-
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschalteinheit und ein Sicherheitsverfahren für ein elektrisches Fahrzeug.
-
Elektrische Fahrzeuge, wie zum Beispiel Automobile, Flugzeuge, Schiffe oder Eisenbahn, die mit einer Batterie ausgerüstet sind, müssen gewissen Sicherheitsstandards genügen. Insbesondere kommt es durch die hohe Leistungsdichte in der Batterie und die Größe der Batterie, die zum Antrieb des elektrischen Fahrzeuges dient, zu potentiell gefährlichen Situationen. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, muss die Batterie in einem Elektrofahrzeug widersprüchlichen Anforderungen genügen, um die notwendige Sicherheit zu erfüllen.
-
Einerseits muss die Batterie sicher getrennt werden, sodass der Motor nicht mehr mit der Batterie verbunden ist, wenn ein sicherheitskritischer Zustand auftritt. Ein sicherheitskritischer Zustand des Fahrzeuges kann beispielsweise ein Unfall, der durch Schocksensoren detektiert wird, oder eine Störung wie Überhitzung, beispielsweise der Batterie oder des Motors, sein. Bleibt es in diesem Zustand bei einer Verbindung von Batterie und Motor, kann dies zu weiteren Fehlern führen. Beispielsweise kann die Batterie überhitzt oder der Motor des Fahrzeugs durch die Batterie weiter angetrieben werden. Somit können bei nicht sicherem Trennen der Batterie vom Motor weitere Schäden entstehen.
-
Andererseits muss die Batterie weiterhin mit dem Bordnetz verbunden bleiben. Als Bordnetz wird die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in Fahrzeugen bezeichnet. Zu den elektrischen Komponenten eines Bordnetzes zählen insbesondere die Bremse, Licht oder Lenkung. Zusätzlich zählen dazu auch die Verkabelung und Bordspannungssteckdosen, Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente, z. B. Warn- und Kontrollleuchten, Displays, Aktoren, z. B. Elektromotoren für die Servolenkung, Leuchten und Beleuchtungssysteme, oder Bussysteme. Zu den Komponenten des Bordnetzes zählt nicht der Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges.
-
Somit kann es bei einer Trennung der Batterie vom Bordnetz zu weiteren Folgeschäden kommen, da beispielsweise das Fahrzeug nicht mehr sicher gelenkt werden kann, wenn beispielsweise die Servolenkung ausfällt. Auch kann es zu einem Folgeschaden kommen, wenn die elektrische Bremse nicht mehr funktioniert. Es kann aber auch schon zu einem Folgeschaden kommen, wenn ein Beleuchtungsmittel nicht mehr mit Energie versorgt wird, und somit andere Verkehrsteilnehmer auf das potentiell defekte Fahrzeug hingewiesen werden können.
-
Um diese widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, kann die Batterie beispielsweise mit 4 Kontakten versehen werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus 4 Kontakten (2 seriell, 2 Gruppen parallel) eingesetzt werden. Nachteilig dabei ist, dass der Einsatz von 4 Kontakten sehr kostenintensiv ist. Außerdem ist das zweite Sicherheitsziel, nämlich die Versorgung des Bordnetzes unter allen Umständen, nur mit sehr großen Aufwand zu erreichen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu überwinden. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheit in elektrischen Fahrzeugen zu erhöhen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Versorgung von Batterie und Bordnetz sicherzustellen. Ferner ist es eine Aufgabe, die Unterbrechung zwischen Batterie und Motor im Fehlerfall sicher und schnell zu gewährleisten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschleißarme Lösung zum Trennen und Verbinden der Batterie in Elektrofahrzeugen bereitzustellen. Des Weiteren ist eine Aufgabe, eine kostenoptimierte Lösung sicherzustellen. Ferner ist es eine Aufgabe, eine Lösung bereitstellen, die einfach und kostengünstig zu reparieren ist.
-
Die obigen Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Entsprechend einer ersten Ausführungsform umfasst die Sicherheitsschalteinheit für das elektrische Fahrzeug einen bidirektionalen Strompfad mit einem ersten Trennelement zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Batterie des Fahrzeugs und einem Elektromotor des Fahrzeugs.
-
„Bidirektional“ bedeutet, dass der Strom in beiden Richtungen durch den Strompfad fließen darf. Der bidirektionale Strompfad besitzt also keine Polung. Das bedeutet, dass sowohl Strom von der Batterie zum Motor fließen darf als auch, dass Strom vom Motor zu Batterie fließen darf. Jeder einzelne Anschluss, also sowohl der Batterieanschluss als auch der Mutteranschluss, ist gleichzeitig Kathode und alternativ Anode. Somit wird es ermöglicht, dass Energie vom Motor an die Batterie zurückübertragen wird, beispielsweise wenn das Fahrzeug abgebremst wird.
-
Ferner umfasst der bidirektionale Strompfad das erste Trennelement. Ein Trennelement ist ein Schalter oder ein Schaltgerät. Das Trennelement dient zum Ein- und Ausschalten eines Stromes, und zwar unmittelbar oder mittelbar als Folge einer Betätigung des Trennelements.
-
Ist die elektrische Verbindung durch das Trennelement getrennt, kann kein Strom fließen. Ist die elektrische Verbindung durch das Trennelement nicht getrennt, kann Strom fließen.
-
Entsprechend der ersten Ausführungsform umfasst die Sicherheitsschalteinheit für das elektrische Fahrzeug einen unidirektionalen Strompfad, um Strom von der Batterie zu einem Bordnetz des Fahrzeugs zu leiten, wobei der unidirektionale Strompfad ein zweites Trennelement zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie und dem Bordnetz umfasst.
-
Unidirektional bedeutet nur in eine Richtung. Der Strompfad zwischen der Batterie und dem Bordnetz ist nicht bidirektional (in beide Richtungen), sondern dazu eingerichtet, dass Strom nur in eine Richtung fließt, nämlich nur von der Batterie zum Bordnetz. Dies führt dazu, dass kein Rückkanal für den Strom zur Verfügung gestellt wird, über den das Bordnetz die Batterie mit Strom versorgt. Dies schließt aber nicht aus, dass im Fehlerfall, beispielsweise durch induktive Rückkopplung, beispielsweise eines Servomotors, ein Stromstoß vom Bordnetz zur Batterie erfolgt.
-
Somit ist es möglich, dass das zweite Trennelement unabhängig vom ersten Trennelement in diesem separaten unidirektionalen Strompfad vorgesehen wird. Zwei Trennelemente ermöglichen, dass beide Strompfade, nämlich der bidirektionale Strompfad und der unidirektionale Strompfad, von einer übergeordneten Steuerung angesteuert werden können.
-
Entsprechend der ersten Ausführungsform umfasst die Sicherheitsschalteinheit eine Steuereinheit mit einem Fahrzeugeingang zum Empfangen von Befehlen und einem Schaltausgang zum Schalten des ersten und zweiten Trennelements.
-
Eine Steuereinheit ist eine elektronische Einheit der Computer-Hardware, die bestimmte Vorgänge steuert. Insbesondere kann die Steuereinheit nur aus einem integrierten Schaltkreis gebildet werden, beispielweise einem Mikrocontroller.
-
Die Steuereinheit kann insbesondere Befehle empfangen. Ein Befehl ist eine Information, aus der die Steuereinheit ableiten kann, dass ein Steuersignal erzeugt werden muss. Beispielweise kann dies ein direkter Befehl sein. Alternativ kann die Steuereinheit auch diesen Befehl aus einem Fahrzeugparameter ableiten. Ein Fahrzeugparameter kann beispielsweise eine Temperatur des Motors oder der Batterie sein. Weitere Fahrzeugparameter können beispielsweise Signale von Schocksensoren sein, um einen Crash mit einem weiteren Verkehrsteilnehmer oder einem Hindernis zu detektieren. Beispielsweise ist auch ein Signal zum Auslösen einer Sicherheitseinrichtung, beispielsweise eines Airbags, oder eines Sicherheitsverfahrens, beispielsweise Initiieren einer Vollbremsung, ein Fahrzeugparameter. Auch kann ein Fahrzeugparameter ein Statusparameter eines der Trennelemente sein. Aus solchen Fahrzeugparametern kann abgeleitet werden, dass die Steuereinheit ein Schaltsignal erzeugen muss.
-
Entsprechend der ersten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, ein Schaltsignal zu erzeugen, wenn ein einziger Befehl empfangen wird, wobei das Schaltsignal dazu geeignet ist, den bidirektionalen Strompfad zu trennen und den unidirektionalen Strompfad zu verbinden.
-
Durch die Struktur der Sicherheitsschalteinheit, die Strompfade mit unterschiedlichen Anforderungen mit unterschiedlichen Technologien aufzutrennen, können die beiden Trennelemente zusammen von einer übergeordneten Steuereinheit als einziges Trennelement behandelt werden. Insbesondere kann die übergeordnete Schalteinheit einen Befehl an die Steuereinheit senden, und dieser kann als Steuersignal an beide Trennelement ausgegeben werden.
-
Somit wird ermöglicht, dass unterschiedliche Pfade für unterschiedliche Anforderungen verwendet werden, die mit einem Signal gesteuert werden. In anderen Worten, die Gesamtstruktur ist eine smarte Schalteinheit, die für vorgelagerte Steuerung wie ein einfaches Trennelement erscheint, die Schalteinheit ist eigenständig und erfordert keine weitergehenden Maßnahmen in der Bordelektronik.
-
Das erzeugte Schaltsignal weist das erste Trennelement an, in den offenen Zustand zu gehen. Ferner weist das Schaltsignal das zweite Trennelement an, in den geschlossenen Zustand zu gehen.
-
Durch diese Anordnung kann die Anzahl der Kontakte reduziert werden. Beispielweise können an einem positiven Pol der Batterie separate Kontakte für den unidirektionalen und den bidirektionalen Pfad vorgesehen sein. Am negativen Pol der Batterie kann ein einziger Kontakt vorgesehen sein, an dem sowohl der unidirektionale als auch der bidirektionale Pfad angebunden sind.
-
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das erzeugte Schaltsignal an das erste und zweite Trennmittel in Antwort auf den einen empfangenen Fahrzeugparameter zu senden. Dies kann beispielsweise automatisch erfolgen oder die Steuereinheit kann noch eine vorbestimmte Zeit warten, beispielsweise um weitere Diagnoseparameter zu empfangen, bevor das Steuersignal gesendet wird.
-
Die Steuereinheit muss aber nicht notwendigerweise das erzeugte Startsignal an die Trennelemente senden, da vorteilhafterweise der Ruhezustand des ersten Trennelements offen ist und der Ruhezustand des zweiten Trennelements geschlossen ist. Somit ist es nicht notwendig ein Steuersignal auszusenden, wenn die Steuereinheit weiß, beispielsweise durch Auslesen eines internen Speichers, dass die Trennelemente im Ruhezustand sind.
-
Somit wird durch das Zusammenspiel der Struktur, nämlich die 2 getrennten Strompfade, und der Steuereinheit, die die 2 getrennten Strompfade trennen kann, das Sicherheitslevel in einem elektrischen Fahrzeug erhöht. Insbesondere kann die Steuereinheit in einfacher Weise, nämlich mit nur einem Signal, auf einen Fehlerfall des Fahrzeuges, nämlich durch Empfangen eines einzigen Befehls, reagieren.
-
Vorteilhafterweise umfasst das erste Trennelement einen Stromstoßschalter. Stromstoßschalter sind elektromagnetisch betätigte Schalter, beispielsweise Relais oder Schütze, die durch einen elektrischen Impuls einen Schaltzustand ändern. Insbesondere bei der Verbindung von Motor und Batterie müssen hohe Spannungen, beispielsweise über 500 V, und hohe Ströme, beispielsweise über 100 A, sicher geschalten werden. Diese hohen Leistungsparameter führen dazu, dass beim Trennen des bidirektionale Strompfads Lichtbögen entstehen können, die zu einer Verschweißung der Kontakte führen können.
-
Insbesondere Relais und Schütze als Stromstoßschalter weisen Vorteile auf, wie hohe Einschaltleistung bzw. hohe Überlastbarkeit, die Schaltstrecke muss seltener durch eine Schutzbeschaltung vor Induktionsströmen der geschalteten Last geschützt werden, hoher Isolationswiderstand und hohe Sperrspannung der Schaltstrecke (sichere Galvanische Trennung von Batterie und Motor). Auch benötigen sie keine Kühlung, wie beispielsweise Halbleiterrelais bei hohen Lasten. Schließlich weisen sie eine Störfestigkeit durch ausgeprägtes Hystereseverhalten und Robustheit der Spule auf, da sie Überspannung einige Male unbeschadet hinnimmt.
-
Vorteilhafterweise ist der Stromstoßschalter in Ruhestellung offen. Somit kann selbst bei einem Ausfall der Steuereinheit sichergestellt werden, dass Batterie und Motor getrennt sind und es ist nicht notwendig, dies durch ein Steuersignal an das erste Trennelement zu befehlen.
-
Vorteilhafterweise umfasst das erste Trennelement ferner einen pyrotechnischen Sicherheitsschalter (PSS), wobei der PSS und das Relais in Reihe geschaltet sind. Pyrotechnische Sicherheitsschalter trennen den Stromkreis sicher und zuverlässig, vorteilhafter ausgelöst durch die Steuereinheit bevor eine weitere elektrische Verbindung von Motor und Batterie zu weiteren Schäden führen kann.
-
Vorteilhafterweise wird der pyrotechnische Sicherheitsschalter, einschließlich der Leitung und des Auslösers, vom Steuergerät kontinuierlich auf Funktionsfähigkeit überwacht. Nach dem Auslöseimpuls erfolgt die Abschaltung ohne weitere externe Hilfe.
-
Die Kombination zweier unterschiedlicher Schalter für das erste Trennelement erhöhen die Sicherheit. Insbesondere erhöht sich die Sicherheit durch Verwenden von 2 Schaltern mit der Potenz 2. Ferner erhöht sich die Sicherheit nochmals, da unterschiedliche Bautypen für die Schalter verwendet werden und somit ein Auslösen des Ereignisses für ein Fehlverhalten eines Schalters, beispielsweise ein Kurzschlussstrom der zum Verschweißen des Relais führt, nicht notwendigerweise zu einem Fehler im zweiten Schalter, der in Reihe geschaltet ist, also dem PSS, führt. Vorteilhafterweise ist der PSS in Ruhestellung geschlossen. Somit kann der PSS unabhängig, beispielsweise durch eine weitere Einheit, geöffnet werden, selbst wenn ein Fehler in der Steuereinheit vorliegt.
-
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das zweite Trennelement einen elektronischen Schalter. Ein elektronischer Schalter, auch Analogschalter oder Halbleiterschalter, ist Bestandteil einer elektronischen Schaltung, die die Funktion eines elektromechanischen Schalters realisiert. Dabei kommen als Schaltelemente Feldeffekttransistoren (FET) und Bipolartransistoren sowie Dioden zum Einsatz. In Kombination mit Vorschaltwiderständen werden Bipolartransistoren in Schaltanwendungen auch als Digitaltransistor bezeichnet. Im weiteren Sinn werden auch Thyristoren und Halbleiterrelais zu den elektronischen Schaltern gezählt. Solche Bauteile ermöglichen ein schnelles Schalten, wobei wenig Leistung notwendig zum Schalten ist.
-
Bei elektronischen Halbleiterbauelementen bedeutet „unidirektional“, dass der Strom (regulär) nur in einer Richtung durch sie fließen darf. Die Halbleiterbauelementen sind unidirektional in dem Sinn, dass der Stromfluss in einer Richtung einen geringen Widerstand und damit Verlustleistung aufweist, in der anderen Richtung aber z.B. bei FETs durch die Body-Diode fließt und hohe Verlustleistung erzeugt. Solche Bauteile besitzen also eine Polung, also einen Pluspol (Anode) und einen Minuspol (Kathode). Hier ist also das elektrische Bauteil so geschaltet, dass Strom von der Batterie zum Motor fließt. Somit kann durch eine geeignete Anordnung des elektrischen Schalters der unidirektionale Strompfad realisiert werden.
-
Alternativ könnte der unidirektionale Strompfad nach einer nicht näher diskutierten Ausführungsform durch einen weiteren Schalter realisiert werden.
-
Vorteilhafterweise ist der elektrische Schalter in der Ruhestellung geschlossen. Dies ermöglicht, dass auch ohne ein Steuersignal eine Verbindung von Batterie zum Bordnetz sichergestellt wird. Diese Anordnung nimmt in Kauf, dass bei einem Fehlerfall, beispielsweise einem Ausfall der Steuereinheit, die Batterie sich durch Verbraucher, die am Bordnetz angeschlossen sind, langsam entleert. Dies führt aber nicht zu einem bleibenden Schaden, da die Batterie von extern wieder aufgeladen werden kann.
-
Ferner wird bei dieser Lösung gewährleistet, dass selbst bei einem untypischen Fehlerfall das Bordnetz weiterhin sicher mit Strom versorgt werden kann. Ein untypischer Fehlerfall wäre, wenn eine Stromspitze oder Spannungsspitze von einer Komponente, die ans Bordnetz angeschlossen ist, beispielsweise eines Servomotors oder eines Verbrauchers, erzeugt wird. Dies kann dazu führen, dass der elektrischen Schalter durchlegiert und somit nicht mehr zu öffnen ist.
-
Vorteilhafterweise umfasst das zweite Trennelement eine Vielzahl von parallel geschalteten elektronischen Schaltern. Somit kann ein Fehlerfall eines elektronischen Schalters, der nicht mehr steuerbar ist und im offenen Zustand ist, durch den zumindest einen weiteren parallel geschalteten elektrischen Schalter ausgeglichen werden. Somit kann die Sicherheit erhöht werden, da das Bordnetz selbst bei Ausfall eines elektrischen Schalters noch von der Batterie versorgt werden kann.
-
Vorteilhafterweise umfasst die Steuereinheit ferner einen Diagnoseeingang zum Empfangen von Schaltzuständen der Trennelemente. Insbesondere können (separate) Diagnoseeingänge zum Empfangen der Schaltzustände des Stromstoßschalters, des PSS und jedes der elektronischen Schalter vorgesehen sein. Somit kann in Abhängigkeit von den Zuständen jedes der einzelnen Trennelemente ein entsprechendes Signal erzeugt werden und die Sicherheit weiter erhöht werden.
-
Insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Steuereinheit ferner einen Kommunikationsausgang zum Senden von Schaltzustände der Trennelemente an das elektrische Fahrzeug umfasst. Somit kann beispielsweise kommuniziert werden, dass ein elektronischer Schalter oder der Stromstoßschalter oder der PSS einen Fehler aufweist. Wenn nur eines der Trennelemente einen Fehler aufweist, kann die Sicherheit noch gewährleistet werden und der Fahrer kann aufgefordert werden, das entsprechende Bauteil zu tauschen. Dies führt zu einer kostengünstigen Wartung.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein Sicherheitsverfahren für ein elektrisches Fahrzeug, wobei das Sicherheitsverfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines bidirektionalen Strompfads mit einem ersten Trennelement zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen einer Batterie des Fahrzeugs und einem Elektromotor des Fahrzeugs;
- Bereitstellen eines unidirektionalen Strompfads, um Strom von der Batterie zu einem Bordnetz des Fahrzeugs zu leiten, wobei der unidirektionale Strompfad ein zweites Trennelement zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie und dem Bordnetz umfasst;
- Empfangen, durch eine Steuereinheit, eines Befehls vom elektrischen Fahrzeug; und
- Erzeugen, durch die Steuereinheit, basierend auf dem einen einzigen empfangenen Befehl eines Schaltsignals, wobei das Schaltsignal dazu geeignet ist, den bidirektionalen Strompfad zu trennen und den unidirektionalen Strompfad zu verbinden.
-
Vorteilhafterweise umfasst das Sicherheitsverfahren den Schritt;
- Senden, durch die Steuereinheit, des Schaltsignals an zumindest eines der Trennelemente.
-
Somit kann die Sicherheit noch weiter erhöht werden, da durch das zusätzliche Senden die Trennelemente in den sicheren Zustand geschalten werden, selbst wenn fehlerhaft diagnostiziert wird, dass sie sich im Ruhezustand befinden und durch das Schaltsignal es dann zu einer Schaltänderung bei dem Trennelement kommt.
-
Vorteilhafterweise umfasst das Sicherheitsverfahren, ferner den Schritt
- Empfangen, durch die Steuereinheit, eines Schaltzustands von zumindest einem der Trennelemente.
-
Somit kann eine Diagnose der Schaltzustände durchgeführt werden und es können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
-
Vorteilhafterweise wird das Schaltsignal basierend auf dem empfangenen Schaltzustand erzeugt. Wird beispielsweise ein Fehler im Stromstoßschalter festgestellt, insbesondere das der Stromstoßschalter nicht mehr in den offenen Zustand gebracht werden kann, dann wird der PSS durch das Schaltsignal in den offenen Zustand gebracht.
-
Vorteilhafterweise umfasst das Sicherheitsverfahren, ferner den Schritt
- Senden, durch die Steuereinheit, des Schaltzustands an das elektrische Fahrzeug.
-
Somit kann ein Diagnosezustand dem Fahrer des Fahrzeuges mitgeteilt werden und ein Fehlverhalten in einer sicherheitskritischen Situation kann vermieden werden. Wird beispielsweise ein Fehler im Stromstoßschalter festgestellt, insbesondere, dass der Stromstoßschalter nicht mehr in den offenen Zustand gebracht werden kann, dann wird dem Fahrer mitgeteilt, dass der Stromstoßschalter ausgetauscht werden muss.
-
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
-
Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild der Sicherheitsschalteinheit.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die 1 beschrieben. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Sicherheitsschalteinheit 100. Die Sicherheitsschalteinheit 100 umfasst eine Batterie 200, einen Motoranschluss 300 zum Anschließen eines elektrischen Motors (nicht gezeigt), einen Bordnetzanschluss 400 zum Anschließen des Bordnetzes (nicht gezeigt) und einen Kontroll- und Diagnoseanschluss 500 zum Anschließen einer übergeordneten Steuereinheit (nicht gezeigt).
-
Die Batterie 200 und der Motoranschluss 300 sind über einen bidirektionalen Strompfad 600 verbunden. Der bidirektionale Strom von 600 ermöglicht, dass Strom sowohl von der Batterie 200 zum Motoranschluss 300 geleitet wird als auch, dass Strom vom Motoranschluss 300 zur Batterie 200 geleitet wird.
-
Im bidirektionalen Strompfad 600 sind entsprechend der vorliegenden Ausführungsform Trennelemente 610 und 620 vorgesehen. Sind die Trennelemente 610 und 620 geschlossen, dann verbindet der bidirektionale Strompfad 600 Motoranschluss 300 und die Batterie 200. Somit kann sowohl durch die Batterie 200 der Motor angetrieben werden als auch die Batterie 200 durch den Motor geladen werden.
-
Entsprechend der gezeigten Ausführungsform handelt es sich beim Trennelement 610 um einen Stromstoßschalter, insbesondere um ein Relais. Somit kann eine komplette Trennung der Batterie 200 erfolgen.
-
Ferner handelt es sich entsprechend der vorliegenden Ausführungsform beim Trennelement 620 um einen pyrotechnischen Sicherheitsschalter. Der pyrotechnische Sicherheitsschalter 620 ist mit dem Relais 610 in Reihe geschaltet. Somit ermöglicht der PSS eine unabhängige und zusätzliche Trennung der Batterie vom Motor.
-
Ferner sind die Batterie 200 und der Bordnetzanschluss 400 über einen unidirektionalen Strompfad 700 verbunden. Der unidirektionale Stromfahrt 700 ermöglicht, dass Strom von der Batterie zum Bordnetzanschluss 400 geleitet wird. Somit kann das Bordnetz mit Energie von der Batterie 200 versorgt werden. Da die Komponenten des Bordnetzes Verbraucher sind, wird durch diese Komponenten keine Energie erzeugt, die zum Laden der Batterie dienen kann.
-
Im unidirektionale Strompfad 700 der gezeigten Ausführungsform ist ein Trennelement 710 vorgesehen. Ist das Trennelement geschlossen, dann kann Strom von der Batterie 200 zum Bordnetz 400 geleitet werden.
-
Entsprechend der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Trennelement 710 um einen elektronischen Schalter, insbesondere um einen Feldeffekttransistor (FET). Somit ist selbst bei Durchlegieren des elektrischen Schalters die Batterie 200 und das Bordnetz sicher verbunden. Ein elektrischer Schalter legiert durch, wenn beispielsweise durch übermäßige Wärme die Katode und die Anode des Schalters dauerhaft verbunden sind. Übermäßige Wärme kann beispielsweise durch einen übermäßigen Strom oder Spannungsstoß, für den der elektronische Schalter nicht ausgelegt ist, erzeugt werden.
-
Entsprechend einer nicht gezeigten Ausführungsform können anstatt des einen elektronischen Schalters 710 eine Vielzahl von elektronischen Schaltern vorgesehen sein, die parallel geschaltet sind. In anderen Worten, jeder der Schalter ist elektrisch leitend mit der Batterie 200 und dem Bordnetzanschluss 400 verbunden. Diese Anordnung ermöglicht, dass wenn ein elektrischer Schalter durch einen Fehler dauerhaft im offenen Zustand ist, ein parallel dazu geschalteter funktionstüchtige Schalter noch Strom von der Batterie 200 zum Bordnetzanschluss 400 leiten kann.
-
Die Sicherheitsschalteinheit 100 umfasst ferner eine Steuereinheit 800, eine Kontroll- und Diagnoseeinheit 810 für das Relais 610, eine Kontroll- und Diagnoseeinheit 820 für den PSS 620 und eine Kontroll- und Diagnoseeinheit 830 für den elektrischen Schalter 710.
-
Die Steuereinheit 800 ist mit dem Kontroll- und Diagnoseanschluss 500 verbunden. Somit kann die Steuereinheit 800 von einer übergeordneten Steuereinheit über den Kontroll- und Diagnoseanschluss 500 Befehle erhalten und Zustandswerte der Trennelemente kommunizieren.
-
Ferner ist die Steuereinheit 800 mit den Kontroll- und Diagnoseeinheiten 810, 820 und 830 verbunden. Somit kann die Steuereinheit 800 von den Kontroll- und Diagnoseeinheiten Zustandswerte der Trennelemente erhalten und Schaltsignale kommunizieren.
-
Insbesondere ermittelt die Kontroll- und Diagnoseeinheit 810 die Stellung des Relais 610 und übermittelt den Schaltzustand an die Steuereinheit 800. Somit kann ein Fehlerfall des Relais 610, beispielsweise das Verschweißen der Kontakte, zuverlässig und schnell ermittelt werden. Im Fehlerfall kann eine Nachricht über den Kontroll-und Diagnoseanschluss 500 an das elektrische Fahrzeug kommuniziert werden, beispielsweise sofort eine Werkstatt aufzusuchen. Zusätzlich oder alternativ kann, wenn die Batterie vom Motor getrennt werden muss, ein Steuersignal von der Steuereinheit 800 den PSS zünden.
-
Ferner ermittelt die Kontroll- und Diagnoseeinheit 820 den Zustand des PSS 620. Insbesondere kann der Zustand des PSS überprüft werden, auch wenn er noch nicht gezündet ist. Somit kann ein Fehlerfall des PSS 620, beispielsweise, wenn dieser kein Steuersignal mehr erhält, zuverlässig und schnell ermittelt werden. Im Fehlerfall kann eine Nachricht über den Kontroll-und Diagnoseanschluss 500 an das elektrische Fahrzeug kommuniziert werden. Zusätzlich kann wenn die Steuereinheit 800 ermittelt, dass auch das Relais defekt ist, eine Nachricht an den Fahrer kommuniziert werden, dass das Fahrzeug sofort gestoppt werden muss.
-
Ferner ermittelt die Kontroll- und Diagnoseeinheit 830 den Zustand des elektrischen Schalters 710. Insbesondere kann der Zustand eines jeden der Vielzahl von elektrischen Schaltern überprüft werden. Sollte der Fehlerfall auftreten, dass einer der elektrischen Schalter durchlegiert ist, dann kann der Fahrer darauf hingewiesen werden, dass beim Abstellen des Fahrzeuges ohne externe Stromzuführung zur Batterie sich diese vollständig entladen kann. Sollte andererseits der Fehlerfall auftreten, dass eine kritische Anzahl der parallel geschalteten elektrischen Schalter nicht mehr in den geschlossenen Zustand gebracht werden kann, dann kann der Fahrer aufgefordert werden, eine Werkstatt aufzusuchen.
-
Auch wenn in den Figuren nicht gezeigt, kann der PSS auch direkt vom Fahrzeug aus gezündet werden. Beispielsweise kann ein Crashsensor direkt mit dem PSS verbunden sein und diesen auslösen. Somit wird in extremen Gefahrensituationen die Batterie zuverlässig vom Motor getrennt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Sicherheitsschalteinheit
- 200
- Batterie
- 300
- Motoranschluss
- 400
- Bordnetzanschluss
- 500
- Kontroll- und Diagnoseanschluss
- 600
- bidirektionalen Strompfad
- 610
- Relais
- 620
- pyrotechnische Sicherheitsschalter
- 700
- unidirektionaler Strompfad
- 710
- FET
- 800
- Steuereinheit
- 810, 820, 830
- Kontroll- und Diagnoseeinheit
