DE102018221426A1 - Anordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug - Google Patents

Anordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung, ein System und ein Verfahren zum Schalten einer Hochvoltbatterie 201 bereitgestellt, sowie ein Fahrzeug, das eine solche Schaltungsanordnung und ein solches System aufweist. Die Schaltungsanordnung weist einen Transistor zum Leiten eines Stroms von der Batterie 201 zu einem Verbraucher und eine Diode 202 zum Leiten eines Rückstroms in die Batterie 201 auf. Die Schaltungsanordnung ist konfiguriert, einen Vorladestrom durch gepulstes Schalten des Transistors 203 zur Verfügung zu stellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug, ein System mit einer Hochvoltbatterie, einer Schaltanordnung und einem Verbraucherkreis und ein Fahrzeug, das ein solche Anordnung oder solch ein System aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden und ein Verfahren zum Trennen einer Batterie.
  • Der Ausdruck „Schalten einer Batterie“, also Einschalten bzw. Ausschalten einer Batterie wird hier für das Verbinden bzw. Trennen der Batterie mit einem Verbraucherkreis verwendet. Analog wird unter Verbinden bzw. Trennen der Batterie das Verbinden bzw. Trennen mit einem Verbraucherkreis verstanden. Ein Verbraucherkreis weist beispielsweise einen Elektromotor, Steuerschaltungen, Spannungswandler und weitere Verbraucher im Fahrzeug auf und weist typischerweise Kapazitäten und Induktivitäten auf.
  • Hochvoltbatterien in Fahrzeugen werden üblicherweise mechanisch bzw. elektromechanisch über Schalter getrennt bzw. mit dem Verbraucherkreis verbunden. Die Schalter sind sowohl am Plus- als auch am Minuspol der Batterie angeordnet. Typischerweise werden als Schalter Relais verwendet. Da durch ein Relais eine Verbindung ohne Richtungssinn hergestellt wird, erhält der Schaltkreis am Pluspol zwei Pfade mit je einem Schalter. Ein Pfad dient hierbei zum Vorladen (Precharge) der Kapazitäten der nachfolgenden Schaltung, während der andere für den Zeitraum nach dem Vorladen vorgesehen ist. Somit sind insgesamt drei Relais notwendig; eins für den Vorlade-Pfad und eins für den Durchschaltepfad am Pluspol sowie eins am Minuspol. Die Verbindungen sind dabei bidirektional, das heißt, der Strom kann in jedem Pfad sowohl zur Batterie hin fließen oder von der Batterie weg und zum Verbraucherkreis hin fließen.
  • Der Vorlade-Schaltkreis dient der Begrenzung des Einschaltstroms, der z.B. bei hochkapazitiven Verbrauchern beim Anlegen einer hohen Spannung entsteht. Hierzu wird beispielsweise ein Widerstand verwendet, der in dem Vorlade-Pfad angeordnet wird. Sobald die Kapazitäten geladen sind, wird auf den anderen Pfad ohne Widerstand umgeschaltet, so dass im weiteren zeitlichen Verlauf keine Verluste und keine Hitze am Widerstand entstehen.
  • Die Ansteuerung von drei Relais ist aufwändig. Ferner sind Relais anfällig für Verschleiß und der Vorlade-Strom ist nicht regelbar.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und effiziente Schaltungsanordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung, ein System, ein Kraftfahrzeug und Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Schaltungsanordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist eine Vorladeschaltung auf, die zum Anschluss an einen ersten Pol der Hochvoltbatterie und zum Vorladen eines Verbrauchers eingerichtet ist, mit einem Transistor zum Leiten eines Stroms von der Batterie zu dem Verbraucher und einer zum Transistor antiparallel angeordneten Diode zum Leiten eines Rückstroms in die Batterie.
  • Mit dieser Anordnung wird ein elektronisches Schalten ermöglicht, so dass Energie von der Batterie zu einem Verbraucher über die Drain-Source-Strecke des Transistors transportiert wird. Sowohl das Einschalten als auch das Ausschalten werden ohne mechanische Komponenten realisiert. Weiterhin ermöglicht die Diode einen Rückfluss von Energie aus dem Verbraucherkreis, d.h., aus dem an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Schaltkreis in die Batterie. Ein solcher Rückfluss kann z.B. von einer weiteren Batterie in dem angeschlossenen Schaltkreis, von Induktionen im Verbraucherkreis oder von einem Ladevorgang herrühren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor ein Siliziumkarbid-MOSFET (Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)-Halbleiter (SiC-MOSFET), und die Diode ist in den Siliziumkarbid-MOSFET-Halbleiter integriert. SiC-MOSFETs weisen eine relativ große Robustheit auf und eignen sich zudem gut für hohe Schaltfrequenzen. Weiterhin weist ein SiC-MOSFET deutlich geringere Leistungsverluste auf. Reduzierte Leistungsverluste führen durch geringeren Kühlaufwand zu einem höheren Wirkungsgrad und zu geringeren Systemkosten und -größen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Transistor konfiguriert, um bei einem Einschalten des Verbrauchers während einer Vorladephase gepulst zu schalten.
  • Die Vorladephase kann hierbei insbesondere eine Phase sein, in der die Kapazitäten des Verbraucherkreises geladen werden, und solange andauern, bis diese hinreichend geladen sind. Hinreichend bedeutet hierbei, dass bei einem permanenten Durchschalten des Transistors, was einer zweiten Phase entspricht, keine unzulässig hohen Ströme fließen. Hierbei kann eine Sicherheitsmarge berücksichtigt werden.
  • Durch das Pulsen werden definiert nach und nach die Kapazitäten geladen und somit ein geringer und kontrollierter Strom nahezu verlustfrei zum Vorladen an den Verbraucherkreis abgegeben. Hierdurch wird ein Widerstand zum Vorladen überflüssig. Das Ansteuern eines zweiten Schalters, wie z.B. ein Relais, bzw. ein Umschalten zwischen zwei Schaltern, entfällt. Somit kann die Schaltungsanordnung zum Beispiel zwei Pfade ersetzen, also sowohl die direkte Verbindung als auch den Vorladepfad am Pluspol der Batterie und ermöglicht zusätzlich einen Energiefluss zur Batterie. Wird ein SiC-MOSFET mit integrierter Inversdiode verwendet, ist hierfür lediglich ein Bauelement notwendig. Weiterhin ist die gute Schaltfähigkeit von SiC-MOSFETs insbesondere im Pulsbetrieb für das Vorladen von Vorteil.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltungsanordnung einen Schalter auf, der zum Anschluss an einen zweiten Pol der Hochvoltbatterie eingerichtet ist. Der Schalter wird beispielsweise durch ein Relais realisiert. Hierdurch kann bei Bedarf der Stromrückfluss verhindert werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein System zum Schalten einer Hochvoltbatterie bereitgestellt. Das System weist eine oben beschriebene Schaltungsanordnung, eine Hochvoltbatterie, und einen Verbraucherkreis auf, wobei der erste Pol der Hochvoltbatterie mit der Vorladeschaltung verbindbar ist, und wobei die Vorladeschaltung mit einer positiven Leitung des Verbraucherkreises verbindbar ist. Der Verbraucherkreis weist kapazitive Eigenschaften auf.
  • Dieser Aspekt beinhaltet also die Schaltungsanordnung mit der Batterie auf der einen Schaltungsanordnungseite und der Verbraucherkreis auf der anderen Schaltungsanordnungseite, wobei die Schaltungsanordnung das Bindeglied zwischen Batterie und Verbraucherkreis darstellt. Insbesondere wird die Schaltungsanordnung mit dem Pluspol der Batterie einerseits und der positivien Versorgungsleitung des Verbraucherkreises verbunden. Die Schaltungsanordnung berücksichtigt durch die Vorladeschaltung insbesondere die kapazitiven Eigenschaften des Verbraucherkreises.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der zweite Pol der Hochvoltbatterie in dem System mit einem Relais verbindbar, und das Relais ist mit einer negativen Leitung des Verbraucherkreises verbindbar. Der zweite Pol kann insbesondere der negative Pol der Batterie sein, der über das Relais mit der negativen Leitung des Verbraucherkreises verbunden werden kann. Durch dieses Relais kann der Stromkreis über die Batterie, d.h. der Stromfluss von oder zu der Batterie getrennt werden.
  • Gemäß einem Aspekt wird in einem Verfahren zum Verbinden einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug mit einer oben beschriebenen Anordnung in einer ersten Phase während des Verbindens der Transistor gepulst geschaltet und in einer zweiten Phase während des Verbindens der Transistor durchgeschaltet. Unter „durchschalten“ wird hierbei verstanden, dass der Transistor leitend geschaltet ist. Durch das gepulste Schalten wird in der ersten Phase das Vorladen ermöglicht. In der zweiten Phase ist die Batterie über den leitenden Transistor mit dem Verbraucherkreis verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Phase abgeschlossen, wenn der Verbraucher annähernd oder vollständig geladen ist. Der Zweck der ersten Phase, in der der Strom gepulst über die Transistoren fließt, ist, dass die Batterie und die elektronischen Bauteile, einschließlich der Leitungen, durch den Stromfluss zu den Kapazitäten nicht überlastet werden. Andererseits nähert sich der Stromfluss beim Laden einer Kapazität asymptotisch der Null. Somit soll der kapazitive Verbraucher so lange gepulst geladen werden, bis sicher gestellt ist, dass keine Überlastungen auftreten, wobei dies nicht bei 100% Aufladung sein muss.
  • Gemäß einem Aspekt wird in einem Verfahren zum Trennen einer Hochvoltbatterie in einem Fahrzeug mit einer oben beschriebenen Anordnung der Transistor gesperrt, und ein Rückstrom über die Diode zur Batterie geleitet.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine oben beschriebene Schaltanordnung aufweist. Ein Fahrzeug kann hierbei beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Fahrzeug mit hybridem Antrieb, ein LKW oder ein Bus sein. Die Fahrzeuge können weiterhin oberleitungs- oder schienengebunden sein. Unter Fahrzeugen werden im weiteren Sinn auch elektrisch angetriebene Boote oder Flugzeuge bzw. Flugmaschinen verstanden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Schaltungsanordnung zum Verbinden und Trennen einer Hochvoltbatterie,
    • 2 eine Schaltungsanordnung und ein System zum Verbinden und Trennen einer Hochvoltbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 3 ein Blockschaltbild eines Verfahren zum Verbinden einer Hochvoltbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 4 ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Trennen einer Hochvoltbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 5 ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung bzw. einem System gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt eine typische Schaltungsanordnung zum Verbinden und Trennen einer Hochvoltbatterie 101. Die Schaltungsanordnung weist drei Schalter 102, 103, 104 auf. Zum Verbinden der Batterie werden zunächst der Schalter 104 am Minuspol und der Schalter 102 am Pluspol geschlossen. Die Batterie 101 kann dann Strom über den Widerstand 105 an den Verbraucherkreis abgeben, wobei durch den Widerstand 105 ein Vorladen der Kapazitäten des Verbraucherkreises erfolgt. Nach dem Vorladen wird der Vorladezweig 102, 105 durch Schließen des Schalters 103 überbrückt. Beim Trennen der Batterie 101 wird zunächst Schalter 103 geöffnet. Der Rückstrom kann über den Widerstand 105 und den geschlossenen Schalter 102 zur Batterie 101 fließen. Zur endgültigen Trennung werden die Schalter 102 und 104 geöffnet.
  • 2 zeigt eine Schaltungsanordnung und ein System zum Verbinden und Trennen einer Hochvoltbatterie 201 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsanordnung weist einen nicht-elektronischen Schalter, z.B. einen mechanischen Schalter oder ein Relais 205 und einen elektronischen Schalter, z.B. einen Transistor 203 auf. In einer Ausführungsform ist der elektronische Schalter 203 zusammen mit einer Diode 202 in ein Bauelement, zum Beispiel in einen SiC MOSFET 204 integriert. Es können aber auch andere Hochleistungstransistoren eingesetzt werden, wie z.B. IGBTs oder geeignete Feldeffekttransistor-Varianten. Die integrierte Diode 202 ist z.B. eine Diode, die aufgrund ihrer Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des Transistors auch als Inversdiode oder als „Body-Diode“ bezeichnet wird.
  • Der Schalter 205 kann in der Regel geschlossen sein, er kann aber bei Bedarf zur vollständigen Trennung der Batterie 201 geöffnet werden. Wird die Batterie 201 verbunden, wird an das Gate des Transistors 203 ein pulsförmiges Signal angelegt, so dass mit kurzen Stromschüben die Kapazitäten des Verbraucherkreises vorgeladen werden. Die effektive Stromstärke kann durch die Pulsweiten gesteuert werden, bis die Kapazitäten geladen sind. Es ist daher z.B. möglich, die Stromstärke anfangs durch kurze Pulse zu regulieren und die Pulse bis hin zu einem statischen Signal allmählich zu verlängern, so dass nach der Vorladephase der Transistor dauerhaft durchgeschaltet ist, d.h., wenn kein Vorladestrom mehr oder nur noch wenig Vorladestrom fließt. Alternativ könnte der Strom auch über eine analoge Gatespannung gesteuert werden. In diesem Fall wird eine Ansteuerschaltung für die Gatespannung benötigt, die den Batteriestrom beim Einschalten zunächst stark begrenzt und die Begrenzung dann allmählich reduziert.
  • Zum Trennen der Hochvoltbatterie 201 wird der Transistor 203 über die Gatespannung gesperrt. Der Rückwärtsstrom kann nun über die integrierte Diode 202 zur Batterie 201 hin fließen. Über den Schalter 205 kann die Batterie 201 zusätzlich mechanisch getrennt werden. Dies kann beispielsweise genutzt werden, wenn kein Stromrückfluss in die Batterie gewünscht ist.
  • Das System zum Schalten einer Hochvoltbatterie weist in einer Ausführungsform eine Schaltungsanordnung mit zumindest einer Vorladeschaltung 204, eine Hochvoltbatterie 201 und einen Verbraucherkreis 206 mit kapazitiven Eigenschaften auf. Die Schaltungsanordnung kann weiterhin den Schalter 205 aufweisen.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahren zum Verbinden einer Hochvoltbatterie nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren wird mit der in 2 beschriebenen Anordnung durchgeführt. In einer ersten Phase 301 während des Verbindens wird der Transistor 203 gepulst geschaltet. In dieser Phase werden die Kapazitäten des Verbraucherkreises vorgeladen. In einer zweiten Phase 302 während des Verbindens der Transistor 203 durchgeschaltet. Dies entspricht dem Normalbetrieb mit angeschlossenem Verbraucher, wie zum Beispiel einem Motor oder weiteren Schaltkreisen wie Spannungswandler und weiteren Verbrauchern.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahren zum Trennen einer Hochvoltbatterie 201 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren wird mit der in 2 beschriebenen Anordnung durchgeführt. Zum Trennen wird lediglich in 401 der Transistor 203 gesperrt. Der Rückstrom kann über die Diode 202 zur Batterie fließen. Hier wird der Vorteil der Anordnung besonders deutlich, da kein weiteres Schalten bzw. keine weiteren Verfahrensschritte notwendig sind.
  • 5 zeigt ein Fahrzeug 500 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 500 weist eine Batterie 501 und eine Schaltung 502 auf, die der Schaltungsanordnung nach 2 entspricht und einen oben beschriebenen Transistor 203 mit einer Diode 202 enthält. In einer Ausführungsform enthält die Schaltungsanordnung ferner einen mechanischen bzw. elektromechanischen Schalter, wie z.B. ein Relais 205.
  • Die Hochvoltbatterie 201 kann sich an einer geeigneten Position im Fahrzeug befinden, wie z.B. in der Nähe der Vorderachse oder der Hinterachse. Die Schaltungsanordnung befindet sich vorzugsweise in der Nähe der Batterie, so dass die an den Polen der Batterie potentialtragenden Leitungen kurz sind. Generell kann die Schaltung auch örtlich entfernt von der Batterie angeordnet sein.

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung zum Schalten einer Hochvoltbatterie (201), aufweisend: eine Vorladeschaltung (204), eingerichtet zum Anschluss an einen ersten Pol der Hochvoltbatterie (201) und zum Vorladen eines Verbrauchers, mit einem Transistor (203) zum Leiten eines Stroms von der Batterie (201) zu dem Verbraucher und einer zum Transistor antiparallel angeordneten Diode (202) zum Leiten eines Rückstroms in die Batterie (201).
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Transistor (203) ein Siliziumkarbid-MOSFET-Halbleiter ist und die Diode (202) in den Siliziumkarbid-MOSFET-Halbleiter (203) integriert ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transistor (203) konfiguriert ist, bei einem Verbinden der Batterie (201) während einer Vorladephase gepulst zu schalten.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: ein Relais (205), eingerichtet zum Anschluss an einen zweiten Pol der Hochvoltbatterie (201).
  5. System (201, 204, 206) zum Schalten einer Hochvoltbatterie (201), aufweisend: eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1-4, eine Hochvoltbatterie (201), und einen Verbraucherkreis (206), wobei der erste Pol der Hochvoltbatterie (201) mit der Vorladeschaltung (204) verbindbar ist, die Vorladeschaltung (204) mit einer positiven Leitung des Verbraucherkreises (206) verbindbar ist, und wobei der Verbraucherkreis (206) kapazitive Eigenschaften aufweist.
  6. System (201, 204, 206) nach Anpruch 5, wobei der zweite Pol der Hochvoltbatterie (201) mit einem Relais (205) verbindbar ist, und das Relais (205) mit einer negativen Leitung des Verbraucherkreises (206) verbindbar ist.
  7. Kraftfahrzeug (500), aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder ein System nach Anspruch 5 oder 6.
  8. Verfahren (301, 302) zum Verbinden einer Hochvoltbatterie (201) mit einem Verbraucherkreis (206) in einem Kraftfahrzeug (500) durch eine Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4 oder einem System nach Anspruch 5 oder 6, wobei in einer ersten Phase (301) während des Verbindens der Transistor (203) gepulst geschaltet wird und in einer zweiten (302) Phase während des Verbindens der Transistor (203) durchgeschaltet wird.
  9. Verfahren (301, 302) nach Anspruch 8, wobei die erste Phase (301) abgeschlossen ist, wenn der Verbraucher (206) annähernd oder vollständig geladen ist.
  10. Verfahren (401) zum Trennen einer Hochvoltbatterie (201) in einem Kraftfahrzeug (500) mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4 oder einem System nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Transistor (203) gesperrt wird, und ein Rückstrom über die Diode (202) zur Batterie (201) geleitet wird.
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