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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
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Es ist bekannt, dass elektrische Bordnetzsysteme von Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen (Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen) meist als Gleichspannung (DC = Direct Current) mit einem oder mehreren Polen ausgeführt sind. Im Falle von ungewöhnlichen Zuständen (z.B. eines Unfalls) wird entsprechend mittels einer so genannten Pyrofuse oder eines so genannten Pyroswitch die Versorgungs-Zuleitung des Hauptschützes mechanisch getrennt, damit wird ein irreversibles schnelles Abschalten des Hochvoltbordnetzes sichergestellt. Auch der Einsatz einer so genannten Pyrofuse, die das Hochvoltsystem direkt trennt, ist bekannt.
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Die
DE 102018207247 A1 offenbart eine Trennvorrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs zum Trennen einer Hochvoltleitung des Hochvoltbordnetzes. Die Trennvorrichtung weist eine Überstromschutzeinrichtung zum Unterbrechen eines über die Hochvoltleitung fließenden Überstroms auf. Darüber hinaus weist die Trennvorrichtung eine durch eine erste ansteuerbare Abschalteinheit gebildete erste Trenneinheit auf, wobei die erste Abschalteinheit im aktivierten Zustand zum Unterbrechen eines Stromflusses über die erste Trenneinheit ausgelegt ist. Außerdem weist die Trennvorrichtung eine durch eine zweite ansteuerbare Abschalteinheit und die Überstromschutzeinrichtung gebildete zweite Trenneinheit auf, wobei die zweite Abschalteinheit im aktivierten Zustand dazu ausgelegt ist, einen Überstrom zu der den Stromfluss über die zweite Trenneinheit unterbrechenden Überstromschutzeinrichtung zu leiten. Eine Steuereinheit der Trennvorrichtung ist zum Trennen der Hochvoltleitung dazu ausgelegt, im Falle eines über die Hochvoltleitung fließenden Überstroms zumindest die zweite Abschalteinheit zu aktivieren und im Falle eines überstromunabhängigen Ereignisses zumindest die erste Abschalteinheit zu aktivieren.
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Für das sogenannte Freischalten bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug wird üblicherweise eine abschließbare Service-Trennstelle verwendet. Damit wird das Hochvoltsystem indirekt freigeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert. Bei dieser Trennstelle wird ein elektrischer Kontakt geöffnet, und das unkontrollierte oder zufällige Einschalten kann mit einem Vorhängeschloss sicher verhindert werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Trennvorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein zuverlässiges Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen Trennvorrichtung zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs vorgeschlagen, wenigstens umfassend eine Hochvoltbatterie, welche über ein Schütz, insbesondere ein zweipoliges Schütz, mit dem Hochvoltbordnetz verbunden ist, eine Stromversorgung des Schützes, welche wenigstens eine Niedervoltbatterie mit wenigstens einem elektrisch in Serie geschalteten Sicherungselement aufweist, wobei ein erster Pol der Stromversorgung auf Massepotential liegt und ein zweiter Pol der Stromversorgung auf einer positiven Spannung der Niedervoltbatterie liegt. Dabei ist elektrisch parallel zu der Stromversorgung oder zu einem Steuereingang des Schützes wenigstens ein Schaltelement angeordnet, welches durch eine Steuereinheit ansteuerbar ist, und welches ausgebildet ist, zum irreversiblen Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes die Spannung des zweiten Pols der Stromversorgung auf die Spannung des ersten Pols zu schalten.
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Erfindungsgemäß ist ein Schaltelement, beispielsweise ein Halbleiterschalter, elektrisch parallel zu dem Versorgungspfad des Hauptschützes der Batterie angeordnet. Im Falle eines besonderen Zustands (z.B. eine thermische Überlastung, ein Unfallereignis oder dergleichen), der ein irreversibles Abschalten des Hochvoltsystems erforderlich macht, wird mittels einer Ansteuerung des Schaltelements von dem Schaltelement das elektrische Spannungspotential zur Versorgung des Schützes in Richtung des Massepotentials verschoben. Dadurch sinkt die Versorgungspannung an dem Schütz auf einen Wert unterhalb der Haltespannung des Schützes ab. Das Schütz fällt aufgrund eines geringeren Stroms ab, öffnet damit die Schaltkontakte des Hochvoltsystems und trennt damit schnell, allpolig und zuverlässig die Hochvoltbatterie vom Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs.
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Gleichzeitig entsteht ein hoher Strom durch das Sicherungselement aufgrund des durch das Schaltelement bewirkten Kurzschlusses, wenn der zweite Pol der Stromversorgung auf die Spannung des ersten Pols geschaltet wird. Durch diesen hohen Stromfluss wird das Sicherungselement ausgelöst. Durch das ausgelöste Sicherungselement ist ein Einschalten des Schützes und damit des Hochvoltbordnetzes ausgeschlossen.
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Als Sicherungselement kann vorteilhaft beispielsweise eine Schmelzsicherung, eine Halbleitersicherung oder auch ein Sicherungsautomat mit Bi-Metallauslösung eingesetzt werden.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Schaltelement elektrisch parallel zu einem Steuereingang des Schützes angeordnet sein. Die Versorgung des Steuereingangs kann vorteilhaft über eine Sicherung und dazu elektrisch parallel zu dem Schaltelement verlaufen. In diesem Fall kann das Schaltelement zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes nur diesen Pfad mit der Auslösung der Sicherung, die den Steuerstromkreis versorgt, deaktivieren.
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Ein Ausfall des Schaltelements führt zu keinem höheren Ausfallrisiko, da bei Halbleiterschaltern ein Defekt während der Ansteuerung meist durch ein Durchlegieren des Halbleitermaterials auftritt. Dadurch würde die Stromversorgung des Schützes auf jeden Fall deaktiviert, sodass das Hochvoltbordnetz getrennt würde.
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Vorteilhaft ist es so möglich, die Hochvoltbatterie schnell, zuverlässig und irreversibel in besonderen Zuständen (z.B. Unfall des Fahrzeugs) vom Hochvoltbordnetz zu trennen. Der Einsatz einer Pyrofuse kann entfallen, und es findet trotzdem ein irreversibler Abschaltvorgang statt. Dadurch kann zum Beispiel nach einem Unfallereignis das Hochvoltsystem nicht mehr zugeschaltet werden.
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Die Reduzierung der Zahl der Komponenten durch Entfall der Pyrofuse führt zu einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit des Hochvoltsystems und damit zu einer höheren Zuverlässigkeit des gesamten Antriebsstrangs.
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Durch den Entfall der Pyrofuse kann eine Abschaltung schneller erfolgen, da die Auslösezeit der Pyrofuse in der gesamten Wirkkette entfällt. Zusätzlich können die Leitungslängen, z.B. durch Einsparung von Zuleitungen zur Pyrofuse, signifikant verringert werden. Ebenso entfällt auch der Geräuschpegel bei der Auslösung der Pyrofuse, und es findet keine Geruchsemission durch die explosive Auftrennung der Leitungen statt.
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Wenn das Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Werkstatt wieder instandgesetzt wird, muss lediglich ein Sicherungselement getauscht werden. Dieser Tausch verursacht wesentlich geringere Kosten (Material und Arbeitszeit) als bei einer Reparatur in Folge einer ausgelösten Pyrofuse.
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Für die Platzierung des wenigstens einen Sicherungselements kann vorteilhaft ein speziell dafür vorgesehenes Sicherungsgehäuse verwendet werden, das die Möglichkeit bietet, den Zugang zu dem Sicherungselement zu sichern. Der Gehäusedeckel kann transparent ausgebildet sein. Damit wird ersichtlich, ob eine Sicherung eingesetzt ist oder nicht.
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Das Sicherungsgehäuse kann zum Freischalten verwendet werden und eine elektrische Trennstelle zum Deaktivieren des Hochvoltsystems für den Service kann entfallen. Zur Freischaltung öffnet man das Sicherungsgehäuse und entnimmt die Sicherung, anschließend sichert man den Gehäusedeckel mit einem Vorhängeschloss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann das wenigstens eine Schaltelement als Halbleiterschalter ausgebildet sein. Insbesondere kann das wenigstens eine Schaltelement als Bipolartransistor, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Insulated-Gate Bipolartransistor (IGBT), Thyristor, Zweirichtungs-Diode (Diac), oder als mechanisches Schaltrelais, ausgebildet sein. Solche Halbleiterelemente werden häufig als Schaltelemente eingesetzt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann das wenigstens eine Sicherungselement in einem verriegelbaren Sicherungsgehäuse, insbesondere mit einem wenigstens bereichsweise transparenten Gehäusedeckel, angeordnet sein.
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Das Sicherungselement kann günstigerweise in einem separaten geschlossenen Gehäuse mit einer Öffnungsmöglichkeit angeordnet werden. Das Gehäuse enthält beispielsweise eine, abschließbare Öffnungsmöglichkeit über einen Gehäusedeckel, wobei der Deckel beispielsweise zumindest bereichsweise transparent sein kann. Dadurch ist es möglich, dass die sonst übliche Service-Trennstelle entfallen kann, da das Sicherungsgehäuse bei entnommenem Sicherungselement gegen ein Wiedereinschalten des Hochvoltbordnetzes durch Abschließen gesichert werden kann. Durch den transparenten Gehäusedeckel kann man direkt von außen sehen, ob ein Sicherungselement eingesetzt oder nicht eingesetzt ist. Ist kein Sicherungselement eingesetzt, so kann das Schütz der Hochvoltbatterie nicht angezogen sein und das Hochvoltsystem ist freigeschaltet.
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Der Gehäusedeckel kann beispielsweise eine Aussparung aufweisen, durch welche im geschlossenen Zustand eine Lasche von der Innenseite durch den Gehäusedeckel geführt ist. Die Lasche kann eine Öffnung aufweisen, wodurch der Gehäusedeckel in geschlossenem Zustand beispielsweise mit einem Vorhängeschloss verriegelt werden kann. Nach der Öffnung kann das Sicherungselement entnommen werden, danach das Sicherungsgehäuse geschlossen und gegen Wiederöffnen mit einem Vorhängeschloss gesichert werden.
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Das Sicherungsgehäuse kann auch direkt in einem Steuergerät oder im Bereich der Sicherungen des Fahrzeugs integriert sein.
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Somit kann das Sicherungselement für die Sicherheitsregeln des „Freischalten“ und des „Gegen Wiedereinschalten sichern“ verwendet werden. Der Gehäusedeckel kann mit einem Bügelschloss oder mit einer Verplombung vom Fahrzeughersteller gesichert werden. Damit kann auch sofort durch eine fehlende Verplombung ersichtlich werden, wenn es sich um ein Unfall-Fahrzeug handelt.
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Vorteile sind der mögliche Entfall einer Service-Trenneinrichtung, sowie ein zusätzlicher Schutz beim Wiedereinschalten durch Entfernung des Sicherungselements und/oder Abziehen eines Steckers des Sicherungsgehäuses.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Schütz einen Steuereingang aufweisen. Dabei kann das wenigstens eine Schaltelement elektrisch parallel zu dem Steuereingang verschaltet sein, der mittels der Steuereinheit über das Schaltelement ansteuerbar ist, wobei der Steuereingang ausgebildet ist, zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes über den Steuereingang ein Öffnen der Schaltkontakte zu bewirken.
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Statt die Spannungsversorgung des Schützes zu verwenden, um die Schaltkontakte des Schützes das Hochvoltbordnetz zu deaktivieren, kann auch ein Steuerungseingang des Schützes verwendet werden, falls es sich um einen Schütz handelt, der einen Steuerungseingang vorgesehen hat. Dadurch wird nicht die Hauptspannungsversorgung des Schützes unterbrochen, sondern lediglich die Spannung an einem so genannten Enable-Eingang des Schützes, was dann zur Deaktivierung des Schützes führt und die Schaltkontakte des Schützes öffnet.
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Die Versorgung des Steuereingangs kann vorteilhaft über eine Sicherung und dazu elektrisch parallel zu dem Schaltelement verlaufen. Das Schaltelement ist in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch parallel zu dem Steuereingang des Schützes angeordnet und deaktiviert nur diesen Pfad mit der Auslösung der Sicherung, die den Steuerstromkreis versorgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann zu dem wenigstens einen Schaltelement wenigstens ein weiteres Schaltelement elektrisch parallel angeordnet sein.
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Durch Anordnung des Schaltelements als sogenannter Low-Side Schalter kann ein weiteres Schaltelement oder mehrere Schaltelemente vorteilhaft dazu parallel geschaltet werden. Damit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden. Zum anderen können Schaltelemente mit geringeren Anforderungen an die Stromtragfähigkeit verwendet werden.
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Weiter kann die Steuereinheit des Schaltelements vorteilhaft zur Ansteuerung mittels eines PWM-Signals ausgebildet sein. Die Ansteuerung des Schaltelements von der elektronischen Steuereinheit kann auch als pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal erfolgen, um den Strom durch das Sicherungselement und durch das Schaltelement auf einen definierten Wert zu begrenzen.
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Alternativ kann die Steuereinheit des Schaltelements auch zur Ansteuerung mittels eines dauerhaften Signals ausgebildet sein. Vorteilhaft kann das Schaltelement auf diese Weise dauerhaft angesteuert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das wenigstens eine Schaltelement mit einer Steuereinheit vorteilhaft in einer separaten elektronischen Funktionseinheit implementiert sein. Alternativ kann das wenigstens eine Schaltelement auch in einer Komponente des Fahrzeugs, insbesondere einem Airbag-Steuergerät oder in der Hochvoltbatterie integriert sein. So kann das Schaltelement modular ausgebildet sein. Auch eine Integration in ein anderes Steuergerät ist auf diese Weise günstig aufzuführen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Steuereinheit des Schaltelements zur Übermittlung von Informationen an eine Steuereinheit des Schützes über wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sein. Die elektronische Funktionseinheit kann zur zusätzlichen Unterstützung beim Abschalten des Schützes der Hochvoltbatterie über eine Kommunikationsschnittstelle Informationen übermitteln, damit die Steuerung innerhalb der Hochvoltbatterie ebenfalls eine Abschaltung des Schützes über die Schaltelemente in der Batterie vornimmt. Insbesondere kann so durch die Steuereinheit über die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle ein Abschalten des Schützes über ein Deaktivieren von Schaltelementen des Schützes durch die Steuereinheit bewirkt werden. Die Schaltelemente des Schützes können beispielsweise als Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, Thyristor, Diac oder als mechanisches Schaltrelais ausgebildet sein.
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Die Steuereinheit des Schaltelements meldet über die Kommunikationsschnittstellen an die Steuereinheit des Schützes das Aktivieren des Schaltelements. Daraufhin deaktiviert die Steuereinheit des Schützes die Schaltelemente des Schützes und unterstützt damit vorteilhaft das Abfallen des Schützes und damit das Trennen von Hochvoltbatterie und Hochbordnetz.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit des Schaltelements weiter ein oder mehrere Steuerausgänge aufweisen, die mit einem Gassperrventil eines wasserstoffbetriebenen oder gasbetriebenen Fahrzeugs verbunden sind. Insbesondere können die ein oder mehreren Steuerausgänge mit einer Spannungsversorgung eines Gassperrventils eines wasserstoffbetriebenen oder gasbetriebenen Fahrzeugs elektrisch verbunden sein. Das Schaltelement kann günstigerweise so dazu verwendet werden, einen irreversiblen Abschaltvorgang der Kraftstoffzufuhr bei einem Fahrzeug mit alternativen Antrieben durchzuführen. Durch die Ansteuerung des Schaltelements kann die Auslösung einer Sicherung des Gassperrventils, z.B. für ein wasserstoffbetriebenes oder gasbetriebenes Fahrzeug bewirkt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvolt-Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einer Vorrichtung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Hochvoltbatterie umfasst, welche über Schaltkontakte eines Schützes, insbesondere ein zweipoliges Schütz, mit dem Hochvoltbordnetz verbunden ist. Dabei wird das Schütz über eine Stromversorgung gesteuert, welche wenigstens eine Niedervoltbatterie mit wenigstens einem in Serie geschalteten Sicherungselement aufweist, wobei ein erster Pol der Stromversorgung auf Massepotential liegt und ein zweiter Pol der Stromversorgung auf einer positiven Spannung der Niedervoltbatterie liegt, und wobei wenigstens ein Schaltelement elektrisch parallel zu der Stromversorgung des Schützes angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es so möglich, mit dem Schaltelement die Hochvoltbatterie schnell, zuverlässig und irreversibel in besonderen Zuständen (z.B. Unfall) vom Hochvoltbordnetz zu trennen. Der Einsatz einer Pyrofuse kann entfallen und es findet trotzdem ein irreversibler Abschaltvorgang statt. Dadurch kann zum Beispiel nach einem Unfallereignis das Hochvoltsystem nicht mehr zugeschaltet werden
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes mittels des Schaltelements die Spannung des zweiten Pols der Stromversorgung auf die Spannung des ersten Pols geschaltet werden, sodass das wenigstens eine Sicherungselement ausgelöst wird und das Schütz die Schaltkontakte zwischen der Hochvoltbatterie und dem Hochvoltbordnetz öffnet.
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Das Schaltelement, beispielsweise ein Halbleiterschalter, ist elektrisch parallel zu dem Versorgungspfad des Hauptschützes der Batterie angeordnet. Im Falle eines besonderen Zustands (beispielsweise ein thermisches Event oder ein Unfallereignis), der ein Abschalten des Hochvoltsystems erforderlich macht, wird mittels einer Ansteuerung des Schaltelements von dem Schaltelement das elektrische Spannungspotential zur Versorgung des Schützes in Richtung des Massepotentials verschoben. Dadurch sinkt die Versorgungspannung an dem Schütz auf einen Wert unterhalb der Haltespannung des Schützes ab. Das Schütz fällt aufgrund eines geringeren Stroms ab, öffnet damit die Schaltkontakte des Hochvoltsystems und trennt damit schnell, allpolig und zuverlässig die Hochvoltbatterie vom Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs.
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Gleichzeitig entsteht ein hoher Strom durch das Sicherungselement aufgrund eines durch das Schaltelement bewirkten Kurzschlusses. Durch diesen Strom wird das Sicherungselement ausgelöst. Durch die ausgelöste Sicherung ist ein Einschalten des Schützes und damit des Hochvoltbordnetzes ausgeschlossen.
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Alternativ oder zusätzlich kann zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes das wenigstens eine Sicherungselement aus dem Sicherungsgehäuse zerstörungsfrei entnommen und das Sicherungsgehäuse gegen ein Wiedereinschalten des Hochvoltbordnetzes verriegelt werden.
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Somit kann das Sicherungselement für die Sicherheitsregeln des „Freischalten“ und des „Gegen Wiedereinschalten sichern“ verwendet werden. Der Gehäusedeckel kann mit einem Bügelschloss oder mit einer Verplombung vom Fahrzeughersteller gesichert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann durch die Steuereinheit des Schaltelements über wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle ein Aktivieren des Schaltelements an eine Steuereinheit des Schützes gemeldet werden und daraufhin die Steuereinheit des Schützes über ein Deaktivieren von Schaltelementen des Schützes ein Öffnen der Schaltkontakte bewirken. Die Schaltelemente des Schützes können beispielsweise als Bipolartransistor, MOSFET, IGBT, Thyristor, Diac oder als mechanisches Schaltrelais ausgebildet sein.
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Die elektronische Funktionseinheit kann zur zusätzlichen Unterstützung beim Abschalten des Schützes der Hochvoltbatterie über die Kommunikationsschnittstelle Informationen übermitteln, damit die Steuerung innerhalb der Hochvoltbatterie ebenfalls eine Abschaltung des Schützes über das Schaltelement vornimmt. Insbesondere kann so durch die Steuereinheit über die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle ein Abschalten des Schützes über ein Deaktivieren von Schaltelementen des Schützes durch die Steuereinheit bewirkt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Schütz einen Steuereingang aufweisen. Insbesondere kann der Steuereingang mittels der Steuereinheit angesteuert werden, wobei zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes über den Steuereingang ein Öffnen der Schaltkontakte bewirkt wird.
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Statt die Spannungsversorgung des Schützes zu verwenden, um über die Schaltkontakte des Schützes das Hochvoltbordnetz zu deaktivieren, kann auch ein Steuerungseingang verwendet werden, falls es sich um einen Schütz handelt, der einen Steuerungseingang (einen sogenannten Enable-Eingang) vorgesehen hat. Dadurch wird nicht die Hauptspannungsversorgung des Schützes unterbrochen, sondern lediglich die Spannung an dem Enable-Eingang des Schützes, was dann zur Deaktivierung des Schützes führt und die Schaltkontakte des Schützes öffnet.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Schaltanordnung einer Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Schaltanordnung einer Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine Schaltanordnung einer Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein Sicherungsgehäuse eines Sicherungselements der erfindungsgemäßen Vorrichtung im geschlossenen Zustand; und
- 5 das Sicherungsgehäuse nach 4 im geöffneten Zustand.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Schaltanordnung einer Vorrichtung 100 zum Deaktivieren eines Hochvoltbordnetzes 46 eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Hochvoltbatterie 30, welche über Schaltkontakte 42 eines zweipoligen Schützes 38 mit den Kontakten 42 mit dem Hochvoltbordnetz 46 verbunden ist. Das Schütz 38 wird über Halbleiterelemente 36, 40, welche von einer Steuereinheit 32 angesteuert werden, gesteuert.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Stromversorgung 64 des Schützes 38, welche wenigstens eine Niedervoltbatterie 10 mit einem elektrisch in Serie geschalteten Sicherungselement 14 aufweist. Die Hochvoltbatterie 30 weist beispielsweise eine serielle Verschaltung einzelner Zellen 44 auf.
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Ein erster Pol 66 der Stromversorgung 64 liegt auf Massepotential 12 und ein zweiter Pol 68 der Stromversorgung 64 auf einer Spannung der Niedervoltbatterie 10. Der zweite Pol 68 ist über eine Service-Trennstelle 20 und eine alternative Trennstelle 18, welche seriell verschaltet sind, mit dem Sicherungselement 14 verbunden.
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Die Service-Trennstelle 20 dient zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes 46 bei Service- oder Reparaturarbeiten an dem Fahrzeug. Die alternative Trennstelle 18 kann im Falle eines Ereignisses wie beispielsweise eines Unfalls mechanisch aufgetrennt werden.
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Elektrisch parallel zu der Stromversorgung 64 des Schützes 38 ist ein Schaltelement 26 angeordnet, welches ausgebildet ist, zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes 46 die Spannung des zweiten Pols 68 der Stromversorgung 64 auf die Spannung des ersten Pols 66 zu schalten. Wenn das Schaltelement 26 durchschaltet, sind die beiden Pole 66, 68 über das Schaltelement 26 niederohmig verbunden.
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Das Schaltelement 26 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Halbleiterschalter in Form eines Bipolartransistors ausgebildet. Alternativ ist auch möglich, dass das Schaltelement 26 als MOSFET, IGBT, Thyristor, Diac oder als mechanisches Schaltrelais ausgebildet ist.
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Zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes 46 mittels des Schaltelements 26 wird die Spannung des zweiten Pols 68 der Stromversorgung 64 auf die Spannung des ersten Pols 66 geschaltet, sodass das Schütz 38 die Kontakte 42 zwischen der Hochvoltbatterie 30 und dem Hochvoltbordnetz 46 öffnet und das Sicherungselement 14 ausgelöst wird.
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Mit dem Durchschalten des Schaltelements 26 sinkt die Versorgungspannung an dem Schütz 38 auf einen Wert unterhalb der Haltespannung des Schützes 38 ab. Das Schütz 38 fällt aufgrund eines geringeren Stroms ab, öffnet damit die Hauptkontakte 42 des Hochvoltsystems und trennt damit schnell, allpolig und zuverlässig die Hochvoltbatterie 30 vom Hochvoltbordnetz 46 des Fahrzeugs.
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Gleichzeitig entsteht ein hoher Strom durch das Sicherungselement 14 aufgrund eines durch das Schaltelement 26 bewirkten Kurzschlusses. Durch diesen Strom wird das Sicherungselement 14 ausgelöst. Durch das ausgelöste Sicherungselement 14 ist ein Einschalten des Schützes 38 und damit des Hochvoltbordnetzes 46 ausgeschlossen.
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Zu dem einen Schaltelement 26 kann in einer alternativen Ausführungsform wenigstens ein weiteres Schaltelement elektrisch parallel angeordnet sein. Damit kann die Zuverlässigkeit des Systems erhöht werden, zum anderen können Schaltelemente mit geringeren Anforderungen an die Stromtragfähigkeit eingesetzt werden.
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Die Steuereinheit 24 des Schaltelements 26 kann vorteilhaft zur Ansteuerung mittels eines PWM-modulierten Signals ausgebildet sein, um den Strom durch das Sicherungselement 14 und durch das Schaltelement 26 auf einen definierten Wert zu begrenzen. Das Schaltelement 26 kann in einer vorteilhaften Ausführungsform und Ansteuerung so ausgelegt sein, dass der Auslösestrom durch das Sicherungselement 14 nicht zur Zerstörung des Schaltelements 26 führt.
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Das Schaltelement 26 ist mit der Steuereinheit 24 in einer separaten elektronischen Funktionseinheit 22 implementiert.
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Alternativ ist auch möglich, dass das Schaltelement 26 in einer Komponente des Fahrzeugs, insbesondere einem Airbag-Steuergerät oder in der Hochvoltbatterie integriert ist.
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Die Steuereinheit 24 des Schaltelements 26 kann günstigerweise zur Übermittlung von Informationen an die Steuereinheit 32 des Schützes 38 über die Kommunikationsschnittstelle 28 der Steuereinheit 24 des Schaltelements 26 sowie die Kommunikationsschnittstelle 34 der Steuereinheit 32 des Schützes 38 ausgebildet sein.
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Damit kann beispielsweise an die Steuereinheit 32 des Schützes 38 die Information übermittelt werden, dass die Steuereinheit 32 das Schütz 38 auch über die Halbleiterelemente 36, 40 abschalten und damit die Kontakte 42 öffnen kann.
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In einer alternativen Ausführungsform eines wasserstoffbetriebenen oder gasbetriebenen Fahrzeugs kann die Steuereinheit 24 des Schaltelements 26 ein oder mehrere Steuerausgänge aufweisen, die mit einem Gassperrventil des Fahrzeugs verbunden sind. Dadurch kann über das Schaltelement 26 beispielsweise die Sicherung der elektrischen Versorgung des Gassperrventils ausgelöst werden.
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Das Sicherungselement 14 des Ausführungsbeispiels in 1 ist in einem Sicherungsgehäuse 48 angeordnet, welches einen Gehäusedeckel 52 als Gehäusezugang 16 aufweist, um das Sicherungselement 14 entnehmen und wieder einsetzen zu können.
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2 zeigt eine Schaltanordnung der Vorrichtung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist den Unterschied auf, dass das Sicherungselement 14 zwischen dem zweiten Pol 68 der Stromversorgung 64 des Schützes 38 und der Service-Trennstelle 20 angeordnet ist, während zwischen der Niedervoltbatterie 10 und der alternativen Trennstelle 18 ein weiteres Sicherungselement 50 angeordnet ist. In diesem Fall ist nur das Sicherungselement 14 in einem separaten Sicherungsgehäuse 48 mit einem Gehäusezugang 16 angeordnet. Das Sicherungselement 50 kann vorteilhaft eine höhere Stromtragfähigkeit als das Sicherungselement 14 haben. Dadurch wird beim Aktivieren des Schaltelements 26 nur das Sicherungselement 14 ausgelöst. Das Sicherungselement 50 kann ohne Gehäuse normal im Sicherungsverteiler des Fahrzeugs verbaut sein.
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In 3 ist dazu ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt, bei dem auf die Service-Trennstelle 20 verzichtet wurde, da deren Funktion durch das Sicherungselement 14 mit dem separaten Sicherungsgehäuse 48 übernommen werden kann. Das Sicherungsgehäuse 48 dazu ist in den 4 und 5 dargestellt.
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4 zeigt in schematischer Darstellung das Sicherungsgehäuse 48 des Sicherungselements 14 in geschlossenem Zustand, während das Sicherungsgehäuse 48 in 5 in geöffnetem Zustand dargestellt ist. In 5 ist im Inneren des Gehäusekörpers 51 das Sicherungselement 14 in einer schematischen Darstellung zu erkennen.
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Das Sicherungselement 14 kann dabei zum Deaktivieren des Hochvoltbordnetzes 46 aus dem Sicherungsgehäuse 48 zerstörungsfrei entnommen und das Sicherungsgehäuse 48 verriegelt werden. Dadurch kann eine sonst üblicherweise eingesetzte Service-Trennstelle 20 (siehe 1 und 2) entfallen.
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Das Sicherungselement 14 ist in dem separaten geschlossenen Sicherungsgehäuse 48 mit einer Öffnungsmöglichkeit über einen Gehäusezugang 16 angeordnet. Das Gehäuse 48 enthält beispielsweise eine transparente, abschließbare Öffnungsmöglichkeit über den Gehäusedeckel 52 als Gehäusezugang 16. Der Gehäusedeckel 52 ist über ein drehbares Gelenk 56 mit dem Gehäusekörper 51 verbunden. Der Gehäusekörper 51 kann über eine Befestigungslasche 62 mit dem Fahrzeug fest verbunden sein. Ein elektrischer Anschluss für das Sicherungselement 14 ist über einen Steckeranschluss 58 möglich.
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Durch den transparenten Gehäusedeckel 52 kann man direkt von außen sehen, ob ein Sicherungselement 14 eingesetzt oder nicht eingesetzt ist. Ist kein Sicherungselement 14 eingesetzt, so kann das Schütz 38 der Hochvoltbatterie 30 nicht angezogen sein und das Hochvoltsystem ist demnach freigeschaltet.
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Der Gehäusedeckel 52 kann beispielsweise eine Aussparung 60 aufweisen, durch welche im geschlossenen Zustand eine Lasche 54 von der Innenseite durch den Gehäusedeckel 52 geführt ist. Die Lasche 54 kann eine Öffnung aufweisen, wodurch der Gehäusedeckel 52 in geschlossenem Zustand beispielsweise mit einem Vorhängeschloss verriegelt werden kann.
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Nach der Öffnung des Gehäusedeckels 52 kann das Sicherungselement 14 entnommen werden, danach das Sicherungsgehäuse 48 geschlossen und gegen Wiederöffnen mit dem Vorhängeschloss gesichert werden.
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Somit kann das Sicherungselement 14 und das Sicherungsgehäuse 48 für die Sicherheitsregeln des „Freischalten“ und des „Gegen Wiedereinschalten sichern“ verwendet werden. Der Gehäusedeckel 52 kann mit einem Bügelschloss oder mit einer Verplombung vom Fahrzeughersteller gesichert werden. Damit kann auch sofort durch eine fehlende Verplombung ersichtlich werden, wenn es sich um ein Unfall-Fahrzeug handelt.
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Vorteile sind der mögliche Entfall der Service-Trenneinrichtung 20, sowie zusätzlicher Schutz beim Wiedereinschalten durch Entfernung des Sicherungselements 14 und/oder Abziehen des Steckers 58 des Sicherungsgehäuses 48.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Niedervoltbatterie
- 12
- Masseanbindung
- 14
- Sicherungselement
- 16
- Gehäusezugang
- 18
- Alternative Trennstelle
- 20
- Service-Trennstelle
- 22
- Elektronische Funktionseinheit
- 24
- Steuereinheit
- 26
- Schaltelement
- 28
- Kommunikationsschnittstelle
- 30
- Hochvoltbatterie
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Kommunikationsschnittstelle Hochvoltbatterie
- 36
- Schaltelement positives Potential
- 38
- Schütz
- 40
- Schaltelement Masseseite
- 42
- Schaltkontakte
- 44
- Zellen Hochvoltbatterie
- 46
- Hochvoltbordnetz
- 48
- Sicherungsgehäuse
- 50
- Sicherungselement
- 51
- Gehäusekörper
- 52
- Gehäusedeckel
- 54
- Lasche
- 56
- Drehbares Gelenk
- 58
- Steckeranschluss
- 60
- Aussparung für Lasche
- 62
- Befestigungslasche
- 64
- Stromversorgung Schütz
- 66
- Erster Pol
- 68
- Zweiter Pol
- 100
- Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018207247 A1 [0003]
