-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochvolt-Schaltbox für ein Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Sogenannte Hochvolt-Schaltboxen fungieren in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen als Schnittstelle zwischen Batteriezellen eines Speichersystems und einem Hochvolt-Bordnetz. Solche Hochvolt-Schaltboxen können beispielsweise Trennelemente, Absicherungen, Messtechnik sowie eine sicherheitsrelevante Steuerelektronik umfassen. Zudem können solche Hochvolt-Schaltboxen ein Batteriesteuergerät umfassen, welches relevante Daten eines Batteriesystems, wie beispielsweise von einem Strom- und Spannungssensor oder Zellcontrollern, erfassen kann. Darüber hinaus können solche Hochvolt-Schaltboxen einen Strom-Spannungs-Sensor aufweisen, welcher Daten für das Batteriemanagement liefern kann. Daneben können solche Hochvolt-Schaltboxen auch zum Beispiel eine Ansteuerung für eine elektrische Heizung des Hochvoltspeichers sowie weitere elektrische Komponenten, die für das Öffnen und Schließen von Hochvoltstrompfaden dienen, aufweisen.
-
Ferner umfassen solche Hochvolt-Schaltboxen üblicherweise auch Schaltschütze oder anderweitige Mittel, die im Fehlerfall einen Stromfluss unterbrechen können. Wesentlich bei solchen Hochvolt-Schaltboxen ist, dass diese im Fehlerfall zuverlässig einen Stromfluss unterbrechen können.
-
Schalt-, Mess- und Sicherungskomponenten solcher Hochvolt-Schaltboxen werden üblicherweise geometrisch so in einem Gehäuse untergebracht, dass die Luft- und Kriechstreckenvorgaben nach DIN EN 60664 berücksichtigt werden. Im Fall eines Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz wird der anliegende Kurzschlussstrom entweder durch thermische Auslösung einer Schmelzsicherung oder durch einen Hochvolt-Schütz unterbrochen, welcher dabei oftmals thermisch zerstört wird. Über einer Unterbrechungsstrecke brennt dabei üblicherweise ein Lichtbogen, oftmals auch als primärer Lichtbogen bezeichnet. Sekundärlichtbögen zwischen auf Plus- und Massepotential liegenden Bauteilen innerhalb der Hochvolt-Schaltbox sollten dabei ausgeschlossen werden.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochvolt-Schaltbox für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei welcher Sekundärlichtbögen zwischen auf Plus- und Massepotential liegenden Bauteilen zuverlässig verhindert werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Hochvolt-Schaltbox für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Hochvolt-Schaltbox sind insbesondere in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Hochvolt-Schaltbox für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Gehäuse, eine erste Schnittstelle zum elektrisch leitenden Verbinden der Hochvolt-Schaltbox mit einem Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs sowie eine zweite Schnittstelle zum elektrisch leitenden Verbinden der Hochvolt-Schaltbox mit einem Batteriezellen umfassenden Speichersystem des Kraftfahrzeugs. Zudem umfasst die Hochvolt-Schaltbox einen im Gehäuse angeordneten jeweilige Minuspole der Schnittstellen elektrisch leitend miteinander verbindenden Minuspfad sowie einen im Gehäuse angeordneten jeweilige Pluspole der Schnittstellen elektrisch leitend miteinander verbindenden Pluspfad. Des Weiteren umfasst die Hochvolt-Schaltbox eine Trenneinrichtung zum Unterbrechen eines Stromkreises, also eines Stromflusses, zwischen den Schnittstellen der Hochvolt-Schaltbox (10).
-
Zudem umfasst die Hochvolt-Schaltbox eine im Gehäuse angeordnete Trennwand aus einem elektrisch isolierenden Material, welche zum Unterbinden einer Ausbildung eines Lichtbogens zwischen dem Minuspfad und dem Pluspfad einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses in einen ersten Bereich, in welchem der Minuspfad angeordnet ist, und in einen zweiten Bereich, in welchem der Pluspfad angeordnet ist, unterteilt.
-
Durch das Vorsehen der Trennwand werden jeweilige Baugruppen des Pluspfads und des Minuspfads mit gleichem elektrischem Potential voneinander separiert. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass im Falle einer thermischen Zerstörung eine Sicherung und/oder eines Schaltschützes innerhalb der Hochvolt-Schaltbox Elektronen freigesetzt werden, die die umgebende Luft im Rahmen einer einhergehenden Druckwelle elektrisch kontaminieren. Diese kontaminierte Luft ist um ein Vielfaches leitfähiger als unkontaminierte Luft, wie sie als Eingangsgröße der DIN EN 60664 zugrunde liegt. Die auf unkontaminierte Luft ausgelegten Luft- und Kriechstrecken können dabei nicht ausreichen, um die eingangs erwähnten Sekundärlichtbögen zwischen jeweiligen auf Plus- und Massepotential liegenden Bauteilen auszuschließen, also Sekundärlichtbögen zwischen dem Pluspfad und dem Minuspfad auszuschließen. Tritt ein solcher Sekundärlichtbogen beispielsweise im Bereich vor jeweiligen Hauptschützen der Hochvolt-Schaltbox auf, so schließt er das die Batteriezellen umfassende Speichersystem, also die Hochvolt-Batterie, vor jeweiligen Schaltelementen kurz und brennt, bis die gesamte Batterieenergiemenge abgebaut ist. Bei aktuell in Elektrofahrzeugen üblichen Batteriegrößen können Lichtbögen mit elektrischen Leistungen von über 1 MW auftreten. Die entstehende Wärmewirkung könnte unter Umständen zu einem Fahrzeugbrand führen.
-
Die erfindungsgemäße Hochvolt-Schaltbox umfasst besagte Trennwand innerhalb des Gehäuses, welche zum Unterbinden einer Ausbildung eines Lichtbogens zwischen dem Minuspfad und dem Pluspfad den Gehäuseinnenraum des Gehäuses in die besagten Bereiche unterteilt, in welchen der jeweilige Minuspfad bzw. Pluspfad angeordnet ist. Dadurch wird eine räumliche Trennung zwischen Verbünden gleichen Potentials erzielt. Die Trennwand sorgt mit anderen Worten dafür, dass die Schaltbox im Inneren, also innerhalb des Gehäuses, in Kompartimente gleichen elektrischen Potentials aufgeteilt wird. Die bei einer thermischen Zerstörung von z.B. einer Sicherung oder eines Hochvolt-Schützes entstehende Druckwelle kann sich innerhalb des betreffenden Kompartiments in Ausgleichsvolumina abbauen, ohne dass die als Trennung fungierende Trennwand zwischen den Kompartimenten, also zwischen den jeweiligen Bereichen, zerstört und aufgehoben wird.
-
Der Erfindung liegt insbesondere auch die Erkenntnis zugrunde, dass es zu sogenannten Levitationen in Hochvolt-Schützen innerhalb von Hochvolt-Schaltboxen kommen kann. Ist ein Strom innerhalb der Hochvolt-Schaltbox groß genug, kann es zum spontanen Abheben jeweiliger Kontakte bei einem verbauten Schaltschütz kommen, wobei ein elektrischer Lichtbogen gezündet wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Trennwand kann auch in einem solchen Fall zuverlässig verhindern, dass es zu besagten Sekundärlichtbögen zwischen auf Plus- und Massepotential liegenden Bauteilen kommt, also zwischen jeweiligen Bauteilen des Pluspfads und des Minuspfads.
-
Die Trenneinrichtung kann einen zum Minuspfad gehörenden ersten Schaltschütz und/oder einen zum Pluspfad gehörenden zweiten Schaltschütz umfassen. Bei Bedarf kann mittels des betreffenden Schaltschützes ein Stromkreis der Hochvoltschaltbox unterbrochen werden, sodass keine Strom von der Batterie des Kraftfahrzeugs, also vom die Batteriezellen umfassenden Speichersystem, über die Hochvoltschaltbox zum Hochvoltbordnetz fließen kann.
-
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Trennwand mit jeweiligen Wänden des Gehäuses verbunden ist. Dadurch können die besagten Bereiche, in denen die jeweiligen Pfade, also der Pluspfad und der Minuspfad mit den entsprechenden Komponenten angeordnet ist, besonders zuverlässig voneinander getrennt angeordnet werden.
-
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Trennwand als Komponententräger ausgelegt ist, welcher mit jeweiligen Komponenten des Pluspfads und Minuspfads bestückbar ist. Die Trennwand kann an gegenüberliegenden Seiten beispielsweise entsprechende Aufnahmebereiche aufweisen, welche mit jeweiligen Komponenten des Pluspfads und Minuspfads bestückt werden können. Die als Komponententräger fungierende Trennwand kann also mit jeweiligen Komponenten des Pluspfads und Minuspfads bestückt werden, sodass eine Vormontagegruppe ausgebildet wird, welche danach ins Gehäuse der Hochvolt-Schaltbox gepackt werden kann. Dies kann die Montage der Hochvolt-Schaltbox erleichtern.
-
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Pluspfad und der Minuspfad jeweilige Stromschienen aufweisen, die an jeweiligen elektrischen Verbindern angeschlossen sind. Die Stromschienen können in Kunststoff eingehaust sein.
-
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Trennreinrichtung ein pyrotechnisches Trennelement zum Unterbrechen des Pluspfads und/oder Minuspfads aufweist. Sollte ein kritischer Betriebszustand im Hochvoltsystem oder bei der Hochvolt-Batterie auftreten, so kann das pyrotechnische Trennelement den Stromfluss innerhalb der Hochvolt-Schaltbox besonders schnell unterbrechen. Der funktionale Wert des pyrotechnischen Trennelements liegt vor allem in der Trennfähigkeit auf der Rückfallebene. Falls die Kombination aus Hochvolt-Schütz und Schmelzsicherung als erste Trennebene aufgrund mechanischer Ursachen oder Überlastung den Stromfluss nicht oder nicht rechtzeitig trennen kann, steht das pyrotechnische Trennelement als Auffangmechanismus zur Verfügung.
-
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Trenneinrichtung eine von Quarzsand umgebene Schmelzsicherung aufweist. Beim Auslösen der Schmelzsicherung wird der Quarzsand so stark erhitzt, dass dieser schmilzt. Der schmelzende Quarzsand kühlt einen entstehenden Lichtbogen so intensiv, dass eine erneute Zündung bei wiederkehrender Spannung wirksam verhindert wird.
-
Schließlich sieht eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Trennwand aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast, hergestellt ist. Die Wanddicke der Trennwand ist insbesondere so groß gewählt, dass diese Druckwellen innerhalb der Hochvolt-Schaltbox standhalten kann, welche beispielsweise bei einer Zerstörung von einem Schaltschütz der Hochvolt-Schaltbox auftreten kann. Dadurch kann auf zuverlässige Weise die dauerhafte räumliche Trennung des Minuspfads und des Pluspfads und der zugehörigen Komponenten sichergestellt werden.
-
Weitere mögliche Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Figuren. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder den Figuren gezeigten Merkmale sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Figurenliste
-
Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Draufsicht auf eine Hochvolt-Schaltbox für ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine Schnittansicht der Hochvolt-Schaltbox entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene A-A.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
-
Eine Hochvolt-Schaltbox 10 für ein Kraftfahrzeug ist in einer Draufsicht in 1 gezeigt. Die Hochvolt-Schaltbox 10 umfasst ein Gehäuse 12 sowie eine erste Schnittstelle 14 zum elektrisch leitenden Verbinden der Hochvolt-Schaltbox 10 mit einem hier nicht näher dargestellten Hochvolt-Bordnetz des betreffenden Kraftfahrzeugs. Zudem umfasst die Hochvolt-Schaltbox 10 eine zweite Schnittstelle 16 zum elektrisch leitenden Verbinden der Hochvolt-Schaltbox 10 mit einem hier nicht näher dargestellten Batteriezellen umfassenden Speichersystem des Kraftfahrzeugs, also einer Hochvolt-Batterie.
-
Die Hochvolt-Schaltbox 10 umfasst einen im Gehäuse 12 angeordneten Minuspole der Schnittstellen 14, 16 elektrisch leitend miteinander verbindenden hier nur schematisch angedeuteten Minuspfad 18 mit einem ersten Schaltschütz 20. Zum Minuspfad 18 gehört noch ein Verbinder 22, auch als Main Connector bezeichnet, und ein Spannungs-Strom-Sensor 24. Zudem umfasst die Hochvolt-Schaltbox 10 einen ebenfalls im Gehäuse 12 angeordneten jeweilige Pluspole der Schnittstellen 14, 16 elektrisch leitend miteinander verbindenden hier nur schematisch angedeuteten Pluspfad 26 mit einem zweiten Schaltschütz 28. Zu dem Pluspfad 26 gehört noch ein Verbinder 30, auch Main Connector genannt, und ein pyrotechnisches Trennelement 32.
-
Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine Trennwand 34 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet, welche zum Unterbinden einer Ausbildung eines Lichtbogens zwischen dem Minuspfad 18 und dem Pluspfad 26 einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses 12 in einen ersten Bereich 36 und in einen zweiten Bereich 38 unterteilt. Wie zu erkennen, ist der Minuspfad 18 mit seinen zugehörigen Komponenten 20, 22, 24 innerhalb des ersten Bereichs 36 angeordnet, wobei der Pluspfad 26 mit seinen zugehörigen Komponenten 28, 30, 32 innerhalb des zweiten Bereichs 38 angeordnet ist. Ein Komponententräger 40, der mit weiteren hier nicht dargestellten Komponenten der Hochvolt-Schaltbox 10 bestückt sein kann, ist ebenfalls innerhalb des zweiten Bereichs 38 angeordnet.
-
Die Trennwand 34 sorgt dafür, dass jeweilige Baugruppen des Minuspfads 18 und des Pluspfads 26 voneinander separiert werden. Mit anderen Worten werden also Baugruppen bzw. Komponenten gleichen elektrischen Potentials durch die Trennwand 34 separiert. Im Falle eines Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz wird der innerhalb der Hochvolt-Schaltbox 10 anliegende Kurzschlussstrom beispielsweise durch thermische Auslösung einer hier nicht dargestellten Schmelzsicherung oder der Schaltschütze 20, 28 unterbrochen. Über einer jeweiligen Unterbrechungsstrecke brennt üblicherweise dabei ein Lichtbogen, ein sogenannter primärer Lichtbogen. Im Falle einer thermischen Zerstörung der Schmelzsicherung oder der Schaltschütze 20, 28 können Elektronen freigesetzt werden, die die innerhalb des Gehäuses 12 vorhandene Luft im Rahmen einer einhergehenden Druckwelle elektrisch kontaminieren. Durch das Vorsehen der Trennwand 34 kann verhindert werden, dass Sekundärlichtbögen zwischen dem Minuspfad 18 und dem Pluspfad 26 auftreten.
-
In 2 ist die Hochvolt-Schaltbox 10 entlang der in 1 gekennzeichneten Schnittebene A-A dargestellt. Vorliegend kann man nochmal gut erkennen, wie die Trennwand 34 die zum hier nicht dargestellten Minuspfad 18 bzw. Pluspfad 26 gehörenden Schaltschütze 20, 28 räumlich voneinander trennt. Darüber hinaus sind in der vorliegenden Darstellung noch jeweilige Stromschienen 42 zu erkennen, die mit den jeweiligen Verbindern 22, 30 verbunden sind. Im Bereich des Komponententrägers 40 sind die zuvor bereits erwähnten Schmelzsicherungen 44 sowie ein Batteriesteuergerät 46 zu erkennen.
-
Wird beispielsweise eine der Schmelzsicherungen 44 oder einer der Schaltschütze 20, 28 thermisch zerstört, kann sich eine Druckwelle in orthogonaler Richtung zur vorliegenden Betrachtungsebene ausbreiten. Die durch die thermische Zerstörung freigewordenen Elektronen kontaminierte Luft kann durch die Einhausung, welche über die Trennwand 34 realisiert ist, nicht von dem zweiten Bereich 38 zum ersten Bereich 36 und umgekehrt gelangen. Eine Ausbildung eines Sekundärlichtbogens zwischen dem Minuspfad 18 und dem Pluspfad 26 wird also zuverlässig unterbunden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Hochvolt-Schaltbox
- 12
- Gehäuse der Hochvolt-Schaltbox
- 14
- erste Schnittstelle
- 16
- zweite Schnittstelle
- 18
- Minuspfad
- 20
- erster Schaltschütz
- 22
- Verbinder
- 24
- Strom-Spannungssensor
- 26
- Pluspfad
- 28
- zweiter Schaltschütz
- 30
- Verbinder
- 32
- pyrotechnisches Trennelement
- 34
- Trennwand
- 36
- erster Bereich
- 38
- zweiter Bereich
- 40
- Komponententräger
- 42
- Stromschienen
- 44
- Schmelzsicherungen
- 46
- Batteriesteuergerät
