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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Hochvoltbordnetz.
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Es ist bereits bekannt, dass aus Sicherheitsgründen sowohl ein Minuspol als auch ein Pluspol einer Hochvoltbatterie nach einem Kurzschluss innerhalb der Batterie getrennt werden müssen. Die dafür nötigen Trennelemente müssen in der Lage sein, die volle Batteriespannung zu sperren. Weiterhin muss unabhängig von der Kurzschlussstromstärke jeder Kurzschluss getrennt werden, bevor ein Schmelzintegral von 2,5 Millionen Amperquadratsekunden erreicht wurde. Dafür muss eine Trennung sehr schnell erfolgen. Wird eine gängige Hochvolt-Schmelzsicherung verwendet, um den Kurzschlussstrom zu trennen, steht dieses im direkten Widerspruch zu hohen Ladeströmen, da eine Hochvolt-Schmelzsicherung mit hoher Strom-Tragfähigkeit im Kurzschlussfall ein trägeres Verhalten zeigt, als eine Hochvolt-Schmelzsicherung mit geringerer Strom-Tragfähigkeit.
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Ferner ist bekannt, dass ein Kurzschluss in aller Regel über eine Hochvolt-Schmelzsicherung getrennt wird. Insbesondere bei sehr hohen Kurzschluss-Strömen, zum Beispiel oberhalb von 4000 Ampere, ist eine Hochvolt-Schmelzsicherung schnell genug, um den Kurzschluss zu trennen, bevor 2,5 Millionen Amperquadratsekunden Schmelzintegral erreicht sind. Bei mittleren Kurzschluss-Strömen, wie zum Beispiel zwischen 2000 Ampere und 4000 Ampere erreicht eine Hochvolt-Schmelzsicherung nicht aus, falls im Normalbetrieb ein hoher Ladestrom von zum Beispiel 500 Ampere erreicht werden soll. Für diesen Fall ist es üblich den Strom mittels Stromsensor, Steuergerät und einem elektronisch steuerbaren Hochstrom-Trennschalter zu trennen. Dafür kommt entweder ein Schütz oder ein pyrotechnisches Trennelement in Frage. Der komplette Reaktionspfad bestehend aus Messung, Verarbeitung, Ansteuerung und Trennung ist jedoch in den meisten Fällen zu träge um sehr hohe Kurzschlussströme rechtzeitig zu trennen, weshalb zusätzlich zum aufwändigen und teuren Hochstrom-Trennschalter noch weiterhin eine teure Hochvolt-Schmelzsicherung verbaut werden muss. Hinzu kommt, dass bei Strömen oberhalb von 6000 Ampere ein Schütz üblicherweise verschweißt, sodass im Fall der Trennung durch die Sicherung immer noch einer der beiden Batteriepole verbunden ist. Um diesen im Anschluss zu trennen, ist ein weiteres pyrotechnisches Trennelement erforderlich.
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Die
DE 10 2018 003 892 A1 betrifft eine Speichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer einen elektrischen Pluspol als ersten Pol und einen elektrischen Minuspol als zweiten Pol aufweisenden Hochvolt-Batterie, mit einem mit einem der Pole verbundenen ersten Hochvoltpfad, in welchem wenigstens eine Sicherung zum Unterbrechen des ersten Hochvoltpfads angeordnet ist, und mit einem mit dem anderen Pol verbundenen zweiten Hochvoltpfad, in welchem wenigstens ein pyrotechnisches Trennelement zum Unterbrechen des zweiten Hochvoltpfads angeordnet ist, wobei Zündkontakte des Trennelements, welches über die Zündkontakte elektrisch auslösbar ist, parallel zu der als Schmelzsicherung ausgebildeten Sicherung geschaltet sind.
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Die
DE 10 2018 003 894 A1 betrifft eine Speichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer einen elektrischen Pluspol als ersten Pol und einen elektrischen Minuspol als zweiten Pol aufweisenden Hochvolt-Batterie, mit wenigstens einem mit einem der Pole verbundenen Hochvoltpfad, an welchen wenigstens ein pyrotechnisches Trennelement zum Unterbrechen des Hochvoltpfads angeordnet ist, und mit einer elektronischen Recheneinrichtung, mittels welcher unter elektrischem Ansteuern des pyrotechnischen Trennelements das pyrotechnische Trennelement zu zünden und dadurch der Hochvoltpfad zu unterbrechen ist, wobei mit dem anderen Pol der Hochvolt-Batterie ein zweiter Hochvoltpfad verbunden ist, in welchem eine Schmelzsicherung zum Unterbrechen des zweiten Hochvoltpfads angeordnet ist, wobei Zündkontakte des Trennelements, welches über die Zündkontakte elektrisch auslösbar ist, parallel zu der Schmelzsicherung geschaltet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen elektrischen Energiespeicher sowie ein elektrisches Hochvoltbordnetz zu schaffen, mittels welchen eine einfache allpolige Trennung des elektrischen Energiespeichers gegenüber dem elektrischen Hochvoltbordnetz realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Energiespeicher sowie durch ein elektrisches Hochvoltbordnetz gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen elektrischen Energiespeicher für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Pluspol des elektrischen Energiespeichers in einem ersten Hochvoltpfad und mit einem Minuspol des elektrischen Energiespeichers in einem zweiten Hochvoltpfad und mit einer pyrotechnischen ersten Trenneinrichtung in dem ersten Hochvoltpfad zum Trennen des Pluspols von dem ersten Hochvoltpfad und mit einer zweiten Trenneinrichtung in dem zweiten Hochvoltpfad zum Trennen des Minuspols von dem zweiten Hochvoltpfad.
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Es ist vorgesehen, dass die zweite Trenneinrichtung ein Schmelzelement und ein pyrotechnisches Element aufweist, wobei die zweite Trenneinrichtung dazu ausgebildet ist bei einem Schmelzen des Schmelzelements einen Lichtbogen zu erzeugen und mittels des Lichtbogens das pyrotechnische Element auszulösen.
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Dadurch kann eine einfache Auslegung des Schmelzelements realisiert werden. Im Gegensatz zu Hochvolt-Schmelzsicherungen gemäß dem Stand der Technik wird das Schmelzelement selbst weder den Kurzschluss-Strom trennen, noch muss es eine Spannungsfestigkeit aufweisen, um die Spannung zu trennen. Das Schmelzelement ist darauf ausgelegt, dass ein Lichtbogen entsteht. Damit ist es viel einfacher den inhärenten Auslegungswiderspruch einer Schmelzsicherung zwischen Stromtragfähigkeit im Normalfall und schneller Trennung des Kurzschlussfalls aufzulösen. Ein weiterer Vorteil ist eine einfache Skalierbarkeit der Lösung, für beispielsweise 400 Volt-Energiespeichersysteme. Während bei einer Hochvolt-Schmelzsicherung sowohl die Kosten als auch der Bauraumbedarf für eine 800 Volt-Batterie deutlich höher sind, als bei einer 400 Volt-Batterie, steigen die Kosten und der Bauraum für das pyrotechnische Element, das sehr hohe Kurzschlussströme einer 800 Volt-Batterie trennen kann, kaum im Vergleich zu dem pyrotechnischen Element, das sehr hohe Kurzschlussströme einer 400 Volt-Batterie trennen kann. Es kann also ohne größere Nachteile für unterschiedliche Batterievarianten ein gleiches Trennkonzept verwendet werden. Ein elektrischer Energiespeicher, der mit einem solchen Trennkonzept abgesichert ist, kommt im Vergleich mit kleineren und günstigeren Haupt-Schützen aus, da diese keine hohen Ströme trennen müssen.
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Insbesondere ist somit vorgeschlagen, dass in dem negativen Pfad des elektrischen Energiespeichers ein Schmelzelement eingesetzt ist, das im Kurzschlussfall schmilzt, den Strom aber auf Grund der hohen Batteriespannung nicht trennen kann. Es entsteht ein Lichtbogen und der Kurzschluss fließt weiter. Der Spannungsabfall über dem Lichtbogen wird im Bauteil abgegriffen und dient dann zur Zündung des pyrotechnischen Elements. Das pyrotechnische Element muss dann in der Lage sein, den sehr hohen Kurzschlussstrom bei voller Batteriespannung zu trennen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die pyrotechnische erste Trenneinrichtung parallel mit der zweiten Trenneinrichtung verschaltet, sodass bei einem Auslösen der zweiten Trenneinrichtung die pyrotechnische erste Trenneinrichtung mit ausgelöst ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das Schmelzelement und das pyrotechnische Element in einem gemeinsamen Gehäuse als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform stellt der elektrische Energiespeicher zumindest die 400 Volt für das elektrische Hochvoltbordnetz bereit.
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Ein weiter Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Hochvoltbordnetz für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher nach dem vorhergehenden Aspekt und mit zumindest einer elektrischen Hochvoltverbrauchskomponente.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist zumindest teilweise elektrisch betrieben, insbesondere vollelektrisch betrieben.
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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 der einzigen Figur 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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Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Hochvoltbordnetzes mit einer Ausführungsform eines elektrischen E nerg iespeichers.
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In der Figur sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Figur zeigt als schematisches Blockschaltbild ein elektrisches Hochvoltbordnetz 10 für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, welches nicht dargestellt ist. Das elektrische Hochvoltbordnetz 10 weist zumindest einen elektrischen Energiespeicher 12 auf. Ferner weist das elektrische Hochvoltbordnetz 10 zumindest eine Hochvoltverbrauchskomponente 14 auf. Die Hochvoltverbrauchskomponente 14 kann beispielsweise eine Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs sein. Der elektrische Energiespeicher 12 kann auch als Hochvoltbatterie oder Hochvoltspeicher bezeichnet werden.
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Das elektrische Hochvoltbordnetz 10 für das zumindest teilweise elektrisch betriebene Kraftfahrzeug weist zumindest einen Pluspol 16 des elektrischen Energiespeichers 12 in einem ersten Hochvoltpfad 18 auf. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 12 einen Minuspol 20 in einem zweiten Hochvoltpfad 22 auf. Der elektrische Energiespeicher 12 weist ferner eine pyrotechnische erste Trenneinrichtung 24 in dem ersten Hochvoltpfad 18 zum Trennen des Pluspols 16 von dem ersten Hochvoltpfad 18 auf. Ferner weist der elektrische Energiespeicher 12 eine zweite Trenneinrichtung 26 in dem zweiten Hochvoltpfad 22 zum Trennen des Minuspols 20 von dem zweiten Hochvoltpfad 22 auf.
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Es ist vorgesehen, dass die zweite Trenneinrichtung 26 ein Schmelzelement 28 und ein pyrotechnisches Element 30 aufweist, wobei die zweite Trenneinrichtung 26 dazu ausgebildet ist, bei einem Schmelzen des Schmelzelements 28 einen Lichtbogen zu erzeugen und mittels des Lichtbogens das pyrotechnische Element 30 auszulösen.
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Insbesondere ist ferner gezeigt, dass die pyrotechnische erste Trenneinrichtung 24 parallel mit der zweiten Trenneinrichtung 26 verschaltet ist, sodass bei einem Auslösen der zweiten Trenneinrichtung 26 die pyrotechnische erste Trenneinrichtung 24 mit ausgelöst ist. Die pyrotechnische erste Trenneinrichtung 24 weist hierzu Zündkontakte 30 auf, wobei die Zündkontakte 32 elektrisch auslösbar sind. Kommt es nun zu einem Kurzschluss des elektrischen Energiespeichers 12, sodass die zweite Trenneinrichtung 26 insbesondere das Schmelzelement 28 schmilzt, so wird dadurch der zweite Hochvoltpfad 22 unterbrochen, und die gesamte Batteriespannung fällt über die zweite Trenneinrichtung 26 ab. Hierdurch wird die pyrotechnische erste Trenneinrichtung 24 über dessen Zündkontakte 32 dadurch, dass die Zündkontakte 32 parallel zur zweiten Trenneinrichtung 26 angeordnete beziehungsweise geschaltet sind, gezündet beziehungsweise ausgelöst, sodass auch der erste Hochvoltpfad 18 getrennt beziehungsweise unterbrochen wird. Durch das Durchbrennen beziehungsweise Schmelzen der zweiten Trenneinrichtung 26 und dadurch, dass der zweite Hochvoltpfad 22 unterbrochen wird, werden beide Lastpfade sicher getrennt. Dadurch kann insbesondere auch dann, wenn es zu einem Ausfall der Niederspannungsversorgung kommt, eine galvanische, allpolige Trennung des elektrischen Energiespeichers 12 von dem elektrischen Bordnetz 10 realisiert werden.
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Ferner ist insbesondere gezeigt, dass das Schmelzelement 28 und das pyrotechnische Element 30 in einem gemeinsamen Gehäuse 34 als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sind.
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Ferner ist vorgesehen, dass der elektrische Energiespeicher 12 zumindest 400 Volt für das elektrische Hochvoltbordnetz 10 bereitstellt. Ferner können auch 800 Volt für das elektrische Hochvoltbordnetz 10 bereitgestellt werden.
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Es ist somit insbesondere in der zweiten Trenneinrichtung 26 eine Kombination aus einer Hochvolt-Schmelzsicherung und einem pyrotechnischen Trennelement beschrieben, wobei es sich hierbei um ein integriertes pyrotechnisches Bauteil handelt, mit dem direkt eine allpolige Trennung herbeigeführt werden kann. Es wird im Gegensatz zum Stand der Technik somit vorgeschlagen, dass ein sehr hoher Kurzschluss-Strom selbst durch das pyrotechnische Trennelement, insbesondere durch das pyrotechnische Element 30, getrennt wird. Dafür wird in dem negativen Pfad des elektrischen Energiespeichers 12 das Schmelzelement 28 eingesetzt, das im Kurzschlussfall schmilzt, den Strom aber aufgrund der hohen Batteriespannung, beispielsweise von 400 Volt beziehungsweise 800 Volt, nicht trennen kann. Es entsteht ein Lichtbogen und der Kurzschluss fließt weiter. Der Spannungsabfall über dem Lichtbogen wird im Bauteil abgegriffen und dient dann zur Zündung des pyrotechnischen Elements 30. Das pyrotechnische Element 30 ist in der Lage einen sehr hohen Kurzschlussstrom bei voller Batteriespannung zu trennen. Des Weiteren findet die Trennung schnell statt, sodass der Lichtbogen über dem Schmelzelement nicht zu einer Zerstörung des Bauteils führt. Das pyrotechnische Element 30 löst insbesondere nach weniger als einer Millisekunde aus. Der Lichtbogen wird somit im Schmelzelement 28 rechtzeitig gelöscht und eine allpolige Trennung des elektrischen Energiespeichers 12 ist durchgeführt.
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Insbesondere ist ferner gezeigt, dass an entsprechenden Klemmen eine Spannung U für beispielsweise die Hochvoltverbrauchskomponente 14 bereitgestellt werden kann. Ferner ist gezeigt, dass der elektrische Energiespeicher 12 über Schalter 36, 38 verfügen kann, wobei diese Schalter wiederum zur Trennung der Hochvoltpfade 18, 22 ausgebildet sind. Insbesondere ist ein erster Schalter 38 in dem ersten Hochvoltpfad 18 ausgebildet und ein zweiter Schalter 36 in dem zweiten Hochvoltpfad 22 ausgebildet. Die Schalter 36, 38 können insbesondere auch als Schütze bezeichnet werden. Es ist weiter gezeigt, dass in der Parallelschaltung des pyrotechnischen ersten Trennelements 24 und des zweiten Trennelements 26 ein ohmscher Widerstand 40 angeordnet ist.
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Insbesondere zeigt die Figur eine allpolige Kurzschluss-Trennung mittels Schmelzelement 28 und pyrotechnischem Element 30 für Hochvoltbatterien.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrisches Hochvoltbordnetz
- 12
- Elektrischer Energiespeicher
- 14
- Hochvoltverbrauchskomponente
- 16
- Pluspol
- 18
- Erster Hochvoltpfad
- 20
- Minuspol
- 22
- Zweiter Hochvoltpfad
- 24
- Pyrotechnische erste Trenneinrichtung
- 26
- Zweite Trenneinrichtung
- 28
- Schmelzelement
- 30
- Pyrotechnisches Element
- 32
- Zündkontakt
- 34
- Gehäuse
- 36
- Zweiter Schalter
- 38
- Erster Schalter
- 40
- Ohm'scher Wiederstand
- U
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018003892 A1 [0004]
- DE 102018003894 A1 [0005]
