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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltkomponentenanordnung mit einer Hochvoltkomponente, die ein Druckausgleichselement aufweist, für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, und mit einem elektrischen Leiter zum Verbinden der Hochvoltkomponente mit einer Hochvoltabschaltvorrichtung, wobei der elektrische Leiter einen elektrischen Kontakt aufweist.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2015 016 606 A1 ist eine Hochvoltbordnetzanordnung und Verfahren zur Kurzschlussdetektion in einer Hochvoltbordnetzanordnung bekannt. Die Hochvoltbordnetzanordnung umfasst ein Hochvoltbordnetz und mindestens eine mit dem Hochvoltbordnetz koppelbaren Komponente, welche ein Druckausgleichselement umfasst und mit einer Kurzschlussdetektionseinrichtung ausgestattet ist, welche dazu ausgelegt ist, einen Kurzschluss zu detektieren. Dabei weist die Kurzschlussdetektionseinrichtung einen elektrischen Leiter auf, der an oder in einem vorbestimmten Abstand zu dem Druckausgleichs angeordnet ist, und ausgelegt, eine Unterbrechung des Leiters zu detektieren.
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Aus der
CN 000202923408 U ist ein integriertes Leistungsgerät eines reinen Elektrofahrzeugs bekannt. Das integrierte Leistungsgerät umfasst einen integrierten Leistungsregler, ein Kommunikationsmodul, ein Isolationsdetektionsmodul, ein Rauchdetektionsmodul, ein Kollisionserkennungsmodul, ein Vorlademodul und ein Hochspannungsleistungsverteilungsmodul, wobei das Kommunikationsmodul mit dem integrierten Leistungsregler kommuniziert, um aktuelle Fahrzeugzustandsinformationen zu erfassen und den gesamten Fahrzeugregler über einen Energiesystemzustand zu informieren. Die Ausgänge des Isolationsdetektionsmoduls, des Rauchdetektionsmoduls und des Kollisionserkennungsmodul sind mit einem Analog-Digital-Umwandlungsmodul des integrierten Leistungsreglers verbunden, um eine Signalmessung durchzuführen und zu beurteilen, ob gefährliche Unfälle, wie beispielsweise elektrische Leckagen, Brandkatastrophen oder Kollisionen auftreten. Ebenfalls wird ein algorithmisches Regelungssignal des integrierten Leistungsreglers durch das Vorlademodul ausgegeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Hochvoltkomponenten eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs besser zu schützen und Sekundärschäden am Fahrzeug abzuwenden.
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Diese Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Hochvoltkomponentenanordnung mit einer Hochvoltkomponente, die ein Druckausgleichselement aufweist, für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, und einen elektrischen Leiter zum Verbinden der Hochvoltkomponente mit einer Hochvoltabschaltvorrichtung, wobei der elektrische Leiter einen elektrischen Kontakt aufweist, und der elektrische Kontakt am oder im Druckausgleichselement ausgebildet ist, und der elektrische Kontakt bei Beschädigung des Druckausgleichselement unterbrochen wird.
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Elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen in der Regel eine Vielzahl an Hochvoltkomponenten auf, welche die unterschiedlichsten Funktionen und Merkmale aufweisen. Da diese Hochvoltkomponenten durch einen auftretenden Kurzschluss beschädigt werden könnten, muss mittels eines schnell eingeleiteten Sicherheitsmechanismus sichergestellt werden, dass der Schaden an den Hochvoltkomponenten und damit auch auf das ganze Fahrzeug so gering wie möglich gehalten wird. Bei einem Kurzschluss fließen innerhalb kürzester Zeit sehr hohe Ströme, die die elektrischen Komponenten zerstören könnten. Ein wichtiger Aspekt ist dabei, dass die Verbindung zwischen den Hochvoltkomponenten und der Hochvoltbatterie gekappt wird. Somit kann das restliche Gesamtsystem des Fahrzeuges und die Fahrzeuginsassen vor einem gefährlichen Energieeintrag geschützt werden. Der Schutzmechanismus umfasst einen elektrischen Kontakt, welcher an oder in einem Druckausgleichselement befestigt ist. Sobald das Druckausgleichselement beschädigt oder zerstört wird, werden der elektrische Kontakt und dadurch die elektrische Verbindung sofort unterbrochen. Auftretende Kurzschlüsse rufen oftmals auch elektrische Lichtbögen auf, welche ebenfalls Schäden an Komponenten hervorrufen können. Durch die Hochvoltkomponentenanordnung wird sichergestellt, dass weitere Schäden bei einem auftretenden Kurzschluss an einer Hochvoltkomponente verhindert werden. Des Weiteren wird versucht das Schadensbild bestmöglich einzudämmen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Hochvoltkomponente, welche ein Komponentengehäuse aufweisen kann, wobei das Komponentengehäuse eine Gehäuseöffnung aufweist, und wobei sich das Druckausgleichselement in der Gehäuseöffnung befindet.
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Zum Schutz der sensiblen und empfindlichen Hochvoltkomponenten gegenüber z.B. Verschmutzung und Feuchtigkeit, werden die Hochvoltkomponenten typischerweise von einem Komponentengehäuse umschlossen. Im Komponentengehäuse befindet sich z.B. eine Gehäuseöffnung, in der ein Druckausgleichelement angeordnet ist. Das Druckausgleichselement ist vorzugsweise mit einer Membran ausgebildet und erfüllt dadurch zwei wesentliche Aufgaben. Zum einen sorgt es dafür, dass der Druck im Komponentengehäuse nicht zu hoch wird. Somit ist sichergestellt, dass es durch einen Druckanstieg zu keinen Beschädigungen kommt. Zum zweiten ist die Membran vorteilhafterweise so ausgebildet, dass sie die feuchte Luft aus dem Komponentengehäuse nach außen durchlässt, aber keine Feuchtigkeit von außen nach innen eindringen kann. Damit ist sichergestellt, dass die relative Luftfeuchte im Gehäuseinneren niedrig bleibt. Ebenfalls sorgt die Membran dafür, dass in der Hochvoltkomponente ein Luftaustausch stattfinden kann, aber keine Flüssigkeiten von außen eindringen kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der elektrische Kontakt am oder im Druckausgleichselement als eine Leiterschleife ausgebildet ist, wobei die Leiterschleife bei einer Beschädigung des Druckausgleichselements unterbrochen wird.
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Der elektrische Kontakt, der sich am oder im Druckausgleichselement befindet, soll sich bei einem Schadensfall öffnen und so eine elektrische Unterbrechung sicherstellen. Der elektrische Kontakt sollte als eine Leiterschleife ausgebildet sein. Dadurch ist der elektrische Kontakt sehr platzsparend und kostengünstig realisierbar. Diese Leiterschleife ist entweder direkt im Druckausgleichelement angebracht oder in direkter Nähe befestigt. Je näher der elektrische Kontakt am Druckausgleichselement angebracht ist, desto sensibler kann dieser bei einem Schadensfall reagieren.
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Bei einem Auftretenden elektrischen Kurzschluss entsteht oft ein Lichtbogen. Durch einen großen Energieumsatz entsteht ein Druckimpuls, welcher das empfindliche Druckausgleichselement zerstören kann. Durch die Zerstörung des Druckausgleichselements wird die Leiterschleife sofort unterbrochen. Somit können die Sicherheitsmechanismen des Hochvoltsystems sofort geeignete Sicherheitsmaßnahmen (z.B. Trennen der Verbindung zur Hochvoltbatterie) einleiten.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Hochvoltbordnetz für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit einer Hochvoltkomponentenanordnung, wobei der elektrische Leiter an einer Klemme 30c angeschlossen ist.
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In Hochvoltsystemen von Elektrofahrzeugen werden beispielsweise mit der Klemme 30c, welche auch als Crashleitung bezeichnet wird, die Hochvoltkomponente, die Hochvoltbatterie und ein Pyrotechnisches Trennelement verbunden. Bei der Klemme 30c handelt es sich vorzugsweise um eine 12 V Leitung bzw. eine Niedervolt-Leitung. Diese 12 V Leitung ist mit dem Pyrotechnischen Trennelement verbunden. Der Trennvorgang erfolgt z.B., wenn die Spannung an der Hochvoltkomponente abfällt. Fällt z.B. die Spannung der Klemme 30c untern einen definierten Spannungswert, so werden die Hochvoltschütze in der Hochvoltbatterie geöffnet. Weiter werden an Hochvoltkomponenten im Hochvoltzwischenkreis Ersatzreaktionen ausgelöst, die dafür sorgen, dass die Hochvoltgleichspannung und die Hochvoltwechselspannung innerhalb einer vordefinierten Zeiteinheit unter einen kritischen Wert fallen. Typischerweise fällt dabei die Hochvoltgleichspannung unterhalb von 60 V DC und die Hochvoltwechselspannung auf einen Wert von kleiner 30 V AC. Dadurch ist gewährleistet, dass im Schadensfall keine für den menschlichen Körper gefährliche Spannung mehr am Hochvoltzwischenkreis anliegt.
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Somit sind nicht nur die weiteren Hochvoltkomponenten sondern auch die im Fahrzeug befindlichen Personen geschützt. Neben der Abtrennung der Hochvoltkomponente von der Hochvoltbatterie, wird zusätzlich der Zwischenkreiskondensator der Hochvoltkomponente entladen. Durch diese vorteilshaften Maßnahmen wird die Spannung z.B. innerhalb von 2 Sekunden auf kleiner 60 V DC auf Komponentenebene entladen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltkomponentenanordnung mit einem geschlossenen elektrischen Kontakt am oder im Druckausgleichselement, wobei der elektrische Kontakt sich bei einer Beschädigung des Druckausgleichselements öffnet, so dass eine Unterbrechung der Klemme 30c erfolgt.
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Um empfindliche Hochvoltkomponenten eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs im Falle eines auftretenden elektrischen Kurzschlusses zu schützen, sollte ein geeigneter Sicherheitsmechanismus eingeleitet werden. Der elektrische Kontakt, welcher sich am oder im Druckausgleichselement befindet ist im Grundzustand geschlossen. Wenn durch einen Druckimpuls das Druckausgleichselement zerstört wird, dann erfolgt eine sofortige Unterbrechung des Kontaktes. Dadurch erfolgt eine sofortige Unterbrechung der elektrischen Verbindung der Klemme 30c. Bei einer Unterbrechung der Klemme 30c wird sofort eine Reihe von Schutzfunktionen eingeleitet. Dabei werden die Hochvoltkomponenten von der Hochvoltbatterie getrennt und die Zwischenkreiskondensatoren der Hochvoltkomponenten entladen. Damit ist sichergesellt, dass keine gefährliche Spannung mehr anliegt. Es sollte vorzugsweise auch eine Warneinrichtung im Fahrzeuginnenraum aktiviert werden, damit der Fahrzeugnutzer von dem entstanden Schaden in Kenntnis gesetzt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochvoltkomponentenanordnung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochvoltkomponentenanordnung im Falle eines auftretenden Kurzschlusses; und
- 3 einen schematischen Aufbau einer Hochvoltsicherheitsarchitektur mit der erfindungsgemäßen Hochvoltkomponentenanordnung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt somit z.B. eine Hochvoltkomponentenanordnung 1, mit einer Hochvoltkomponente 2 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug auf. In diesem Anschauungsbeispiel ist die Hochvoltkomponente 2 als ein DC-DC-Wandler dargestellt. Die Hochvoltkomponente 2 weist ein Druckausgleichselement 3 auf. Die Hochvoltkomponente 2 ist über einen elektrischen Leiter 4 mit einer Hochvoltabschaltvorrichtung 9 verbunden, wobei der elektrische Leiter 4 einen elektrischen Kontakt 5 aufweist. Der elektrische Kontakt 5 ist am oder im Druckausgleichselement 3 ausgebildet, und wird bei einer Beschädigung des Druckausgleichselements 3 geöffnet, sodass die elektrische Verbindung unterbrochen ist.
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Die Hochvoltkomponente 2 ist zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einem Komponentengehäuse 6 ausgebildet. Das Komponentengehäuse 6 weist eine Gehäuseöffnung 7 auf, wobei sich in dieser Gehäuseöffnung 7 das Druckausgleichselement 3 befindet. Das Druckausgleichselement 3 ist mit einer Membran ausgebildet, die dafür sorgt, dass der Druck und die relative Luftfeuchte im Komponentengehäuse 6 nicht zu groß werden. Der elektrische Kontakt 5 ist am Druckausgleichselement 3 angeordnet, wobei der elektrische Kontakt 5 als einfache Leiterschleife 8 ausgebildet ist.
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Die 2 zeigt vorzugsweise eine Hochvoltkomponentenanordnung 1 im Falle eines auftretenden Kurzschlusses 10. Bei einem auftretenden Kurzschluss 10 entsteht oft ein elektrischer Lichtbogen, dieser elektrische Lichtbogen erzeugt nachteilshaft aufgrund eines Energieumsatzes einen Druckimpuls. Dieser Druckimpuls kann die empfindliche Membran, welche vorzugsweise im Druckausgleichelement 3 ausgebildet ist, zerstören. Wenn das Druckausgleichselement 3 in Folge des auftretenden Kurzschlusses 10 zerstört werden sollte, erfolgt eine Unterbrechung der Leiterschleife 8 und somit auch des elektrischen Kontaktes 5. Somit wird eine Reihe von Schutzmaßnahmen eingeleitet. Beispielweise wird der Fahrzeugnutzer mittels einer Warneinrichtung davon in Kenntnis gesetzt, dass der Antriebsstrang geöffnet wird und das Fahrzeug ausrollt.
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Die 3 zeigt einen typischen Aufbau einer Hochvoltsicherheitsarchitektur 13, in der eine beispielhafte Hochvoltkomponentenanordnung 1 angebracht ist. Der elektrische Leiter 4, welcher vorzugsweise mit dem elektrischen Kontakt 5 ausgebildet ist, ist über einem pyrotechnischen Trennelement 14 mit einer Klemme 30c 11 verbunden. Die Klemme 30c 11 sorgt bei einer Unterbrechung des elektrischen Leiters 4 dafür, dass eine Trennung im Hochvoltkreis der Hochvoltkomponente 2 von der Hochvoltbatterie 12 eingeleitet wird (z.B. durch das Öffnen der Hochvoltschütze). Dadurch soll gewährleistet werden, dass an der Hochvoltkomponente 2 und an keinen anderen Komponenten des Fahrzeugs eine gefährliche Spannung anliegt. Dadurch könnten Sekundärschäden am Fahrzeug eingedämmt oder komplett vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltkomponentenanordnung
- 2
- Hochvoltkomponente
- 3
- Druckausgleichselement
- 4
- elektrischer Leiter
- 5
- elektrischer Kontakt
- 6
- Komponentengehäuse
- 7
- Gehäuseöffnung
- 8
- Leiterschleife
- 9
- Hochvoltabschaltvorrichtung
- 10
- Kurzschluss
- 11
- Klemme 30c
- 12
- Hochvoltbatterie
- 13
- Hochvoltsicherheitsarchitektur
- 14
- pyrotechnisches Trennelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015016606 A1 [0002]
- CN 000202923408 U [0003]
