-
EINLEITUNG
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektrische Systemtrennvorrichtungen, die zum Schutz der Systemverdrahtung und der Komponenten vor Überspannungs- und Überstrombedingungen verwendet werden.
-
Zu den Trenngeräten gehören Leistungsschalter, Schütze und Sicherungen. Konventionelle automatische Trennvorrichtungen, wie z. B. Leistungsschalter, werden üblicherweise verwendet, wenn eine volle Stromlast nicht über das Gerät abfallen soll, wenn es geöffnet wird, um Lichtbogenbildung über dem Leistungsschalter zu verhindern. Herkömmliche Sicherungen können über die Nennstromlast hinaus auslösen, jedoch reagieren Sicherungen auf Überstrombedingungen mit einem wärmeempfindlichen Material, das schmilzt, um einen Stromkreis zu unterbrechen und elektrische Leitungen und Komponenten zu schützen. Hochspannungs- (HV), z. B. >300 Vdc, Hochstrom- (>30A) Sicherungen und Schutzschalter sind typischerweise sperrig und haben langsame Ansprechzeiten, die ca. 5 Millisekunden (ms) oder mehr definieren, und sind begrenzt in der Temperaturansprechzeit und den Stromgrenzen, die erforderlich sind, um das Sicherungsmaterial auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Schmelzsicherungen haben mehrere Nachteile. Schmelzsicherungen sind passive Geräte, die nicht automatisch oder auf andere Weise zurückgesetzt werden können, und der Strom, der zum Öffnen einer Sicherung erforderlich ist, obwohl er vorher festgelegt wurde, kann unter tatsächlichen Einsatzbedingungen stark variieren. Einmal ausgelöste Sicherungen müssen manuell ausgetauscht werden und erfordern daher einen physischen Zugang, wenn sie in einem System positioniert werden. Darüber hinaus kann die unterschiedliche Ansprechzeit von Sicherungen in batteriebetriebenen Systemen, wie z. B. in Elektrofahrzeugen, unter bestimmten Fehlerbedingungen, wie z. B. einem HV-Batteriekurzschluss, zu einem übermäßigen Fehlerstrom führen.
-
Während die derzeitigen Trennvorrichtungen ihren Zweck erfüllen, besteht daher ein Bedarf an einer neuen und verbesserten Trennvorrichtung und einem Verfahren zum Betrieb einer Trennvorrichtung.
-
KURZFASSUNG
-
Gemäß mehreren Aspekten umfasst eine Trennvorrichtung eine Montageplatte oder eine Leiterplatte mit: einem Halbleiterschalter, der auf der Montageplatte getragen wird und eine Eingangsstromquelle mit einer Last verbindet oder von ihr trennt; und einer elektronischen Erfassungs-, Steuer- und Schutzschaltung, die auf der Montageplatte oder der Leiterplatte getragen wird und mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, um den Betrieb des Halbleiterschalters zu steuern. Eine Steuereinheit, die über einen elektrisch isolierten Steuerpfad mit der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung kommuniziert, um die Steuerung und Kommunikation zwischen der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung und dem Halbleiterschalter bereitzustellen.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung erzeugt die elektronische Erfassungs-, Steuer- und Schutzschaltung ein aktives Steuersignal für den Halbleiterschalter.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die aktive Steuerung eine befohlene aktive Abschaltung unter nicht-elektrischen Fehlerbedingungen.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert die elektronische Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung eine passive oder autonome Steuerung des Halbleiterschalters.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthalten der Halbleiterschalter, die elektronische Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung und die Steuereinheit keine beweglichen Teile.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine elektrisch nicht leitende Abdeckung um die Trennvorrichtung vorgesehen, wobei die Abdeckung ein polymeres Material definiert.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein elektrisch isoliertes, wärmeleitendes Substrat auf die Montageplatte aufgebracht. Der Halbleiterschalter wird auf elektrisch leitende Schichten montiert, die auf dem elektrisch isolierten Substrat angebracht sind.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein programmierbarer Auslösestrom in Abhängigkeit von der Zeit von der Steuereinheit angewandt, um die Abschaltung der Last von der Stromquelle zu befehlen.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Halbleiterschalter so betreibbar, dass er bei Empfang eines Öffnungsbefehls in 0,2 ms oder weniger öffnet.
-
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung übermittelt die Trennvorrichtung kontinuierlich oder in einem vorgegebenen Zeitintervall den Status der Trennvorrichtung über den Steuerpfad an die Steuereinheit.
-
Gemäß mehreren Aspekten umfasst eine Trennvorrichtung für ein Kraftfahrzeug eine Montageplatte mit einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Substrat, das auf die Montageplatte aufgebracht ist. Auf dem Substrat ist eine erste Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufgebracht. Ein Halbleiterschalter, der auf der ersten Schicht getragen wird, verbindet oder trennt eine Eingangsstromquelle mit oder von einer Last. Eine zweite Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, die auf das Substrat aufgebracht ist, ist von der ersten Schicht elektrisch isoliert. Eine elektronische Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung wird auf der zweiten Schicht getragen und ist mit dem Halbleiterschalter verbunden, um den Betrieb des Halbleiterschalters zu steuern. Eine Steuereinheit, die über einen elektrisch isolierten Steuerpfad mit der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung kommuniziert, sorgt für die Steuerung und Kommunikation zwischen der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung und dem Halbleiterschalter.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung stehen ein Schaltertreiber und eine Steuerung, die mit der zweiten Schicht verbunden sind, in Kommunikation mit dem Halbleiterschalter.
-
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung bieten der Schaltertreiber und die Steuerung eine eingebaute Erkennung und einen Schutz gegen Überspannung und thermische Überlast während des wiederholten Ein- und Ausschaltens der Last im Fehlerfall.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält der Regler einen Sollwert für Auslösestrom und Zeit, der die Last von der Eingangsstromquelle trennt, wenn der Sollwert erreicht ist.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind eine Leiterplatte und ein Signalverbinder mit der zweiten Schicht verbunden, wobei die Leiterplatte die Kommunikation zwischen dem Leistungsschalter und dem Schaltertreiber sowie der Steuerung und dem Signalverbinder herstellt.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung steht der Signalanschluss in Kommunikation mit der Steuereinheit, wobei die Steuereinheit Spannungsvorspannung und Steuersignale für den Betrieb des Leistungsschalters erzeugt.
-
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine erste leitfähige Stromschiene mit der ersten Schicht verbunden, die die Verbindung zur Eingangsstromquelle herstellt. Eine zweite leitfähige Stromschiene ist mit der zweiten Schicht und mit der Last verbunden.
-
Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung Anbringen eines wärmeleitenden, elektrisch isolierten Substrats auf einer Montageplatte; Anbringen einer ersten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material auf dem Substrat; Tragen eines Halbleiterschalters auf der ersten Schicht, der dazu dient, eine Eingangsstromquelle mit einer Last zu verbinden oder von ihr zu trennen; elektrisches Isolieren einer zweiten Schicht aus einem elektrisch leitenden Material auf dem Substrat von der ersten Schicht; Verbinden einer elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung mit der zweiten Schicht und mit dem Halbleiterschalter, um den Betrieb des Halbleiterschalters zu steuern; und Bereitstellen einer Steuereinheit in Kommunikation mit der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung über einen elektrisch isolierten Steuerpfad, um eine Steuerung und Kommunikation zwischen der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung und dem Halbleiterschalter bereitzustellen.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Erzeugung von Vorspannungsleistung und Steuersignalen durch die Steuereinheit für den Betrieb des Leistungsschalters.
-
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Öffnen des Schalters, um die Last von der Eingangsstromquelle zu trennen, wenn ein Laststrom unter Überlast- oder Kurzschlussbedingungen einen vorgegebenen Wert in Bezug auf die Zeit überschreitet.
-
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
-
Figurenliste
-
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 ist eine schematische Darstellung einer Trennvorrichtung gemäß einem beispielhaften Aspekt;
- 1a ist eine detaillierte schematische Darstellung der Trennvorrichtung von 1;
- 1b ist eine schematische Anwendung der Trennvorrichtung von 1 in einem batteriebetriebenen Hochspannungslastkreis;
- 2 ist eine rechte perspektivische Ansicht einer beispielhaften Trennvorrichtung von 1;
- 3 ist eine Draufsicht auf die Unterbrechungsvorrichtung von 2;
- 4 ist eine seitliche Teilquerschnittsansicht der Trennvorrichtung von 2; und
- 5 ist eine Frontansicht eines Modulgehäuses, das die Trennvorrichtung von 2 enthält.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
-
Bezugnehmend auf 1 umfasst ein System und Verfahren zum Betrieb einer aktiven Trennvorrichtung 10 eine Trennvorrichtung 12 mit einem verlustarmen Halbleiterschalter 14, der eine Eingangsstromquelle 16 mit einem Ausgang, der auch als Last 18 definiert ist, verbindet oder von diesem trennt. Gemäß mehreren Aspekten kann die Trennvorrichtung 10 zum Trennen von Merkmalen oder Elementen eines elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Der Halbleiterschalter 14 kann eine Vielzahl von Halbleiterchips umfassen, die ein Halbleitermaterial, wie Silizium, Siliziumkarbid, Galliumoxid und Galliumnitrid, verwenden, um einen MOSFET oder einen IGBT zu bilden. Die Trennvorrichtung 12 kann in der Lage sein, Hochspannung in einer einzigen Richtung oder in beiden Richtungen während eines Aus-Zustands zu sperren. Eine elektronische Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung 20 ist mit dem Halbleiterschalter 14 verbunden und sorgt entweder für einen aktiven oder einen passiven Steuerbetrieb. Die elektronische Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung 20 steht über einen Steuerpfad 24 mit einer Steuereinheit 22, z. B. einem Systemcontroller, in Verbindung, um die Steuerung und Kommunikation mit der elektronischen Abtast-, Steuer- und Schutzschaltung 20 zu ermöglichen. Die Trennvorrichtung 12 ist auch mit einer Masse 26 verbunden. Gemäß mehreren Aspekten ist die Trennvorrichtung 12 ein rücksetzbarer, programmierbarer elektronischer Trennschalter ohne bewegliche Teile.
-
Unter Bezugnahme auf 1a und 1b werden schematische Darstellungen einer beispielhaften aktiven Trennvorrichtung 12 gezeigt, die für eine Gleichstromlast geeignet ist, die von einer Hochspannungs-Gleichstromquelle gespeist wird. Aus 1a geht hervor, dass die beispielhafte Trennvorrichtung aus einem Halbleiter-Leistungsschalter 12, verschiedenen Sensoren einschließlich eines Stromsensors 15, eines thermischen Sensors 17 und eines Spannungssensors 19, einem Signalschnittstellenanschluss 21, einer Stromversorgung 23, einem Schaltertreiber 25 und Steuerblöcken 27 besteht. Ein einzelner oder mehrere Leistungs-MOSFET(s) (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), die parallel geschaltet sind, dienen als Leistungsschalter 14 zwischen den Eingangs- 16 und Ausgangsklemmen 18. Ein Drain oder Anschluss (Anschlüsse) 1 des/der MOSFET(s) ist mit dem Eingangsleistungsanschluss 16 verbunden und ein Source oder Anschluss (Anschlüsse) 2 des/der MOSFET(s) ist mit dem Ausgangslastanschluss 18 über den Stromsensor 15 verbunden, der ein resistiver Shunt, ein Hall-Effekt-Sensor, ein magnetoresistiver Sensor oder ein anderer geeigneter Sensor sein kann, der ein Signal erzeugt, das proportional zu dem durch den Schalter zur Last geleiteten Strom ist.
-
Der Signalanschluss 46 bildet die Schnittstelle zwischen dem aktiven Trennschalter 12 und der externen Steuerung 22 in 1, um die Vorspannungsversorgung, Masse (Gnd) und Befehlseingänge zu empfangen und eine Rückmeldung des Schalterstatus zu liefern. Eine Vorspannungsversorgungsspannung in Bezug auf Masse beträgt 3,3 V bis 24 V und liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 V und 15 V und wird von einer galvanisch getrennten Stromversorgung verwendet, um eine geregelte Leistung (z. B. 5 bis 15 V) für die Sensor-, Steuer- und Treiberschaltungen zu erzeugen, die auf die Ausgangsklemme 18 oder die Leistungsschalterklemme 2 bezogen sind.
-
Befehlssignale 27 und Statussignale 29 auf einer Systemsteuerungsseite durchlaufen die Signaltrenner 21 innerhalb der Schaltersteuerung 44, um eine galvanische Trennung von den hohen Spannungen an den Schalterklemmen zu gewährleisten, die mit Spannungen von 200V bis 900V über dem Erdpotential arbeiten können. Das isolierte Ausgangsbefehlssignal 27 wird von einem Schaltersteuerblock verwendet, um den Leistungsschalter über den Schaltertreiber aktiv auszuschalten. Darüber hinaus empfängt der Schaltersteuerblock Ausgangssignale vom Spannungssensor 19, dem Stromsensor 15 und dem Temperatursensor 17 und erkennt, ob ein Fehlerzustand vorliegt, der verriegelt und zum Ausschalten des Leistungsschalters 12 und zur Meldung an eine Systemsteuerung 54 verwendet wird, die unter Bezugnahme auf 3 über eine Statusleitung 56 durch den Signaltrenner 21 beschrieben wird.
-
Die Steuerlogik 44, der Schaltertreiber 25 und die Signaltrenner 21 können in einem einzigen Chip-IC (integrierter Schaltkreis) oder als Multi-Chip-Modul integriert sein, um die Gehäusegröße und die Kosten zu minimieren. Eine passive Überspannungsschutzschaltung für den Leistungsschalter 14 kann auch in die aktive Trennvorrichtung 12 in Form eines Widerstands-Kondensator-Snubbers 31 oder einer Zenerdioden-Spannungsklemme zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) integriert werden, die über die Klemmen 1 und 2 des Leistungsschalters angeschlossen ist, um eine transiente Spannung während der Lasttrennung bei einem Überstromfehler zu begrenzen.
-
zeigt weiterhin einen typischen Anschluss einer aktiven Trennvorrichtung 12 in einem mit HV-Batterie 13 gespeisten Lastkreis. Eine Eingangsklemme 33 ist mit einer positiven Batterieklemme 35 verbunden und eine Ausgangsklemme 37 ist mit einer positiven Lastklemme 37 der Last 18 verbunden. Ein Signalanschluss 39 ist mit einer Systemsteuerung 41 verbunden, um ein Vorspannungssignal 43, ein Massesignal 45 und Befehlssignale 47 zu empfangen und eine Rückmeldung des Gerätestatus 49 durch galvanische Trennung zu senden, wie zuvor erläutert. Es ist auch vorgesehen, eine einzige Signalleitung zu verwenden, die für die bidirektionale Kommunikation des Befehls und des Status unter Verwendung eines Logiksignals vom Typ offener Kollektor verwendet werden kann, um die Kosten zu minimieren.
-
Unter Bezugnahme auf 2 und erneut auf 1 kann die Trennvorrichtung 12 in mehreren Konfigurationen bereitgestellt werden, um den Betriebsanforderungen und einem für die Vorrichtung zulässigen Raumumfang zu entsprechen. Gemäß mehreren Aspekten umfasst die Trennvorrichtung 12 eine Montageplatte 28, die z. B. aus Aluminium besteht und auf der ein elektrisch isoliertes, wärmeleitendes Substrat 30 aufgebracht ist. Auf dem Substrat 30 ist eine erste Schicht 32 aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. geätztem Kupfer, aufgebracht. Eine erste leitende Stromschiene 34, beispielsweise aus Kupfer, ist mit der ersten Schicht 32 verbunden und für den Anschluss an die Eingangsstromquelle 16 vorgesehen. Der unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Halbleiterschalter 14 gemäß mehreren Aspekten definiert einen Leistungsschalter 36, der ebenfalls mit der ersten Schicht 32 verbunden ist. Gemäß mehreren Aspekten kann der Leistungsschalter 36 ein verlustarmer Leistungshalbleiterschalter mit vorbestimmten Eigenschaften sein, einschließlich aber nicht beschränkt auf Spannung, Strom, Schaltgeschwindigkeit, Größe und dergleichen.
-
Auf dem Substrat 30 ist ebenfalls eine zweite Schicht 38 aus einem elektrisch leitfähigen Material ähnlich der ersten Schicht 32, z. B. aus geätztem Kupfer, aufgebracht, die von der ersten Schicht 32 getrennt und damit elektrisch isoliert ist. Eine zweite leitfähige Stromschiene 40, z. B. aus Kupfer, ist mit der zweiten Schicht 38 und mit der Last 18 verbunden. Ebenfalls mit der zweiten Schicht 38 verbunden sind eine Leiterplatte 42, ein Schaltertreiber und -controller 44 sowie ein Signalstecker 46. Die Leiterplatte 42 sorgt für die Kommunikation zwischen dem Leistungsschalter 36 und dem Schaltertreiber und -controller 44 sowie dem Signalanschluss 46. Der Schaltertreiber und Controller 44 bietet eine eingebaute Erkennung und einen Schutz gegen Überspannung und thermische Überlast im Falle eines wiederholten Ein- und Ausschaltens einer fehlerhaften Last und kann einen Auslösestrom-gegen-Zeit-Sollwert zum Trennen der Last 18 von der Eingangsstromquelle 16 enthalten. Der Sollwert für den Auslösestrom in Abhängigkeit von der Zeit kann temperaturunabhängig oder temperaturabhängig sein. Die Trennvorrichtung 12 hat eine hohe Erfassungsgeschwindigkeit und eine schnelle Ansprechzeit, definiert als < 0,2 ms Ansprechzeit. Gemäß mehreren Aspekten ist der Leistungsschalter 36 ein verlustarmer Halbleiterschalter, der ein Silizium-Si-Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), ein SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein GaN-Feldeffekttransistor (FET) oder Ähnliches mit vorbestimmten Eigenschaften sein kann, gekoppelt mit einer elektronischen Hochgeschwindigkeits-Erfassungs-, Steuer- und Schutzschaltung. Es ist auch vorgesehen, geeignete analoge und digitale Logikschaltungen anstelle des Controllers 44 zu verwenden, um die gewünschte Schutz- und Fehlererkennungsfunktion zum Abschalten des Leistungsschalters 36 zu erreichen. Passive Überspannungsschutzvorrichtungen, wie z. B. Widerstands-Kondensator-(R-C)-Dämpfer und/oder Transient Voltage Suppressor (TVS)-Vorrichtung(en), können auch über den ersten und zweiten Leistungsanschlüssen des Leistungsschalters eingebaut werden (nicht dargestellt).
-
Unter Bezugnahme auf 3 und erneut auf 1 und 2 kann der Leistungsschalter 36 mehrere Leiterteile umfassen, die gemäß mehreren Aspekten ein erstes Leiterteil 48, das einen ersten Leistungsanschluss definiert, ein zweites Leiterteil 50, das einen zweiten Leistungsanschluss definiert, und ein drittes Leiterteil 52, das einen Gate- oder Steueranschluss definiert, umfassen. Das dritte Leiterelement 52 kommuniziert mit dem Treiber und dem Steuergerät 44. Das Steuergerät 44 kommuniziert auch mit dem Signal- und Leistungsanschluss 46. Das Steuergerät 44 und der Signal- und Vorspannungsleistungsanschluss 46 stehen in Kommunikation mit einem Systemsteuergerät 54, das Niederspannungsvorspannungs- und Steuersignale im Bereich von ungefähr Null bis zum Vorspannungsversorgungsspannungspegel erzeugt, der typischerweise zwischen 3,3 V und 24 V und vorzugsweise zwischen 5 V und 15 V für den Betrieb des Leistungsschalters 36 liegen kann. Eine Signal- oder Kommunikationsverbindung 56 stellt einen elektrisch isolierten Kommunikationspfad zwischen der Systemsteuerung 54 und dem Signalanschluss 46 bereit, um Befehle zu empfangen und/oder Statusrückmeldungen zu liefern.
-
Gemäß mehreren Aspekten kann ein Gerätestatus der Trennvorrichtung 12 zwischen der Trennvorrichtung 12 und der Systemsteuerung 54 kommuniziert werden. Der Gerätestatus kann beinhalten, ist aber nicht darauf beschränkt, dass der Leistungsschalter 36 offen oder geschlossen ist. Der Gerätestatus kann von der Systemsteuerung 54 verwendet werden, um ein Steuerbefehlssignal zu erzeugen, das zum Schließen des Leistungsschalters 36 verwendet wird, um die Trennvorrichtung 12 wieder mit der Last 18 zu verbinden, entweder aus der Ferne oder automatisch nach einer programmierbaren Zeitspanne nach dem Trennen der Trennvorrichtung 12 von der Last 18. Die Trennvorrichtung 12 kann bei geöffnetem Leistungsschalter 36 z. B. aufgrund einer AC- oder DC-Hochspannung oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts, eines Überstromzustands oberhalb eines vorbestimmten Stromschwellenwerts oder eines Kurzschlussfehlers an der Last abgetrennt werden.
-
Die Systemsteuerung 54 kann mehrere Funktionen ausführen. Zu diesen Funktionen gehört u. a. der Befehl, die aktive Trennvorrichtung unter nicht-elektrischen Fehlerbedingungen zu öffnen, z. B. während einer Airbag-Auslösung, um ein thermisches Ereignis zu verhindern. Zu den Funktionen kann auch die Neuprogrammierung von Eigenschaften der Trennvorrichtung 12 gehören, wenn Parameter eines Fahrzeugs, an das die Trennvorrichtung 12 angeschlossen ist, aktualisiert werden, z. B. mit Hilfe von Over-the-Air-Übertragungssignalen. Die Funktionen können ferner den Befehl zum Öffnen der Trennvorrichtung 12 nach einem Unfall eines Elektrofahrzeugs (EV) umfassen, der durch ein Beschleunigungssignal ausgelöst wird, um einen Überstromschutz des Batteriesystems zu gewährleisten, der einem Batteriefehler zuvorkommt. Gemäß mehreren Aspekten kann die Systemsteuerung 54 von der Trennvorrichtung 12 getrennt sein oder in die Raumhülle der Trennvorrichtung 12 integriert sein.
-
Wie bereits erwähnt, stehen die Schaltsteuerung 44 und der Signalanschluss 46 in Kommunikation mit der Systemsteuerung 54, die Vorspannung und Steuersignale für den Betrieb des Leistungsschalters 36 bereitstellt. Steuersignale können vorgespannt werden, z. B. Null Volt oder niedrig, was die offene Position des Leistungsschalters 36 definiert, und 5 oder 12 Volt oder hoch, was die geschlossene Position des Leistungsschalters 36 definiert, z. B. unter Verwendung eines Pull-up-Widerstands 58, der mit einer Spannungsquelle 60 wie einer 5-Volt-Gleichstromquelle oder einer 12-Volt-Gleichstromquelle verbunden ist.
-
Unter Bezugnahme auf 4 und erneut auf 2 und 3 erzeugt ein Spannungsabfall über dem Leistungshalbleiterschalter 36 innerhalb der Trennvorrichtung 12 während des Betriebs Wärme, daher ist die Montageplatte 28 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, um die Wärmeübertragung von der Trennvorrichtung 12 weg zu verbessern. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung kann die Montageplatte 28 an einem Kühlkörper 62 befestigt werden, um die Wärme über die Montageplatte 28 in den Kühlkörper 62 und weg von der Trennvorrichtung 12 zu leiten. Um die Trennvorrichtung 12 vor Umwelteinflüssen zu schützen, wie z. B. vor atmosphärischer oder umweltbedingter Feuchtigkeit und vor elektrischen Kurzschlüssen, kann eine elektrisch nicht leitende Abdeckung 64 um die Trennvorrichtung 12 herum angebracht werden, wie z. B. ein gegossenes, aufgespritztes oder übergeformtes Polymer- oder Epoxidmaterial.
-
Unter Bezugnahme auf 5 und erneut auf die 1 bis 4 kann eine Trennvorrichtung 12 der vorliegenden Offenbarung so bemessen sein, dass sie in ein gemeinsames Systemmodulgehäuse 66, wie z. B. ein Traktionsstrom-Umrichtermodul (TPIM), das z. B. für die Steuerung des Fahrzeugantriebsmotors verwendet wird, oder in ein ähnliches Modul, das für die Heizungs- oder Klimasteuerung verwendet wird, eingebaut werden kann. Das Gehäuse 66 enthält einen Anschluss 70, der normalerweise Zugang zu einer Sicherung bietet, die modifiziert werden kann, um die Trennvorrichtung 12 einzubauen, ohne dass ein Zugang zum Entfernen oder Ersetzen der Trennvorrichtung 12 erforderlich ist. Dadurch wird verhindert, dass Umweltelemente wie Feuchtigkeit und Schmutz in das Gehäuse 66 eindringen und den Betrieb der Trennvorrichtung 12 oder anderer Hochspannungs-Leistungselektronikkomponenten im Gehäuse 66 beeinträchtigen. Die zusätzliche elektrisch nicht leitende Abdeckung 64, die unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, verringert den Einfluss von Umweltelementen auf den Betrieb der Trennvorrichtung 12 zusätzlich. Das Gehäuse 66 enthält üblicherweise einen Stromanschluss 72, der eine abgedichtete Verbindung zu den eingehenden positiven und negativen Hochspannungskabeln (HV) herstellt, die von der HV-Batterie kommen. Das Gehäuse 66 kann auch einen Ausgangs-HV-Anschluss 74 enthalten, der eine abgedichtete Verbindung zu den abgehenden positiven und negativen Hochspannungskabeln (HV) zur Last bereitstellt. Der erste Stromanschluss 34 und der zweite Stromanschluss 40 der Trennvorrichtung 12 sind zwischen dem positiven Anschluss des Eingangsstromanschlusses 72 bzw. dem positiven Stromanschluss des Ausgangsstromanschlusses 74 angeschlossen.
-
Gemäß mehreren Aspekten liefert die Steuerschaltung einschließlich der Steuerung 44 der Trennvorrichtung 12 einen programmierbaren Auslösestrom über der Zeit zum Trennen der Last 18 von der Quelle 16, der im Wesentlichen temperaturunabhängig ist. Die Trennvorrichtung 12 kann kontinuierlich oder in einem vorgegebenen Zeitintervall einen Trennvorrichtungsstatus an die Systemsteuerung 54 übermitteln. Nach dem Trennen durch Öffnen des Leistungsschalters 36 kann die Trennvorrichtung 12 durch Schließen des Leistungsschalters 36 aus der Ferne durch ein Signal von der Systemsteuerung 54 wieder verbunden werden. Die Trennvorrichtung 12 kann auch selbständig wieder eingeschaltet werden, z. B. nach einer vorbestimmten Zeitspanne bei Empfang eines Schalter-Öffnungs-Befehlssignals, das durch ein Signal von der Steuerung 44 ausgelöst werden kann.
-
Gemäß mehreren Aspekten ermöglichen die Erfassungs- und Steuereigenschaften einer Trennvorrichtung 12 den Betrieb bei Temperatur-, Spannungs- und Stromstärkebedingungen, die die bekannten Betriebsgrenzen von Sicherungen überschreiten. Zum Beispiel kann die Trennvorrichtung 12 bis zu 125 Grad C bei einer Spannung IN: 450V und einem Strom OUT: 50Amp arbeiten. Die Trennvorrichtung 12 kann auch so vorprogrammiert werden, dass sie für vorbestimmte Zeiträume oberhalb dieser Werte arbeitet, ohne den Netzschalter 36 zu öffnen, z. B. um eine kurzzeitige schnelle Fahrzeugbeschleunigung zu ermöglichen, bei der ein hoher Strom von z. B. 100 A während des Betriebs eines Elektrofahrzeugs gezogen wird.
-
Eine Trennvorrichtung 12 der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Dazu gehört eine schnelle aktive Trennvorrichtung ohne bewegliche Kontakte für einen Gleichstrom- (DC) oder Wechselstrom- (AC) Hochspannungs-, Hochstrom-Stromkreis, um den Stromkreis und das System vor Überstrom- und Kurzschlussfehlern zu schützen. Die Trennvorrichtung verwendet diskrete oder integrierte verlustarme Leistungshalbleiterschalter mit vorbestimmten Eigenschaften wie Spannung, Strom, Schaltgeschwindigkeit, Größe und dergleichen in Verbindung mit elektronischer Hochgeschwindigkeitsabtastung, Steuerung und einer Schutzschaltung, um eine Last sicher von einer Quelle zu trennen, wenn ein Laststrom unter Überlast- oder Kurzschlussbedingungen einen vorbestimmten Wert in Bezug auf die Zeit überschreitet. Die Trennvorrichtung kann mit einer Niederspannungsvorspannung von einer Systemsteuerung versorgt werden und kann einen Trennvorrichtungsstatus an die Steuerung kommunizieren und kann nach einer programmierbaren oder vordefinierten Zeitspanne ferngesteuert oder selbständig wieder eingeschaltet werden. Die Trennvorrichtung 12 verfügt über eine eingebaute Erkennung und/oder einen Schutz gegen Überspannung und thermische Überlastung im Falle eines wiederholten Ein- und Ausschaltens einer gestörten Last.
-
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.
