehrfach einen Anstieg der Temperatur detektieren. Darüber hinaus kann auch ein Absinken der Temperatur durch das erneute Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den beiden Anschlusspunkten wieder erkannt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Temperatursicherung ein irreversibles Temperatursicherungselement umfassen. Ein irreversibles Temperatursicherungselement kann beim Überschreiten einer Temperatur über einer vorgegebenen Grenztemperatur eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlusspunkten irreversibel unterbrechen. In einem solchen Fall wird auch bei einem nachfolgenden Absinken der Temperatur zwischen den beiden Anschlusspunkten der Temperatursicherung weiterhin keine elektrische Verbindung mehr hergestellt, so dass der Überwachungsstromkreis geöffnet bleibt. Daher kann bei einem Auftreten eines Fehlers, insbesondere eines Anstiegs der Temperatur ein dauerhaftes zuverlässiges Abschalten ermöglicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Überwachungsstromkreis eine Serienschaltung aus mehreren Temperatursicherungen umfassen. Hierbei ist eine beliebige Anzahl von zwei oder mehreren Temperatursicherungen, ggf. auch unterschiedlich ausgestalteten Temperatursicherungen, möglich. Durch die Serienschaltung mehrerer Temperatursicherungen kann beim Ansprechen einer der Temperatursicherungen innerhalb des Überwachungsstromkreises der Überwachungsstromkreis jeweils zuverlässig unterbrochen werden, sodass an mehreren unterschiedlichen räumlichen Positionen kritische Temperaturerhöhungen detektiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Temperatursicherung an einer leistungselektronischen Komponente eines elektrischen Antriebssystems angeordnet. Bei den leistungselektronischen Komponenten eines elektrischen Antriebssystems kann es sich beispielsweise um einen Stromrichter handeln. Insbesondere kann beispielsweise an einem oder an mehreren Halbleiterschaltelementen eines Stromrichters eine Temperatursicherung vorgesehen werden. Gerade Halbleiterschaltelemente in Stromrichtern stellen kritische Bauelemente dar, bei welchen ein Fehler rasch zu einem thermischen Ereignis führen kann. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich an anderen Bauelementen eines Stromrichters, beispielsweise an Kondensatoren, wie zum Beispiel einem Zwischenkreiskondensator oder ähnlichem, sowie beliebigen anderen Bauelementen ebenfalls eine Temperatursicherung vorzusehen. Ferner können auch an Steuerbaugruppen für einen Stromrichter oder an beliebigen anderen Baugruppen, Bauelementen etc. eines elektrischen Antriebssystems Temperatursicherungen vorgesehen werden. Auf diese Weise können alle potentiellen Gefahrenpunkte für mögliche Fehlfunktionen zuverlässig überwacht werden und im Fehlerfall kann rasch eine sichere Abschaltung der Hochspannungsversorgung gewährleistet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Temperatursicherung an einer Ladevorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher angeordnet werden. Auch an den Bauelementen einer Ladevorrichtung, insbesondere an Halbleiterschaltelementen einer Ladevorrichtung, wie zum Beispiel einem Gleichrichter oder ähnlichem, können hohe Mengen an elektrischer Energie umgesetzt werden, die insbesondere in einem Fehlerfall sehr rasch zu einem thermischen Ereignis führen können. Dabei kann die Ladevorrichtung sowohl innerhalb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, als auch außerhalb des Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen sein. Beispielsweise ist es auch möglich, den Überwachungsstromkreis an einer Ladebuchse gemeinsam mit den Anschlüssen zum Einspeisen von elektrischer Energie während des Ladevorgangs an eine externe Ladevorrichtung herauszuführen und auch an dieser externen Ladevorrichtung eine oder mehrere Temperatursicherungen vorzusehen. Beispielsweise können solche Temperatursicherungen in einer Ladesäule, einer Wallbox, oder einer beliebigen anderen externen Ladeeinrichtung vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, ein kontinuierliches Spannungssignal, ein gepulstes Spannungssignal und/oder ein hochfrequentes Prüfsignal in den Überwachungsstromkreis einzuspeisen. Das jeweilige Signal kann daraufhin kontinuierlich oder periodisch von der Steuereinrichtung ausgewertet werden, um eine mögliche Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis zu detektieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Überwachungsstromkreis mindestens eine weitere Schutzeinrichtung. Die weitere Schutzeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, beim Auftreten eines vorbestimmten Ereignisses eine elektrische Verbindung in dem Überwachungsstromkreis zu unterbrechen. Insbesondere kann die weitere Schutzeinrichtung dazu ausgelegt sein, beim Auftreten eines Überdrucks, eines optischen Signals und/oder eines akustischen Signals den Überwachungsstromkreis zu unterbrechen. Fehlerfälle, insbesondere Fehlerfälle im Zusammenhang mit einem thermischen Ereignis können ggf. durch unterschiedliche Sensoren detektiert werden. So kann beispielsweise eine sich aufgrund des thermischen Ereignisses ausbildende Druckwelle von einem Drucksensor detektiert werden, ein möglicher Knall oder ein charakteristisches Geräusch eines auftretenden Fehlers kann durch einen geeigneten akustischen Sensor detektiert werden, oder ein sich ausbildender Überschlag oder Lichtbogen kann durch einen optischen Sensor erkannt werden. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere physikalische Eigenschaften durch geeignete Sensoren detektierbar. Wird nach dem Detektieren eines vorgegebenen physikalischen Ereignisses durch eine geeignete Schalteinrichtung der Überwachungsstromkreis unterbrochen, so kann daraufhin ebenfalls eine sichere, schnelle und zuverlässige Abschaltung der Hochvolt-Energieversorgung ermöglicht werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Schutzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds einer Schutzvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 1 mit einer Schutzvorrichtung zur Absicherung eines Hochvoltnetzes gemäß einer Ausführungsform. Beispielsweise kann es sich hierbei um das elektrische Antriebssystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Das elektrische Antriebssystem 1 kann beispielsweise von einer Hochvolt-Traktionsbatterie 20 gespeist werden. Diese Hochvolt-Traktionsbatterie 20 kann über einen Trennschalter 21 mit dem Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs elektrisch gekoppelt werden. Die Hochvolt-Traktionsbatterie 20 kann beispielsweise einen Stromrichter 41 speisen. Bei dem Stromrichter 41 kann es sich beispielsweise um einen Wechselrichter handeln, der aus der bereitgestellten Gleichspannung eine Wechselspannung zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine 42 generiert. Hierzu kann der Stromrichter 41 beispielsweise von einer Ansteuerschaltung 43 angesteuert werden. Die einzelnen Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes können beispielsweise mittels Steckverbindungen 22 an das Hochvolt-Bordnetz angeschlossen werden. Parallel zur Leitungsführung des Hochvolt-Bordnetzes kann ein Überwachungsstromkreis 12 vorgesehen sein. Werden die Kontakte für das Hochvolt-Bordnetz und den Überwachungsstromkreis 12 über eine gemeinsame Steckverbindung geführt, so wird beim Lösen dieser Steckverbindung auch der Überwachungsstromkreis 12 geöffnet.
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Zur Überprüfung des Überwachungsstromkreises 12 kann eine Steuereinrichtung 11 vorgesehen sein. Dabei kann der Beginn und das Ende des Überwachungsstromkreises 12 mit der Steuereinrichtung 11 elektrisch gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 11 kann kontinuierlich oder periodisch elektrische Signale in den Überwachungsstromkreis 12 einspeisen und auf diese Weise überprüfen, ob der Überwachungsstromkreis 12 geschlossen ist oder ob in dem Überwachungsstromkreis 12 eine Unterbrechung aufgetreten ist. Eine Unterbrechung kann beispielsweise, wie zuvor bereits beschrieben, durch Abziehen einer Steckverbindung 22 hervorgerufen werden. Wird durch die Steuereinrichtung 11 eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 detektiert, so kann die Steuereinrichtung 11 die Schalteinrichtung 21 veranlassen, die Hochvolt-Traktionsbatterie 20 elektrisch von dem Hochvolt-Bordnetz zu trennen. Hierzu können beispielsweise Schütze, welche in der Schalteinrichtung 21 zwischen der Hochvolt-Traktionsbatterie 20 und dem Hochvolt-Bordnetz angeordnet sind, geöffnet werden. Zur Steigerung der Sicherheit ist es beispielsweise möglich, dass die Steuereinrichtung 11 so lange ein Steuersignal an der Schalteinrichtung 21 bereitstellt, so lange der Überwachungsstromkreis 12 geschlossen ist, d.h. keine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 detektiert wird. Wird eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 detektiert, oder tritt ggf. ein anderer Fehler auf, so stellt die Steuereinrichtung 11 an der Trenneinrichtung 21 kein Signal bereit, worauf die Schalteinrichtung 21 die elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 20 und dem Hochvolt-Bordnetz öffnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass selbst bei einem Ausfall der Steuereinrichtung 11 die Schaltelemente in der Schalteinrichtung 21 geöffnet werden und die elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 20 und dem Hochvolt-Bordnetz geöffnet wird.
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Gegebenenfalls können aufgrund von Überbeanspruchungen oder Fehlfunktionen eine übermäßige Erwärmung an einem oder mehreren Komponenten des elektrischen Antriebssystems 1 auftreten. Insbesondere kann aufgrund eines Defekts in einem Bauelement ein thermisches Ereignis hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Halbleiterschaltelement, wie zum Beispiel ein IGBT, durchlegieren und beispielsweise einen Kurzschluss hervorrufen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere Fehlfunktionen, insbesondere Fehlfunktionen, welche zu einer Überhitzung oder einem thermischen Ereignis führen, möglich. Bleibt das elektrische Antriebssystem 1 bei einem solchen Fehler mit der Traktionsbatterie 20 elektrisch verbunden, so kann die Traktionsbatterie 20 weiterhin elektrische Energie in das Hochvolt-Bordnetz einspeisen. Dies kann ggf. zu einer weiteren Ausbreitung des Fehlers und ggf. zu weiteren thermischen Ereignissen führen. Darüber hinaus wird aufgrund der hohen elektrischen Spannung und der von der Traktionsbatterie 20 bereitgestellten großen Menge an elektrischer Energie ein möglicher Löschversuch oder dergleichen erschwert bis verhindert. Auch stellt die hohe elektrische Spannung eine große Gefahr für mögliche Rettungskräfte dar.
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Daher sind zur weiteren Absicherung des Hochvolt-Bordnetzes in dem Überwachungsstromkreis 12 zusätzliche Temperatursicherungen 13-i vorgesehen. Die dargestellte Anzahl von drei Temperatursicherungen in dem Überwachungsstromkreis 12 dient lediglich dem besseren Verständnis und stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung auf eine vorgegebene Anzahl von Temperatursicherungen dar. Vielmehr ist eine beliebige Anzahl von einer, zwei oder mehreren Temperatursicherungen 13-i in dem Überwachungsstromkreis 12 möglich. Die Temperatursicherungen 13-i sind dabei als Serienschaltung in dem Überwachungsstromkreis 12 angeordnet. Die Temperatursicherungen 13-i können jeweils an geeigneten Stellen innerhalb des elektrischen Antriebssystems 1 vorgesehen sein, an denen eine starke Temperaturentwicklung oder ein thermisches Ereignis möglich sein kann. Zum Beispiel können eine oder mehrere Temperatursicherungen 13-1 an oder innerhalb des Stromrichters 41 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann eine gefährliche Überhitzung des Stromrichters 41, insbesondere der darin vorgesehenen Schaltelemente, überwacht und erfasst werden. Beispielsweise kann eine Temperatursicherung 13-1 zentral in dem Stromrichter 41 vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, an einem oder mehreren Bauelementen innerhalb des Stromrichters 41, beispielsweise an den Halbleiterschaltelementen, einen Zwischenkreiskondensator, oder beliebigen anderen Bauelementen direkt eine Temperatursicherung 13-1 vorzusehen. Ferner ist es auch möglich, eine oder mehrere Temperatursicherungen 13-2 an der elektrischen Maschine 42 vorzusehen, um ggf. bei einer übermäßigen Erwärmung der elektrischen Maschine 42 ebenfalls eine Abschaltung des Hochvolt-Bordnetzes zu ermöglichen. Gegebenenfalls kann auch an einer Ansteuerschaltung 43 für den Stromrichter 41 eine Temperatursicherung 13-3 vorgesehen sein. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch an beliebigen anderen geeigneten Positionen Temperatursicherungen 13-i möglich.
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Bei den Temperatursicherungen 13-i kann es sich um beliebige Temperatursicherungen handeln, welche bei Überschreiten einer Grenztemperatur eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlusspunkten öffnen. Auf diese Weise kann eine solche in den Überwachungsstromkreis 12 eingeschleifte Temperatursicherung 13-i beim Überschreiten der jeweiligen Grenztemperatur den Überwachungsstromkreis 12 zwischen den zwei anschlusspunkten der Temperatursicherung 13-i unterbrechen. Diese Unterbrechung des Überwachungsstromkreises 12 kann von der Steuereinrichtung 11 detektiert werden. Daraufhin kann die Steuereinrichtung 11 infolge einer detektierten Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 die elektrische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 20 und dem Hochvolt-Bordnetz unterbrechen. Hierdurch wird von der Traktionsbatterie 20 keine weitere elektrische Energie in das Hochvolt-Bordnetz eingespeist. Somit steht auch an der Fehlerstelle keine weitere elektrische Energie von der Traktionsbatterie 20 zur Verfügung, sodass keine weitere Überhitzung stattfindet und ein ggf. bereits beginnender Brand an der Fehlerstelle eventuell bereits von alleine erlischt. Ferner liegt nach der Abschaltung der Traktionsbatterie 20 auch keine gefährliche Hochspannung mehr in dem Hochvolt-Bordnetz an, sodass Rettungskräfte keinen Gefahren aufgrund von Hochspannung ausgesetzt sind.
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Bei den Temperatursicherungen 13-i kann es sich sowohl um eine reversible als auch um eine irreversible Temperatursicherung handeln. Bei reversiblen Temperatursicherungen kann nach einer Abkühlung der Temperatursicherung die elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlusspunkten der Temperatursicherung wiederhergestellt werden. Auf diese Weise ist beispielsweise nach einer Abkühlung ein weiterer Betrieb ohne zusätzliche Reparaturmaßnahmen möglich. Beispielsweise kann eine reversible Temperatursicherung ein Bimetallelement, einen elektrischen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) oder ähnliches umfassen. Darüber hinaus sind auch irreversible Temperatursicherungen möglich, welche beim Überschreiten einer Grenztemperatur eine irreversible Unterbrechung zwischen den beiden Anschlusspunkten der Temperatursicherung hervorrufen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass es selbst nach einer eventuellen Abkühlung der Temperatur an der Fehlerstelle kein erneutes Zuschalten der Traktionsbatterie 20 in das Hochvolt-Bordnetz erfolgt, bevor eine Reparatur der Fehlerstelle und ein Austausch der Temperatursicherung 13-i erfolgt ist. Beispielsweise kann eine solche irreversible Temperatursicherung mittels eines Schmelzelementes oder ähnlichem realisiert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 1 mit einer Schutzvorrichtung zur Absicherung des Hochvoltnetzes gemäß einer weiteren Ausführungsform. In den 1 und 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichartige Komponenten. Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform insbesondere dadurch, dass die Steuereinrichtung 11 hierbei in der Schalteinrichtung 21 zum Trennen/Koppeln der Traktionsbatterie 20 mit dem Hochvolt-Bordnetz integriert ist. Darüber hinaus gelten die bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungen.
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Wie in 2 zusätzlich zu erkennen ist, kann die Traktionsbatterie 20 mittels einer Ladevorrichtung 30 aufgeladen werden. Beispielsweise kann die Ladevorrichtung 30 von einer externen Gleich- oder Wechselspannungsquelle gespeist werden. Die Ladevorrichtung 30 kann die extern bereitgestellte Spannung in eine Spannung konvertieren, welche zum Aufladen der Traktionsbatterie 20 geeignet ist. In diesem Fall kann auch die Hochvoltverbindung der Ladevorrichtung 30 mittels eines Überwachungsstromkreises 12 überwacht werden. Beispielsweise können auch die Komponenten der Ladevorrichtung 30 und die Komponenten des Wechselrichters 41 mittels eines gemeinsamen Überwachungsstromkreises 12 überwacht werden. Alternativ können auch separate Überwachungsstromkreise 12 für die Ladevorrichtung 30 und Wechselrichter 41 vorgesehen sein. In beiden Fällen können auch eine oder mehrere Temperatursicherungen 13-5 in der Ladevorrichtung 30 bzw. an den einzelnen Komponenten der Ladevorrichtung 30 vorgesehen sein. Auf diese Weise können auch ggf. übermäßige Erwärmungen und/oder thermische Ereignisse in der Ladevorrichtung 30 detektiert werden und daraufhin eine Abschaltung der Hochvolt-Traktionsbatterie 20 erfolgen.
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Zur Überwachung des Zustands des Überwachungsstromkreises 12 kann die Steuereinrichtung 11 ein beliebiges Gleich- oder Wechselspannungssignal in den Überwachungsstromkreis 12 einspeisen. Beispielsweise kann eine konstante elektrische Spannung oder ein konstanter elektrischer Strom in den Überwachungsstromkreis 12 eingespeist werden, um eine mögliche Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 zu detektieren. Darüber hinaus sind auch gepulste Signale oder ggf. auch hochfrequente Signale zur Überwachung des Überwachungsstromkreises 12 möglich. Durch die Verwendung von passiven Bauelementen als Temperatursicherung 13-i ist es möglich, dass die Temperatursicherungen 13-i die elektrischen Eigenschaften des Überwachungsstromkreises 12 nicht oder nur in einem sehr geringen Maße beeinflussen. Hierdurch werden die elektrischen Signale der Steuereinrichtung 11 durch die Temperatursicherungen nahezu nicht beeinflusst, sodass durch die Temperatursicherungen 13-i das Ergebnis der Steuereinrichtung 11 zur Detektion einer Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 nicht verfälscht wird.
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Neben Temperatursicherungen 13-i können ggf. auch weitere Überwachungselemente vorgesehen sein, die beim Auftreten eines vorbestimmten Ereignisses eine elektrische Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 hervorrufen. Beispielsweise kann auch ein Drucksensor vorgesehen sein, der beim Auftreten eines thermischen Ereignisses eine daraus resultierende Druckwelle detektiert und daraufhin eine elektrische Unterbrechung des Überwachungsstromkreises 12 hervorruft. Ferner sind auch optische Sensoren möglich, die beispielsweise beim Auftreten eines Lichtbogens eine elektrische Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 hervorrufen. Ebenso kann beispielsweise mittels eines akustischen Sensors ein durch ein thermisches Ereignis oder ähnliches hervorgerufener Knall oder ein charakteristisches Geräusch ebenfalls mittels eines geeigneten Bauelements eine elektrische Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 hervorrufen. Selbstverständlich kann auch ein beliebiges weiteres Ereignis detektiert werden, und daraufhin mittels einer geeigneten Schaltungseinrichtung eine elektrische Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis 12 veranlasst werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Absicherung eines Hochvoltnetzes in einem Fahrzeug zugrunde liegt. In Schritt S1 wird ein Überwachungsstromkreis bereitgestellt, der mindestens eine Temperatursicherung aufweist. Die Temperatursicherung ist dazu ausgelegt, eine elektrische Verbindung in dem Überwachungsstromkreis bei Auftreten eines Übertemperaturereignisses zu unterbrechen. In Schritt S2 wird eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis detektiert und in Schritt S3 wird eine Energieversorgung des Hochvoltnetzes unterbrochen, wenn eine Unterbrechung in dem Überwachungsstromkreis detektiert worden ist.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Absicherung eines Hochvoltnetzes, welches von einer elektrischen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs gespeist wird. Hierzu ist es vorgesehen, in einem Überwachungsstromkreis, wie zum Beispiel einem Hochvolt-Interlock, ein oder mehrere zusätzliche Temperatursicherungen anzuordnen, welche beim Überschreiten einer Temperatur den Überwachungsstromkreis unterbrechen und somit eine Trennung zwischen dem Hochvoltnetz und der speisenden Hochvoltbatterie initiieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013219141 A1 [0004]
- DE 102010056006 A1 [0005]
