DE102019113763A1

DE102019113763A1 - Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs, Hochvoltbordnetz sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019113763A1
Application number: DE102019113763.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sudan; Johannes Goepfert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung (1) für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Schalteinheit (3) mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter (LHS) zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung (2) des Hochvoltbordnetzes, und eine zu der Schalteinheit (3) parallele Überspannungsschutzeinheit (8), welche dazu ausgelegt ist, in einem Fehlerfall des Hochvoltbordnetzes die Spannung (U) an der Schalteinheit (3) unterhalb einer Durchbruchspannung des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters (LHS) zu begrenzen und welche als eine zweistufige Klemmschaltung (9) mit einer ersten Stufe (S1) sowie einer überbrückbaren zweiten Stufe (S2) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Schalteinheit mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes, eine Steuereinheit zum Schalten der Schalteinheit und eine parallel zu der Schalteinheit geschaltete Überspannungsschutzeinheit. Die Überspannungsschutzeinheit weist einen von einer Spannung an der Schalteinheit abhängigen Widerstand auf und ist dazu ausgelegt, in einem Fehlerfall des Hochvoltbordnetzes die Spannung an der Schalteinheit beim Abschalten der Schalteinheit zum Unterbrechen der Versorgungsleitung unterhalb einer Durchbruchspannung der Schalteinheit zu begrenzen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Hochvoltkomponenten eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Elektromotoren, Klimaanlagen, Scheinwerfer etc., werden über elektrische Versorgungsleitungen mit einem Hochvoltspeicher des Hochvoltbordnetzes verbunden. Dieser Hochvoltspeicher stellt elektrische Energie zur Energieversorgung der Hochvoltkomponenten bereit. Bei einem Defekt oder Fehler einer Hochvoltkomponente kann es vorkommen, dass über die Versorgungsleitungen ein Fehlerstrom in Form von einem Überstrom, beispielsweise ein Kurzschlussstrom, fließt, durch welchen die Versorgungsleitungen der defekten Hochvoltkomponente des Hochvoltbordnetzes sowie die defekte Hochvoltkomponente selbst weiter geschädigt werden können. Auch kann der Überstrom zu einer Hitzeentwicklung im Hochvoltbordnetz führen, wodurch sich die Gefahr eines Brandes des Kraftfahrzeugs ergibt.
Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Sicherungen zu verwenden, welche bei Vorliegen des Überstroms auslösen und die defekte Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher trennen können. Solche Sicherungen können beispielsweise Schmelzsicherungen sein, welche in der Versorgungsleitung zwischen dem Hochvoltspeicher und der Hochvoltkomponente oder in einem Hochvoltverteiler angeordnet sind. Auch können solche Sicherungen Schutzschaltungen mit Leistungshalbleiterschaltern sein, welche zum Unterbrechen der Versorgungsleitung und damit zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Hochvoltspeicher und der Hochvoltkomponente geöffnet bzw. in einen Sperrzustand versetzt werden können. Solche Leistungshalbleiterschalter ermöglichen ein präzises Auslösen bei Überstrom. Außerdem können Leistungshalbleiterschalter, im Gegensatz zu Schmelzsicherungen, nach dem Auslösen wieder rückgestellt werden.
Um die Versorgungsleitung zuverlässig unterbrechen zu können und dabei den Leistungshalbleiterschalter vor einer Zerstörung durch eine Überspannung schützen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter ein Überspannungsschutzelement zu schalten. Dieses Überspannungsschutzelement kann beispielsweise ein Varistor oder eine Suppressordiode sein und durch Ableiten des Überstroms die an dem Leistungshalbleiterschalter abfallende Spannung begrenzen. Solche Überspannungsschutzelemente weisen einen ersten Spannungsbereich, in welchem sie im Wesentlichen isolieren bzw. einen Leckstrom aufweisen, und einen zweiten, höherliegenden Spannungsbereich, in welchem sie leitend werden und den Strom ableiten können, auf. Ein Widerstand der Überspannungsschutzelemente soll in dem zweiten Spannungsbereich möglichst klein sein, um den Strom gut ableiten zu können. Überspannungsschutzelemente mit kleinem Widerstand weisen jedoch einen größeren unerwünschten Leckstrom im Normalbetrieb des Leistungshalbleiterschalters auf.
Bei Überspannungsschutzelementen mit kleinem Leckstrom sind der Widerstand und damit eine am dem Überspannungsschutzelement anliegende Spannung, bei welcher das Überspannungsschutzelement den Strom leitet, groß. Da diese Spannung, ab welcher das Überspannungsschutzelement leitet, auch an dem Leistungshalbleiterschalter anliegt, muss die Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterschalters entsprechend hoch sein, sodass der Leistungshalbleiterschalter nicht vor Ansprechen des Überspannungsschutzelementes zerstört wird. Solche Leistungshalbleiterschalter mit hoher Durchbruchspannung weisen jedoch hohe Durchlasswiderstände und damit hohe Leitungsverluste auf und sind zudem sehr teuer.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs besonders zuverlässig, kostengünstig und verlustarm zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzschaltung, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Schalteinheit mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes, eine Steuereinheit zum Schalten der Schalteinheit, und eine parallel zu der Schalteinheit geschaltete Überspannungsschutzeinheit. Die Überspannungsschutzeinheit weist einen von einer Spannung an der Schalteinheit abhängigen Widerstand auf und ist dazu ausgelegt, in einem Fehlerfall des Hochvoltbordnetzes die Spannung an der Schalteinheit beim Abschalten der Schalteinheit zum Unterbrechen der Versorgungsleitung unterhalb einer Durchbruchspannung des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters zu begrenzen. Die Überspannungsschutzeinheit ist als eine zweistufige Klemmschaltung mit einer ersten Stufe sowie einer überbrückbaren zweiten Stufe ausgebildet. Die zweistufige Klemmschaltung ist dazu ausgelegt, mittels der ersten Stufe und der überbrückten, inaktiven zweiten Stufe einen beim Abschalten der Schalteinheit auf die erste Stufe kommutierten Strom sowie die Spannung an der Schalteinheit zu reduzieren, durch Freigeben bzw. Aufheben der Überbrückung der zweiten Stufe die Spannung an der Schalteinheit zum Verringern des Widerstands der Klemmschaltung wieder zu erhöhen, und mittels der ersten und der freigegebenen zweiten Stufe den reduzierten Strom weiter zu reduzieren und dabei die erhöhte Spannung wieder zu reduzieren.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Hochvoltkomponente, einen über eine Versorgungsleitung mit der zumindest einen Hochvoltkomponente elektrisch verbundenen Hochvoltspeicher und zumindest eine erfindungsgemäße Schutzschaltung oder eine vorteilhafte Ausführungsform davon. Die zumindest eine Hochvoltkomponente kann beispielsweise eine Klimaanlage, ein Elektromotor, ein Scheinwerfer, etc. des insbesondere elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs sein.
Zum Versorgen der Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes kann jede Hochvoltkomponente über eine erste elektrische Versorgungsleitung mit einem ersten Pol, beispielsweise einem Pluspol, des Hochvoltspeichers und über eine zweite elektrische Versorgungsleitung mit einem zweiten Pol, beispielsweise einem Minuspol, des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden sein. Die Hochvoltkomponenten können über Versorgungsleitungen ebenfalls miteinander verbunden sein. Die Schalteinheit der Schutzschaltung („Solid State Circuit Breaker“- SSCB), welche den zumindest einen Leistungshalbleiterschalter aufweist, kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, die Hochvoltkomponente allpolig oder einpolig zu trennen. Zum allpoligen Trennen ist zumindest ein Leistungshalbleiterschalter in jeder der Versorgungsleitungen angeordnet. Zum einpoligen Trennen ist zumindest ein Leistungshalbleiterschalter in einer der Versorgungsleitungen angeordnet. Auch kann die Schalteinheit dazu ausgelegt sein, die jeweilige Versorgungsleitung unidirektional oder bidirektional zu trennen. Beim bidirektionalen Unterbrechen kann die Schalteinheit einen Stromfluss in beide Richtungen, also von der Hochvoltkomponente weg und zur Hochvoltkomponente hin, unterbinden. Beim unidirektionalen Unterbrechen kann die Schalteinheit einen Stromfluss in nur eine Richtung unterbinden. Zum bidirektionalen Trennen kann die Schalteinheit beispielsweise zumindest zwei antiserielle Leistungshalbleiterschalter aufweisen.
Der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter der Schalteinheit ist vorzugsweise als ein IGBT („Insulated Gate Bipolar Transistor“- Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder als ein Leistungs-MOSFET mit einer Durchbruchspannung von höchstens der doppelten Bordnetzspannung, beispielsweise höchstens 900 V, ausgebildet. Die Durchbruchspannung ist eine Sperrspannung des Leistungshalbleiterschalters, bei deren Überschreitung ein Sperrstrom des Leistungshalbleiterschalters stark ansteigt und dadurch der Leistungshalbleiterschalter nicht mehr sperrt. Leistungshalbleiterschalter mit einer Durchbruchspannung von höchstens 900 V sind in vorteilhafter Weise deutlich kostengünstiger als Leistungshalbleiterschalter mit einer Durchbruchspannung von mehr als der doppelten Bordnetzspannung, beispielsweise 1200 V. Leistungshalbleiterschalter umfassen üblicherweise einen Steueranschluss, welchem eine Steuerspannung bzw. Gate-Spannung zum Schalten, also zum Öffnen und/oder Schließen, des Leistungshalbleiterschalters bereitgestellt werden kann. Im Falle eines IGBTs und eines Leistungs-MOSFETs wird der Steueranschluss durch eine Gate-Elektrode bzw. einen Gate-Anschluss gebildet. Um dem Steueranschluss bzw. Gate-Anschluss die Steuerspannung zuzuführen, weist die Schutzschaltung die Steuereinheit auf. Die Steuereinheit kann beispielsweise in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein. Die Steuereinheit kann aber auch eigenständig sein und beispielsweise über einen Bus mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs kommunizieren.
Im angeschalteten Zustand der Schalteinheit ist der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter geschlossen bzw. leitet der zumindest einen Leistungshalbleiterschalter, wodurch die Versorgungsleitung verbunden ist und beispielsweise die Hochvoltkomponente elektrisch mit dem Hochvoltspeicher verbindet. Im geschlossenen Zustand des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters liegt nur eine geringe Spannung in Form von einer, Durchlassverluste des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters charakterisierenden, Verlustspannung an dem Leistungshalbleiterschalter an. Im abgeschalteten Zustand der Schalteinheit ist der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter geöffnet bzw. sperrt der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter, wodurch die Versorgungsleitung unterbrochen ist und beispielsweise die Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher trennt. Im geöffneten Zustand des Leistungshalbleiterschalters liegt an dem Leistungshalbleiterschalter als die Spannung eine Sperrspannung an, welche der Bordnetzspannung des Hochvoltbordnetzes entspricht. Die Bordnetzspannung kann beispielsweise einen Wert zwischen 450 V und 550 V aufweisen.
Bei einem Fehler bzw. kritischen Ereignis in dem Hochvoltbordnetz, beispielsweise bei einem durch ein defekte Hochvoltkomponente verursachten Kurzschluss, soll die Versorgungsleitung der Hochvoltkomponente durch die Schalteinheit unterbrochen werden, um die defekte Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher zu trennen. In einem solchen Fehlerfall steigt die Spannung an dem Leistungshalbleiterschalter beim Abschalten über die Bordnetzspannung an. Um nun zu verhindern, dass der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter beim Abschalten durch eine Überspannung geschädigt wird, weist die Schutzschaltung die Überspannungsschutzeinheit auf. Die Überspannung ist eine Spannung an dem Leistungshalbleiterschalter, welche nicht nur die Bordnetzspannung, sondern auch die Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterschalters überschreitet. Die Überspannungsschutzeinheit ist parallel zu der Schalteinheit geschaltet und dazu ausgelegt, zum Begrenzen bzw. Klemmen der im Fehlerfall an dem Leistungshalbleiterschalter abfallenden Spannung einen Strom an dem Leistungshalbleiterschalter vorbeizuleiten und zu verringern.
Dabei wird als die Überspannungsschutzeinheit eine zweistufige Klemmschaltung verwendet, welche zwei seriell zueinander schaltbare Stufen aufweist. Die Klemmschaltung weist in einem ersten Spannungsbereich einen inaktiven Zustand bzw. isolierenden Zustand auf, in welchem ihr relativer bzw. dynamischer Widerstand hoch, idealerweise unendlich hoch, ist und in einem zweiten Spannungsbereich einen aktiven Zustand bzw. leitenden Zustand auf, in welchem ihr dynamischer Widerstand klein, idealerweise null, ist. Der Übergang zwischen dem ersten Spannungsbereich und dem zweiten Spannungsbereich ist durch eine Trennspannung gekennzeichnet, welche an der Klemmschaltung anliegt. Sobald die Spannung an der Klemmschaltung die Trennspannung überschreitet, geht die Klemmschaltung von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand über. Die nun an der aktivierten Klemmschaltung anliegende Spannung, auch als Klemmspannung bezeichnet, kann durch die aktive Klemmschaltung reduziert werden. Dabei steigt der dynamische Widerstand, welcher in dem aktiven Zustand der Klemmschaltung dynamisch ist, wieder an. Sobald die Klemmspannung wieder auf die Bordnetzspannung abgesunken ist, geht die Klemmschaltung wieder in den inaktiven Zustand über.
Im Normalbetrieb der Schalteinheit, ohne Vorliegen des Fehlerfalls im Hochvoltbordnetz, ist die Schalteinheit angeschaltet und leitet einen Strom nahe eines vorbestimmten Nennstromes. Im Normalbetrieb ist die Klemmschaltung inaktiv und zumindest die erste Stufe ist parallel zur Schalteinheit geschaltet, die zweite Stufe kann zugeschaltet bzw. freigegeben oder abgeschaltet bzw. überbrückt sein. An der Schalteinheit liegt als Spannung nur die sehr kleine Verlustspannung, beispielsweise 0,5 V, an. Da der dynamische Widerstand der Klemmschaltung, welcher hier je nach Zustand der zweiten Stufe zumindest dem Widerstand der ersten Stufe entspricht, nicht unendlich groß ist und die Spannung am Leistungshalbleiterschalter zumindest auch an der ersten Stufe der Klemmschaltung anliegt, fließt ein kleiner Teil des Stromes zumindest über die erste Stufe der Klemmschaltung.
Sobald der Fehlerfall in dem Hochvoltbordnetz erkannt wurde, steuert die Steuereinheit der Schutzschaltung die Schalteinheit zum Abschalten und die zweite Stufe, falls sie im Normalbetrieb freigegeben und damit seriell zu der ersten Stufe geschaltet war, zum Wegschalten bzw. Überbrücken an. Durch das Überbrücken der zweiten Stufe wird ein dynamischer Widerstand der Klemmschaltung reduziert. Durch das Abschalten der Schalteinheit steigt die Spannung an der Schalteinheit. Sobald die Spannung an der Schalteinheit, welche auch an der ersten Stufe anliegt, die Trennspannung der Klemmschaltung, welche durch die erste Stufe vorgegeben wird, überschreitet, sinkt der Widerstand der ersten Stufe schlagartig. Der über den Nennstrom angestiegene Strom kommutiert von einem Zweig, in welchem die Schutzschaltung angeordnet ist, auf einen Zweig, in welchem die erste Stufe angeordnet ist, über. Die erste Stufe reduziert durch das Ableiten des Stroms auch die Spannung an der Schalteinheit. Die Trennspannung der ersten Stufe entspricht höchstens der Durchbruchspannung des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters, also hier höchstens 900 V, sodass die Spannung an dem Leistungshalbleiterschalter stets unter der Durchbruchspannung gehalten bzw. „festgeklemmt“ wird.
Je mehr die Klemmspannung in Richtung der Bordnetzspannung absinkt und damit eine Differenz zwischen Klemmspannung und Bordnetzspannung verringert wird, desto größer wird wieder der Widerstand der ersten Stufe und damit der Klemmschaltung. Würde der Überspannungsschutz nur durch die erste Stufe übernommen, so würde mit Erreichen der Bordnetzspannung die Klemmschaltung wieder in den inaktiven Zustand übergehen und der nun fließende Strom würde als Leckstrom über die erste Stufe fließen. Dieser Leckstrom ist jedoch aufgrund des geringen Widerstands der ersten Stufe unerwünscht hoch.
Daher wird vor Erreichen der Bordnetzspannung, also bevor die Klemmschaltung von dem aktiven in den inaktiven Zustand übergeht, die zweite Stufe freigegeben. In dem freigegebenen Zustand ist die zweite Stufe nicht mehr überbrückt. Die erste Stufe und die zweite Stufe sind nun seriell zueinander geschaltet. Dadurch erhöht sich die abgesunkene Spannung an der Schutzschaltung und damit an der Klemmschaltung wieder, bleibt aber unterhalb der Durchbruchspannung des zumindest einen Leistungshalbleiterschalters. Durch das Erhöhen der Spannung an der Klemmschaltung verringert sich deren dynamischer Widerstand wieder schlagartig und behält den aktiven Zustand bei. Der Strom wird weiter reduziert und die Klemmspannung an der Serienschaltung der zwei Stufen nimmt wieder ab. Sobald die Klemmspannung die Bordnetzspannung erreicht hat, geht die Klemmschaltung in den inaktiven Zustand bzw. den Isolationszustand über. Der nun über die Klemmschaltung fließende Leckstrom ist nahe null und damit in vorteilhafter Weise sehr klein.
Durch das Aufteilen des Strom- und Spannungsabbaus auf die zwei Stufen weist jede Stufe einen im Vergleich zur gesamten Klemmschaltung kleineren Widerstand auf. Durch Überbrücken der zweiten Stufe können also der Widerstand der Klemmschaltung und damit die Trennspannung der Klemmschaltung verringert werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein kostengünstiger Leistungshalbleiterschalter mit verringerter Durchbruchspannung verwendet werden kann. Durch Zusammenschalten beider Stufen kann der Widerstand der Klemmschaltung wieder erhöht werden und somit in vorteilhafter Weise eine Klemmschaltung mit geringem Leckstrom bereitgestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schutzschaltung eine Strommesseinheit zur Erfassung eines durch die Schalteinheit fließenden Stroms aufweist und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, den Fehlerfall anhand des von der Strommesseinheit erfassten Stroms zu erkennen und die Schalteinheit nach Erkennen des Fehlerfalls zum Abschalten anzusteuern. Die Strommesseinheit kann beispielsweise einen seriell zu der Schalteinheit geschalteten Strommesswiderstand bzw. Shunt-Widerstand aufweisen. Beispielsweise kann der Fehlerfall von der Steuereinheit erkannt werden, wenn der von dem Strommesswiderstand erfasste Strom einen vorbestimmten Schwellstrom überschreitet. Durch das Erkennen des Fehlerfalls innerhalb der Schutzschaltung kann diese besonders schnell reagieren und die Versorgungsleitung unterbrechen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Klemmschaltung einen durch die Steuereinheit steuerbaren Überbrückungsschalter auf, welcher parallel zu der zweiten Stufe geschaltet ist. Die erste Stufe ist seriell zu der Parallelschaltung aus Überbrückungsschalter und zweiter Stufe geschaltet, wobei der Überbrückungsschalter im Leitzustand dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe zu überbrücken, und in einem Sperrzustand dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe durch serielles Verbinden mit der ersten Stufe freizugeben. Vorzugsweise ist der steuerbare Überbrückungsschalter bzw. Klemmschalter als ein Halbleiterschalter ausgebildet. Insbesondere weist jede Stufe jeweils ein Überspannungsschutzelement, beispielsweise einen Varistor oder eine Suppressordiode, auf. Im Normalbetrieb der Schalteinheit kann der Überbrückungsschalter geöffnet sein bzw. sperren oder geschlossen sein bzw. leiten. Spätestens, wenn der Fehlerfall erkannt wurde, wird der Überbrückungsschalter in den Leitzustand versetzt, sodass er die parallel geschaltete zweite Stufe, also das parallel geschaltete zweite Überspannungsschutzelement, überbrückt. Der auf den Zweig mit der Klemmschaltung kommutierte Strom fließt also über die erste Stufe, beispielsweise das erste Überspannungsschutzelement, und den leitenden bzw. geschlossenen Überbrückungsschalter. Zum Beenden der Überbrückung der zweiten Stufe wird der Überbrückungsschalter geöffnet bzw. in den Sperrzustand versetzt und die zwei Stufen werden seriell zueinander geschaltet. Der bereits durch die erste Stufe reduzierte Strom fließt nun über beide Stufen.
Beispielsweise können die Überspannungsschutzelemente derart dimensioniert sein und der Überbrückungsschalter derart angesteuert werden, dass ein erstes Überspannungsschutzelement der ersten Stufe im abgeschalteten Zustand der zweiten Stufe dazu ausgelegt ist, den Strom um etwa zwei Drittel zu reduzieren. Das restliche Drittel (bis auf den nicht vermeidbaren Leckstrom) wird dann von der Reihenschaltung aus beiden Überspannungsschutzelementen übernommen. Eine aus zwei Überspannungsschutzelementen und einem Überbrückungsschalter gebildete Klemmschaltung ist besonders einfach und kostengünstig.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe freizugeben, sobald eine Zeitdauer einer vorbestimmten Zeitdauerschwelle entspricht und/oder sobald der reduzierte Strom einer vorbestimmten Stromschwelle entspricht und/oder sobald die Spannung einer vorbestimmten Spannungsschwelle entspricht. Die Spannungsschwelle ist insbesondere größer, vorzugsweise um mindestens 5%, als eine Bordnetzspannung des Hochvoltbordnetzes. Die Zeitdauerschwelle, die Stromschwelle und die Spannungsschwelle sind dabei so gewählt, dass die Klemmschaltung bei Erreichen dieser Werte noch nicht in den inaktiven Zustand übergeht. Die Zeitdauerschwelle kann beispielsweise 10 µs betragen. Bei Erkennen des Fehlerfalls bleibt die zweite Stufe über die Zeitdauerschwelle weggeschaltet und wird dann zugeschaltet. Auch kann der durch die Klemmschaltung fließende Strom überwacht werden. Der Strom kann beispielsweise durch die Strommesseinheit, anhand welcher auch der Fehlerfall erkannt wird, überwacht werden. Dazu kann der Strommesswiderstand seriell zu der Parallelschaltung aus Schalteinheit und Klemmschaltung geschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Spannung an der Schalteinheit und/oder an der Klemmschaltung überwacht werden.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz umfasst. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schutzschaltung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung; und
2 eine Darstellung von Strom- und Spannungsverläufen der Schutzschaltung.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schutzschaltung 1 für ein hier nicht gezeigtes Hochvoltbordnetz. Die Schutzschaltung 1 kann auch als SSCB bzw. Solid State Circuit Breaker bezeichnet werden. Das Hochvoltbordnetz ist insbesondere in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet und kann eine Vielzahl von Hochvoltkomponenten umfassen. Die Hochvoltkomponenten können beispielsweise eine Klimaanlage, ein Elektromotor oder ein Scheinwerfer des Kraftfahrzeugs sein. Die Hochvoltkomponenten können von einem hier nicht gezeigten Hochvoltspeicher des Hochvoltbordnetzes mit elektrischer Energie versorgt werden. Jede Hochvoltkomponente ist über jeweilige Versorgungsleitungen 2 mit Polen des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden. Zum Schützen des Hochvoltbordnetzes bei einem Defekt der Hochvoltkomponente weist das Hochvoltbordnetz die Schutzschaltung 1 auf, welche eine Schalteinheit 3 umfasst. Die Schalteinheit 3 ist über einen ersten Anschluss A1 mit der Hochvoltkomponente und über einen zweiten Anschluss A2 mit einem Pol, beispielsweise einem Minuspol, des Hochvoltspeichers elektrisch verbunden. Die Schalteinheit 3 umfasst einen Leistungshalbleiterschalter LHS und ist dazu ausgelegt, die Versorgungsleitung 2 im Fehlerfall, beispielsweise bei einem Kurzschluss in dem Hochvoltbordnetz, zu unterbrechen und damit die Hochvoltkomponente von dem Hochvoltspeicher zu trennen.
Der Leistungshalbleiterschalter LHS umfasst einen Steueranschluss 4, einen Zufluss-Anschluss 5, welcher hier mit dem zweiten Anschluss A2 der Schutzschaltung 1 elektrisch verbunden ist und einen Abfluss-Anschluss 6, welcher hier mit dem ersten Anschluss A1 der Schutzschaltung elektrisch verbunden ist. Der Leistungshalbleiterschalter LHS ist im vorliegenden Fall als ein Leistungs-MOSFET mit einem Steueranschluss 4 in Form von einem Gate-Anschluss G, einem Zufluss-Anschluss 5 in Form von einem Source-Anschluss S und einem Abfluss-Anschluss 6 in Form von einem Drain-Anschluss D ausgebildet. Der Leistungshalbleiterschalter LHS kann auch als ein IGBT ausgebildet sein. Im Falle des IGBTs wird der Zufluss-Anschluss 5 durch einen Emitter-Anschluss und der Abfluss-Anschluss 6 durch einen Kollektor-Anschluss gebildet.
Über den Steueranschluss 4 kann dem Leistungshalbleiterschalter LHS eine Steuerspannung U_s zum Öffnen und/oder Schließen des Leistungshalbleiterschalters LHS zugeführt werden. Im geöffneten bzw. sperrenden Zustand des Leistungshalbleiterschalters LHS ist die Versorgungsleitung 2 unterbrochen, im geschlossenen bzw. leitenden Zustand des Leistungshalbleiterschalters LHS ist die Versorgungsleitung 2 verbunden. Die Steuerspannung U_s kann dem Steueranschluss 4 durch eine Steuereinheit 7 der Schutzschaltung 1 bereitgestellt werden.
Um zu verhindern, dass in dem Fehlerfall, in welchem der Leistungshalbleiterschalter LHS die Versorgungsleitung 2 unterbrechen soll, der Leistungshalbleiterschalter LHS durch eine, eine Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterschalters LHS übersteigende Überspannung geschädigt wird, weist die Schutzschaltung 1 eine Überspannungsschutzeinheit 8 auf. Die Überspannungsschutzeinheit 8 ist parallel zu der Schalteinheit 3 zwischen den ersten Anschluss A1 und den zweiten Anschluss A2 geschaltet. Die Überspannungsschutzeinheit 8 weist einen spannungsabhängigen, dynamischen Widerstand auf. In einem inaktiven Zustand der Überspannungsschutzeinheit 8 ist ihr Widerstand derart groß, sodass sie keinen Strom bzw. nur einen geringen Leckstrom führt. Im aktiven Zustand der Überspannungsschutzeinheit 8 ist ihr Widerstand sehr klein, sodass sie Strom führt. Im aktiven Zustand ist die Überspannungsschutzeinheit 8 dazu ausgelegt, die an der Schalteinheit 3 anliegende Spannung durch Ableiten eines im Fehlerfall über die Schutzschaltung 1 fließenden Stroms zu reduzieren und dabei stets unter der Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterschalters LHS zu halten.
Die Überspannungsschutzeinheit 8 ist hier als eine zweistufige Klemmschaltung 9 mit einer ersten Stufe S1 und einer zweiten Stufe S2 ausgebildet. Die erste Stufe S1 weist ein erstes Überspannungsschutzelement V1 auf und die zweite Stufe V2 weist ein zweites Überspannungsschutzelement V2 auf. Die Überspannungsschutzelemente V1, V2 sind hier als Varistoren ausgebildet. Die Überspannungsschutzelemente V1, V2 können aber beispielsweise auch als Suppressordioden ausgebildet sein. Parallel zu der zweiten Stufe S2 ist ein Überbrückungsschalter 10 geschaltet, welcher ebenfalls als ein Halbleiterschalter ausgebildet ist. Der Überbrückungsschalter 10 ist durch die Steuereinheit 7 anschaltbar und abschaltbar. Im angeschalteten bzw. leitenden Zustand des Überbrückungsschalters 10 ist die zweite Stufe S2 überbrückt bzw. kurzgeschlossen und die erste Stufe S1 ist seriell zu dem Überbrückungsschalter 10 geschaltet. Im abgeschalteten bzw. sperrenden Zustand des Überbrückungsschalters 10 ist die zweite Stufe S2 seriell zu der ersten Stufe S1 geschaltet und damit nicht mehr überbrückt.
Das Abbauen der Überspannung wird anhand eines Spannungsverlaufes 11 und eines Stromverlaufes 12 der Schutzschaltung 1 gemäß 2 gezeigt. In dem Spannungsverlauf 11 ist ein Verlauf der Spannung U an der Schutzschaltung 1 über die Zeit t gezeigt, in dem Stromverlauf 12 ist ein Verlauf des Stromes I durch die Schutzschaltung 1 über die Zeit t gezeigt. In einer ersten Phase P1 befindet sich die Schalteinheit 3 in einem Normalbetrieb, ist angeschaltet und führt einen Strom I nahe des Nennstromes I_N. Ein geringer Leckstrom fließt, bei geschlossenem Zustand des Überbrückungsschalters 10, über die erste Stufe S1 und den Überbrückungsschalter 10. Die Spannung U an der Schalteinheit 3 ist sehr klein und entspricht einer Verlustspannung Uv, beispielsweise 0,5 V, des Leistungshalbleiterschalters LHS. In einer zweiten Phase P2 tritt hier ein Fehlerfall in Form von einem Kurzschluss in der mit der Schalteinheit 3 verbundenen Hochvoltkomponente ein. Der Strom I durch die Schutzschaltung 1 nimmt schnell zu, bis ein Trennstrom I_T erreicht wird. Eine Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes I ist im Wesentlichen abhängig von einer Leitungsinduktivität der Versorgungsleitung 2. Die Spannung U am Leistungshalbleiterschalter 3 nimmt leicht zu.
Zu Beginn einer dritten Phase P3 wird der Kurzschluss, beispielsweise über eine Messung des über die Schalteinheit 3 fließenden Stromes, durch die Steuereinheit 7 erkannt. Der über die Schalteinheit 3 fließende Strom kann beispielsweise über einen seriell zu der Schalteinheit 3 in der Versorgungsleitung 2 angeordneten Strommesswiderstand bzw. Shunt-Widerstand 13 (siehe 1) gemessen werden und der Steuereinheit 7 zugeführt werden. Diese kann den Fehlerfall erkennen, wenn der gemessene Strom I den vorbestimmten Trennstrom I_T erreicht hat. Bei Erkennung des Fehlerfalls schaltet die Steuereinheit 7 die Schalteinheit 3 ab, indem die Steuereinheit 7 den Leistungshalbleiterschalter LHS zum Öffnen bzw. Sperren ansteuert. Dadurch steigt die Spannung U an der Schutzschaltung 1, also an dem Leistungshalbleiterschalter LHS und damit auch an der Klemmschaltung 9, über einen Wert der Bordnetzspannung U_BN , welche beispielsweise 500 V beträgt, bis hin zu einer Trennspannung U_T .
Sobald die Spannung U in der Schutzschaltung 1 die Trennspannung U_T erreicht hat, sinkt der Widerstand der Klemmschaltung 9, wodurch die Klemmschaltung 9 in den aktiven Zustand übergeht. Der Strom I kommutiert auf die erste Stufe S1 und den spätestens jetzt durch die Steuereinheit 7 geschlossenen Überbrückungsschalter 10 über. Die Trennspannung U_T ist dabei derart gewählt, dass sie kleiner als die Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterschalters LHS, beispielsweise 900 V, ist. Der Strom I fließt hier nun über den Varistor V1 der ersten Stufe S1 und den Überbrückungsschalter 10 und nimmt dabei ab, solange die Spannung U an der Klemmschaltung 9, also die Klemmspannung, über der Bordnetzspannung U_BN liegt. Aufgrund des dynamischen Widerstands des Varistors V1 im aktiven Zustand der Klemmschaltung 9 nimmt die Klemmspannung U ausgehend von der Trennspannung U_T mit dem Strom I ab. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer t_d , beispielsweise 10 µs, und/oder bei Erreichen einer Stromschwelle I_sw und/oder bei Erreichen einer Spannungsschwelle U_sw wird zu Ende der dritten Phase P3 bzw. zu Beginn einer vierten Phase P4 der Überbrückungsschalter 10 von der Steuereinheit 7 abgeschaltet bzw. in einen sperrenden Zustand versetzt. Die Spanungsschwelle U_sw liegt dabei oberhalb der Bordnetzspannung U_BN und beträgt bei einer Bordnetzspannung U_BN von 500 V beispielsweise 520 V.
In der vierten Phase P4 fließt der Strom I aufgrund des geöffneten bzw. sperrenden Überbrückungsschalters 10 in Reihe über die erste Stufe S1 und die zweite Stufe S2 und damit hier über beide Varistoren V1, V2. Die Spannung U an der Klemmschaltung 9 bzw. die Klemmspannung nimmt sprungartig, beispielsweise 50%, wieder zu, bleibt aber unter der maximalen Trennspannung U_T , also beispielsweise unter 900 V. Aufgrund der nun wieder höheren Spannungsdifferenz zwischen der Bordnetzspannung U_BN und der Klemmspannung U nimmer der Strom I nun wieder schneller ab, bis er nahe null ist. In einer fünften Phase P5 ist die Schalteinheit 3 abgeschaltet, also der Leistungshalbleiterschalter LHS sperrt, und es fließt noch ein geringer Leckstrom I_L über die Klemmschaltung 9
Bezugszeichenliste

1: Schutzschaltung
2: Versorgungsleitung
3: Schalteinheit
4: Steueranschluss
5: Zufluss-Anschluss
6: Abfluss-Anschluss
7: Steuereinheit
8: Überspannungsschutzeinheit
9: Klemmschaltung
10: Überbrückungsschalter
11: Spannungsverlauf
12: Stromverlauf
13: Messwiderstand
LHS: Leistungshalbleiterschalter
D: Drain-Anschluss
G: Gate-Anschluss
S: Source-Anschluss
A1, A2: Anschlüsse der Schutzschaltung
S1, S2: Stufen
V1, V2: Überspannungsschutzelemente, hier Varistoren
U, U_BN, U_T, U_V, U_sw: Spannungen
I, I_T, I_sw, I_L: Ströme
t: Zeit
t_d: Zeitraum
P1, P2, P3, P4, P5: Phasen

Claims

Schutzschaltung (1) für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweisend - eine Schalteinheit (3) mit zumindest einem Leistungshalbleiterschalter (LHS) zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung (2) des Hochvoltbordnetzes, - eine Steuereinheit (7) zum Schalten der Schalteinheit (3), und - eine parallel zu der Schalteinheit (3) geschaltete Überspannungsschutzeinheit (8), welche einen von einer Spannung (U) an der Schalteinheit (3) abhängigen Widerstand aufweist und welche dazu ausgelegt ist, in einem Fehlerfall des Hochvoltbordnetzes die Spannung (U) an der Schalteinheit (3) beim Abschalten der Schalteinheit (3) zum Unterbrechen der Versorgungsleitung (2) unterhalb einer Durchbruchspannung des zumindest einen Leistungshalbleiterschalter (LHS) zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinheit (8) als eine zweistufige Klemmschaltung (9) mit einer ersten Stufe (S1) sowie einer überbrückbaren zweiten Stufe (S2) ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, - mittels der ersten Stufe (S1) und der überbrückten zweiten Stufe (S2) einen beim Abschalten der Schalteinheit (3) auf die erste Stufe (S1) kommutierten Strom (I) sowie die Spannung (U) an der Schalteinheit (3) zu reduzieren, - durch Freigeben der zweiten Stufe (S2) die Spannung (U) an der Schalteinheit (3) zum Verringern des Widerstands der Klemmschaltung (9) wieder zu erhöhen, und - mittels der ersten Stufe (S1) und der freigegebenen zweiten Stufe (S2) den reduzierten Strom (I) weiter zu reduzieren und dabei die erhöhte Spannung (U) wieder zu reduzieren.
Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Leistungshalbleiterschalter (LHS) als ein Leistungs-MOSFET oder IGBT ausgebildet ist und eine Durchbruchspannung von höchstens 900 V aufweist.
Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (1) eine Strommesseinheit zur Erfassung eines durch die Schalteinheit (3) fließenden Stroms aufweist und die Steuereinheit (7) dazu ausgelegt ist, den Fehlerfall anhand des von der Strommesseinheit erfassten Stroms zu erkennen und die Schalteinheit (3) nach Erkennen des Fehlerfalls zum Abschalten anzusteuern.
Schutzschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschaltung (9) einen durch die Steuereinheit (7) steuerbaren Überbrückungsschalter (10) aufweist, welcher parallel zu der zweiten Stufe (S2) geschaltet ist, und die erste Stufe (S1) seriell zu der Parallelschaltung aus Überbrückungsschalter (10) und zweiter Stufe (S2) geschaltet ist, wobei der Überbrückungsschalter (10) in einem Leitzustand dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe (S2) zu überbrücken, und in einem Sperrzustand dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe (S2) durch serielles Verbinden mit der ersten Stufe (S1) freizugeben.
Schutzschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Überbrückungsschalter (10) als ein Halbleiterschalter ausgebildet ist.
Schutzschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) dazu ausgelegt ist, die zweite Stufe (S2) freizugeben, sobald eine Zeitdauer (t) einer vorbestimmten Zeitdauerschwelle (t_d) entspricht und/oder sobald der durch die erste Stufe (S1) reduzierte Strom (I) einer vorbestimmten Stromschwelle (I_sw) entspricht und/oder sobald die durch die erste Stufe (S1) reduzierte Spannung (U) einer vorbestimmten Spannungsschwelle (U_sw) entspricht.
Schutzschaltung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsschwelle (U_sw) größer ist als eine Bordnetzspannung des Hochvoltbordnetzes.
Schutzschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stufe (S1, S2) jeweils ein Überspannungsschutzelement (V1, V2) aufweist.
Schutzschaltung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzelemente (V1, V2) als Varistoren oder Suppressordioden ausgebildet sind.
Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest eine Hochvoltkomponente, einen über zumindest eine Versorgungsleitung (2) mit der zumindest einen Hochvoltkomponente elektrisch verbundenen Hochvoltspeicher und zumindest eine Schutzschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz nach Anspruch 10.