DE102019120815A1

DE102019120815A1 - Trennvorrichtung, Bordnetz sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019120815A1
Application number: DE102019120815.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Pritscher; Christian Schardax
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung (4) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zum Trennen einer Traktionsbatterie (2) des Kraftfahrzeugs von einer Antriebsmaschine (3) des Kraftfahrzeugs, mit- einer Energieversorgungseinrichtung (8),- einer pyrotechnischen Abschalteinheit (5), welche zwischen der Traktionsbatterie (2) und der Antriebsmaschine (3) anordenbar ist und bei Auslösung dazu ausgelegt ist, die Traktionsbatterie (2) von der Antriebsmaschine (3) zu trennen;- einer Zündeinheit (7), welche bei Energiebeaufschlagung durch die Energieversorgungseinrichtung (8) dazu ausgelegt ist, die pyrotechnische Abschalteinheit (5) auszulösen, und- einem Wärmeerkennungskabel (9), welches mit der Zündeinheit (7) und der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch verbunden ist und welches dazu ausgelegt ist, die Zündeinheit (7) von der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch zu isolieren, solange eine Umgebungstemperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellwert unterschreitet, und die Zündeinheit (7) zur Energiebeaufschlagung mit der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch zu verbinden, sobald die Umgebungstemperatur dem vorbestimmten Temperaturschwellwert entspricht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft eine Trennvorrichtung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zum galvanischen Trennen einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs von einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze elektrisch antreibbarer Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen üblicherweise eine als Hochvoltbatterie ausgebildete Traktionsbatterie sowie eine elektrische Antriebsmaschine auf. Im Falle eines signifikanten Temperaturanstiegs in einer Umgebung der Traktionsbatterie, beispielsweise im Falle eines Fahrzeugbrands infolge eines Unfalls des Kraftfahrzeugs, muss die Traktionsbatterie galvanisch von der elektrischen Antriebsmaschine getrennt und damit abgeschaltet werden. Eine Abschaltleistung bzw. Trennleistung kann dabei durch Abschaltspannungen von bis zu 1000 V und Abschaltströme von bis zu 2000 A vorgegeben sein.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders energiesparende und zuverlässige Trennung einer Traktionsbatterie von einer elektrischen Antriebsmaschine, auch bei hohen Trennleistungen, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Trennvorrichtung, ein Bordnetz 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 Figur.
Eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug dient zum galvanischen Trennen einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs von einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs. Die Trennvorrichtung weist eine Energieversorgungseinrichtung und eine pyrotechnische Abschalteinheit auf, welche in einem Strompfad zwischen der Traktionsbatterie und der Antriebsmaschine anordenbar ist und bei Auslösung dazu ausgelegt ist, die Traktionsbatterie von der Antriebsmaschine galvanisch zu trennen. Außerdem umfasst die Trennvorrichtung eine Zündeinheit, welche bei Energiebeaufschlagung durch die Energieversorgungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die pyrotechnische Abschalteinheit auszulösen. Darüber hinaus umfasst die Trennvorrichtung ein Wärmeerkennungskabel, welches mit der Zündeinheit und der Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbunden ist und welches dazu ausgelegt ist, die Zündeinheit von der Energieversorgungseinrichtung elektrisch zu isolieren, solange eine Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Traktionsbatterie einen vorbestimmten Temperaturschwellwert unterschreitet, und die Zündeinheit zur Energiebeaufschlagung mit der Energieversorgungseinrichtung elektrisch zu verbinden, sobald die Umgebungstemperatur dem vorbestimmten Temperaturschwellwert entspricht.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend eine Traktionsbatterie, eine über einen Strompfad mit der Traktionsbatterie elektrisch verbundene elektrische Antriebsmaschine und eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung.
Die Trennvorrichtung ist dazu ausgelegt, bei einem Fehlerfall die Traktionsbatterie von der elektrischen Antriebmaschine elektrisch zu trennen. Der Fehlerfall ist durch einen signifikanten Umgebungstemperaturanstieg gekennzeichnet, bei welchem die Umgebungstemperatur in der Umgebung der Traktionsbatterie zumindest den vorbestimmten Schwellwert erreicht, insbesondere sogar übersteigt. Ein solcher Temperaturanstieg kann beispielsweise durch einen Fahrzeugbrand infolge eines Unfalls des Kraftfahrzeugs hervorgerufen werden. Die Traktionsbatterie ist insbesondere eine Hochvoltbatterie mit einer Spannungslage von zumindest 100 V. Die Energiespeichereinrichtung der Trennvorrichtung ist beispielsweise eine Bordnetzbatterie, insbesondere eine Niedervoltbatterie, mit einer Spannungslage von beispielsweise 12 V.
Im Strompfad zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Antriebsmaschine ist die pyrotechnische Abschalteinheit angeordnet. Bei Abwesenheit des Fehlerfalls, also wenn die Umgebungstemperatur den Temperaturschwellwert unterschreitet, ist die pyrotechnische Abschalteinheit unausgelöst, und die Traktionsbatterie ist elektrisch mit der Antriebsmaschine verbunden. Im Fehlerfall, also wenn die Umgebungstemperatur den Temperaturschwellwert erreicht hat, insbesondere überschreitet, wird die pyrotechnische Abschalteinheit ausgelöst und unterbricht somit die elektrische Verbindung bzw. den Strompfad zwischen der Traktionsbatterie und der Antriebsmaschine. Dazu ist die pyrotechnische Abschalteinheit insbesondere dazu ausgelegt, Ströme bis zur Betriebsstromgrenze des Kraftfahrzeugs zu schalten. Die pyrotechnische Abschalteinheit ist also für hohe Trennleistungen bzw. Abschaltleistungen ausgelegt.
Zum Auslösen der Abschalteinheit ist die Zündeinheit vorgesehen. Die Zündeinheit ist beispielsweise eine Zündpille bzw. ein Brückenzünder. Sobald die Zündeinheit mit elektrischer Energie, welche von der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, beaufschlagt wird, löst sie die pyrotechnische Abschalteinheit aus, welche daraufhin den Strompfad zwischen der Traktionsbatterie und der Antriebsmaschine unterbricht. Zum Bereitstellen der Energiebeaufschlagung für die Zündeinheit im Fehlerfall ist das Wärmeerkennungskabel vorgesehen. Ein solches Wärmeerkennungskabel ist auch unter der Bezeichnung „Linear Heat Detector“, „Linear Detection Wire“ oder „Linear Heat Detection Cable“ bekannt. Das Wärmeerkennungskabel ist dabei dazu ausgelegt, ohne elektrische Energiezufuhr und lediglich über Hitzebeaufschlagung, die elektrische Verbindung zwischen der Zündeinheit und der Energieversorgungseinrichtung bereitzustellen. Das Wärmeerkennungskabel weist in vorteilhafter Weise keinen Ruhestromverbrauch auf.
Vorzugsweise weist das Wärmeerkennungskabel zwei elektrische Leiter auf, welche bei Unterschreitung des Temperaturschwellwerts über einen Isolator elektrisch voneinander separiert sind. Ein erster Leiter ist mit der Zündeinheit elektrisch verbunden und ein zweiter Leiter ist mit der Energieversorgungseinrichtung elektrisch verbunden. Der Isolator weist einen Schmelzpunkt auf, welcher dem Temperaturschwellwert entspricht, und ist dazu ausgelegt, bei Erreichen des Temperaturschwellwerts zum elektrischen Verbinden des ersten und des zweiten Leiters zu schmelzen.
Der Isolator, welcher insbesondere ein wärmesensitives Polymer aufweist und welcher die zwei Leiter elektrisch isoliert, schmilzt zumindest abschnittsweise, sobald die Umgebungstemperatur an zumindest einem Abschnitt des Wärmeerkennungskabels den Temperaturschwellwert und damit den Schmelzpunkt überschreitet. Der Isolator kann beispielsweise zwei Folien aufweisen, wobei jeweils eine Folie einen Leiter umgibt. Die mit der Folie umgebenen Leiter sind vorzugsweise verdrillt. Sobald der Isolator zumindest in einem Abschnitt geschmolzen ist, berühren sich die zwei Leiter und werden somit elektrisch verbunden. Durch die elektrische Verbindung der Leiter des Wärmeerkennungskabels wird die elektrische Verbindung zwischen der Zündeinheit und der Energieversorgungseinrichtung bereitgestellt.
Insbesondere erstreckt sich der Isolator zumindest über eine Hälfte einer Länge des Wärmeerkennungskabels. Der Isolator kann sich auch über die gesamte Länge des Wärmeerkennungskabels erstrecken. So kann in weiten Bereichen des Bordnetzes, in welchen das Wärmeerkennungskabel verlegt ist, der beispielsweise unfallbedingte Umgebungstemperaturanstieg erkannt werden. So kann die Traktionsbatterie frühzeitig abgeschaltet werden, auch wenn die Quelle des Umgebungstemperaturanstiegs, beispielsweise ein Brandherd, noch von der Traktionsbatterie entfernt liegt.
Zur Erfindung gehört außerdem ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Trennvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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 Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1
1 zeigt ein Bordnetz 1 für ein hier nicht gezeigtes, elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Das Bordnetz 1 weist eine Traktionsbatterie 2 und eine elektrische Antriebsmaschine 3 auf. Die Traktionsbatterie 2 und die elektrische Antriebsmaschine 3 sind über eine Trennvorrichtung 4 miteinander verbunden. Die Trennvorrichtung 4 ist dazu ausgelegt, im Fehlerfall die Traktionsbatterie 2 von der elektrischen Antriebsmaschine 3 galvanisch zu trennen. Der Fehlerfall ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umgebungstemperatur in der Umgebung der Traktionsbatterie 2 zumindest einem vorbestimmten Temperaturschwellwert entspricht. Der Temperaturschwellwert kann so gewählt sein, dass er auf einen Brand im Kraftfahrzeug hinweist.
Die Trennvorrichtung 4 weist eine pyrotechnische Abschalteinheit 5 auf, welche in einem Strompfad 6 zwischen der elektrischen Antriebsmaschine 3 und der Traktionsbatterie 2 angeordnet ist und welche für hohe Abschaltleistungen ausgelegt ist. Die pyrotechnische Abschalteinheit 5 wird von einer Zündeinheit 7 der Trennvorrichtung 4 aktiviert, sobald die Umgebungstemperatur den Temperaturschwellwert erreicht hat. Die Zündeinheit 7 wird aktiviert, indem sie von einer Energieversorgungseinrichtung 8 der Trennvorrichtung 4 mit elektrischer Energie beaufschlagt wird. Die Energieversorgungseinrichtung 8 kann eine Niedervoltbordnetzbatterie, beispielsweise eine 12 V-Batterie, sein. Die Zündeinheit 7 und die Energieversorgungseinrichtung 8 sind über ein thermisch aktivierbares Wärmeerkennungskabel 9 miteinander verbunden. Ohne Vorliegen des Fehlerfalls isoliert das Wärmeerkennungskabel 9 die Energieversorgungseinrichtung 8 von der Zündeinheit 7. Sobald der Fehlerfall vorliegt, stellt das Wärmeerkennungskabel 9 die elektrische Verbindung zwischen der Energieversorgungseinrichtung 8 und der Zündeinheit 7 her. Das Wärmeerkennungskabel 9 wird dabei ausschließlich thermisch aufgrund der Umgebungstemperatur, welche zumindest dem Temperatuschwellwert entspricht, aktiviert. Eine Ansteuerung ist nicht notwendig.
Das Wärmeerkennungskabel 9 weist einen ersten elektrischen Leiter 10 auf, welcher mit der Zündeinheit 7 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten elektrischen Leiter 11 auf, welcher mit der Energieversorgungseinrichtung 8 elektrisch verbunden ist. Die elektrischen Leiter 10, 11 sind abseits des Fehlerfalls über einen Isolator 12 elektrisch isoliert. Der Isolator 12 kann beispielsweise ein hitzesensitives Polymer sein. Der Isolator 12 weist einen Schmelzpunkt auf, welcher dem Temperaturschwellwert entspricht. Sobald an einem Abschnitt des Wärmeerkennungskabels 9 die Umgebungstemperatur zumindest dem Temperaturschwellwert entspricht, so schmilzt der Isolator 12 dort. In diesem Abschnitt werden dann der erste und der zweite Leiter 10, 11 elektrisch verbunden. Dadurch werden auch die Zündeinheit 7 und die Energieversorgungseinrichtung 8 elektrisch miteinander verbunden, wodurch die Zündeinheit 7 mit Energie aus der Energieversorgungseinrichtung 8 beaufschlagt wird. Infolgedessen löst die Zündeinheit 7 die pyrotechnische Abschalteinheit 5 aus, welche wiederum die elektrische Antriebsmaschine 3 und die Traktionsbatterie 2 galvanisch trennt. Der Isolator 12 kann somit als eine Parallelschaltung einer Vielzahl thermisch aktivierbarer Schalter S(T) interpretiert werden. Wenn der Isolator 12 auch nur in einem Abschnitt schmilzt, so entspricht dies einem Schließen eines Schalters S(T) in diesem Abschnitt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Zündeinheit 7 und der Energieversorgungseinrichtung 8 hergestellt wird.

Claims

Trennvorrichtung (4) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug zum galvanischen Trennen einer Traktionsbatterie (2) des Kraftfahrzeugs von einer Antriebsmaschine (3) des Kraftfahrzeugs, mit - einer Energieversorgungseinrichtung (8), - einer pyrotechnischen Abschalteinheit (5), welche in einem Strompfad (6) zwischen der Traktionsbatterie (2) und der Antriebsmaschine (3) anordenbar ist und bei Auslösung dazu ausgelegt ist, die Traktionsbatterie (2) von der Antriebsmaschine (3) elektrisch zu trennen, - einer Zündeinheit (7), welche bei Energiebeaufschlagung durch die Energieversorgungseinrichtung (8) dazu ausgelegt ist, die pyrotechnische Abschalteinheit (5) auszulösen, und - einem Wärmeerkennungskabel (9), welches mit der Zündeinheit (7) und der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch verbunden ist und welches dazu ausgelegt ist, die Zündeinheit (7) von der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch zu isolieren, solange eine Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Traktionsbatterie (2) einen vorbestimmten Temperaturschwellwert unterschreitet, und die Zündeinheit (7) zur Energiebeaufschlagung mit der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch zu verbinden, sobald die Umgebungstemperatur dem vorbestimmten Temperaturschwellwert entspricht.
Trennvorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeerkennungskabel (9) zwei elektrische Leiter (10, 11) aufweist, welche bei Unterschreitung des Temperaturschwellwerts über einen Isolator (12) elektrisch voneinander separiert sind, wobei ein erster Leiter (10) mit der Zündeinheit (7) elektrisch verbunden ist und ein zweiter Leiter (11) mit der Energieversorgungseinrichtung (8) elektrisch verbunden ist, und wobei der Isolator (12) einen Schmelzpunkt aufweist, welcher dem Temperaturschwellwert entspricht, und dazu ausgelegt ist, bei Erreichen des Temperaturschwellwerts zum elektrischen Verbinden des ersten und des zweiten Leiters (10, 11) zu schmelzen.
Trennvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (12) ein wärmesensitives Polymer aufweist.
Trennvorrichtung (4) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (12) eine erste Folie aufweist, welche den ersten Leiter (10) umgibt, und eine zweite Folie aufweist, welche den zweiten Leiter (11) umgibt, wobei der erste Leiter (10) und der zweite Leiter (11) miteinander verdrillt sind.
Trennvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Isolator (12) zumindest über eine Hälfte einer Länge des Wärmeerkennungskabels (9) erstreckt.
Bordnetz (1) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend eine Traktionsbatterie (2), eine über einen Strompfad (6) mit der Traktionsbatterie (2) verbundene elektrische Antriebsmaschine (3) und eine Trennvorrichtung (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug aufweisend ein Bordnetz (1) nach Anspruch 6.