DE102021112268A1 - Schalteinrichtung für ein mehrpoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, elektronische Steuereinheit sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Schalteinrichtung für ein mehrpoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, elektronische Steuereinheit sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für ein mehrpoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit mindestens einem einem ersten Pol mindestens eines Hochvoltspeichers zugeordneten ersten elektromechanischen Schalter und mit mindestens einem einem zweiten Pol mindestens eines Hochvoltspeichers zugeordneten zweiten elektromechanischen Schalter, wobei ein erster Schalter und ein zweiter Schalter unterschiedlich ausgestaltet sind und dazu ausgelegt sind, gemeinsam eine erste definierte Anforderung zu erfüllen und wobei zumindest eine der beiden Schalterarten - hier als der erste Schalter bezeichnet - derart ausgestaltet ist, dass er allein zumindest eine zweite definierte Anforderung erfüllt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für ein mehrpoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektronische Steuereinheit sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze, insbesondere Hochvoltbordnetze, für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze weisen elektrische Schalter (z.B. Relais oder Schütze) auf, welche Bordnetzkomponenten (z.B. Elektroantriebsmotoren oder Hochvoltbatteriemodule etc.) mit Versorgungsleitungen elektrisch verbinden. Bei einem Defekt oder Fehlerfall einer Bordnetzkomponente kann es vorkommen, dass über die zugehörige Versorgungsleitung ein Fehlerstrom in Form von einem Überstrom fließt, welcher die Versorgungsleitung der defekten Bordnetzkomponente sowie die defekte Bordnetzkomponente selbst weiter schädigen kann.
  • Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schalteinrichtungen zu verwenden, welche bei Vorliegen des Überstroms auslösen und die defekte Bordnetzkomponente von dem Bordnetz trennen können. Solche Schalteinrichtungen können beispielsweise Relais oder Schütze sowie Schmelzsicherungen aufweisen. Der Fokus bei der Auslegung der Schütze oder Relais liegt dabei üblicherweise auf einer hohen Abschaltfähigkeit.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere und kostengünstige Schalteinrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche mehrere vorgegebene Anforderungen gleichzeitig erfüllt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schalteinrichtung, eine elektronische Steuereinheit sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
  • Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung für ein mehrpoliges (z.B. zweipoliges) Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist für einen ersten Pol (z.B. Pluspol) einen ersten elektromechanischen Schalter und für einen zweiten Pol (z.B. Minuspol) einen zweiten elektromechanischen Schalter auf, wobei die Schalter unterschiedlich ausgestaltet sind und dazu ausgelegt sind, gemeinsam eine erste Anforderung (z.B. beidpolige Trennfähigkeit) zu erfüllen und wobei der erste Schalter derart ausgestaltet ist, dass er allein zumindest eine zweite Anforderung (z. B. Trennfähigkeit unter Last bis zu einer definierten Betriebsstromgrenze) erfüllt. Mit anderen Worten sind der „erste Schalter“ und „der zweite Schalter“ zwei unterschiedliche Schalterarten. Der „erste Schalter“ ist somit eine erste von beiden Schalterarten.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Schalter insbesondere zur Erfüllung der gemeinsamen ersten Anforderung in Form einer beidpoligen Trennfähigkeit mit jeweils einem über eine Niedervolt-Versorgung ansteuerbaren Aktuator versehen, um alle (z.B. beide) Versorgungsleitungen des Hochvolt-Bordnetzes zu verbinden oder zu unterbrechen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Schalter derart ausgestaltet, dass er allein zumindest eine dritte Anforderung (z. B. prellfreie Zuschaltfähigkeit bis zu einer vorgegebenen Spannungsdifferenz-Schwelle) erfüllt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Schalter weiterhin derart ausgestaltet ist, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators selbstständig öffnet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Schalter weiterhin derart ausgestaltet ist, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators geschlossen bleibt.
  • Mit anderen Worden erfüllen beide Schalter (bzw. Schalterarten) zum einen jeweils unterschiedliche Anforderungen und zum anderen gemeinsame Anforderungen.
  • Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
  • Stand der Technik:
  • Es werden bisher für jede Schalterposition in einem Hochvolt-Bordnetz in der Regel identische Schalter („Schaltgeräte“) verwendet, die jeder für sich alle Anforderungen an Schalter in einem Hochvoltbordnetz erfüllen. Es erfolgt bisher keine gezielte Funktionsteilung wie beim Gegenstand der Erfindung.
  • Folgende Ziele sollen mit der Erfindung u.a. erreicht werden:
    • - Inrush-Festigkeit beim Parallelschalten
    • - Inrush-Festigkeit bei normaler Vorladung
    • - Inrush-Festigkeit beim DC-Laden
    • - Reduktion Halteleistung abhängig vom Betriebsfall von bis zu 20 Watt
    • - Reduktion Übergangswiderstände und somit Befähigung für High-Power
    • - Trotz internem Isofehler ist Trennfähigkeit noch sichergestellt (zumindest im 800V Fall)
    • - Mechanische Shock-Beständigkeit
  • Mögliche Ausgestaltungen für einen ersten und einen zweiten Schalter sind beispielsweise in den nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen 10 2020 124 784 und 10 2020 118 308 der Anmelderin beschrieben. Ebenso werden vorteilhafte Ausgestaltungen im Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anwendungsform einer gesamten erfindungsgemäßen Schalteinrichtung und
    • 2 Beispiele für vorteilhafte Ausgestaltungen eines ersten und zweiten Schalters der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung.
  • In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Schalteinrichtung 10 für ein zweipoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Hochvolt-Bordnetz weist zwei Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 mit jeweils einer Nennspannung von etwa 400V auf. Weiterhin weist das Hochvolt-Bordnetz eine Umschaltmatrix USM (hier mit drei weiteren Schaltern) auf, durch die die beiden Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 entweder seriell oder parallel schaltbar sind. Insbesondere beim Anschließen des Fahrzeugs an einen DC-Ladeanschluss kann somit ein Laden mit 800V ermöglicht werden.
  • Für ein Laden mit derart hoher Spannung bzw. Leistung (bei ca. 1 kA Betriebsstromgrenze) sind aus Sicherheitsgründen vorgegebene Anforderungen zu erfüllen. Eine erste Anforderung ist insbesondere das gemeinsame Trennen der Plus- und Minuspole von der Ladequelle (beidpolige Trennfähigkeit). Eine zweite Anforderung ist die Trennfähigkeit bis zur Betriebsstromgrenze (Größenordnung 1 kA). Eine dritte Anforderung ist eine prellfreie Zuschaltfähigkeit. Eine weitere Anforderung ist ein Unterbrechen der Hochvoltversorgung, wenn die (Niedervolt-) Versorgung der Aktuatoren zum Zu- und Abschalten der Hochvoltversorgung im Fehlerfall ausfällt.
  • Bisher verwenden bekannte Hochvolt-Bordnetze zur Erfüllung aller dieser Anforderungen gleichartige Schalter, wobei jeder Schalter alle Anforderungen erfüllen kann. Die Erfindung betrifft das Verwenden unterschiedlich ausgestalteter Schalter, die gemeinsam alle Anforderungen erfüllen und dabei definierte Teilfunktionen übernehmen.
  • Dazu sind den Pluspolen (+) der Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 zugeordnete erste elektromechanische Schalter S1 und den Minuspolen (-) der Hochvoltspeicher HVS1 und HVS2 zugeordnete zweite elektromechanische Schalter S2 vorgesehen. Die Schalter S1 und S2 sind unterschiedlich ausgestaltet und dazu ausgelegt, eine erste definierte gemeinsame Anforderung, insbesondere die beidpolige Trennfähigkeit zu erfüllen, wobei nur eine der beiden Schalterarten (bzw. hier die ersten den Pluspolen (+) zugeordneten Schalter S1) derart ausgestaltet ist, dass sie allein zumindest eine zweite definierte Anforderung erfüllt. Vorzugsweise ist die zweite definierte Anforderung die Trennfähigkeit bis zur Betriebsstromgrenze. Somit kann leistungsbezogen die zweite Schalterart, also die zweiten den Minuspolen zugeordneten Schalter S2, weniger robust und somit kostengünstiger als die erste Schalterart (Schalter S1) ausgestaltet werden.
  • Die zweite Schalterart (bzw. die zweiten den Minuspolen zugeordneten Schalter S2) kann (bzw. können) vorzugsweise dagegen derart ausgestaltet sein, dass sie allein eine dritte definierte Anforderung, insbesondere eine prellfreie Zuschaltfähigkeit, erfüllt (bzw. erfüllen). Diesbezüglich kann wiederum die erste Schalterart einfacher ausgestaltet sein.
  • Beide Schalterarten bzw. Schalter S1 und S2 sind mit jeweils einem über eine Niedervolt-Versorgung (12V) ansteuerbaren Aktuator A1 und A2 versehen, um die Versorgungsleitungen des Hochvolt-Bordnetzes zu verbinden oder zu unterbrechen.
  • Der erste Schalter S1 (bzw. die erste Schalterart) ist weiterhin derart ausgestaltet, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators A1 selbstständig öffnet. Dabei weist der erster Schalter S1 beispielsweise eine Rückstellfeder F zum Öffnen bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators A1 auf, wobei der Aktuator A1, insbesondere ein Hubmagnet, stromlos kraftlos ist und somit nicht gegen die Rückstellfeder F arbeitet (siehe auch 2, links).
  • Der zweite Schalter S2 (bzw. die zweite Schalterart) ist weiterhin derart ausgestaltet, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators A2 geschlossen bleibt. Dabei weist der zweite Schalter S2 keine Rückstellfeder zum Öffnen bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators A2 auf, wobei der Aktuator A2, insbesondere ein Elektromotor mit selbsthemmender Spindel SP, stromlos in seiner Ist-Position verbleibt (siehe auch 2, rechts).
  • Beide Schalter (bzw. Schalterarten) S1 und S2 erfüllen somit zum einen jeweils unterschiedliche Anforderungen und zum anderen auch gemeinsame Anforderungen.
  • Optional kann ein dritter Schalter S3 in Form eines bekannten Pyroschalters im Kurzschlussfall vorgesehen sein.
  • Die Schalter der Umschaltmatrix USM können optional dieselbe Bauform der zweiten Schalter S2 aufweisen.
  • In 2 sind für jeden Schalter S1 und S2 bzw. für jede Schalterart eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform dargestellt.
  • Links ist die Ausgestaltung eines ersten Schalters S1 und rechts eine Ausgestaltung eines zweiten Schalters S2 dargestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltungen der beiden Schalterarten beschränkt.
  • Vorteilhafte Auslegung eines ersten Schalters S1:
    • z.B. Schaltbau Mehrfach-Kontakt-Schütz mit folgenden Eigenschaften: - Trennfähigkeit bis Betriebsstromgrenze (ca. 1kA)
      • - Kontaktwiderstand ca. 50 uOhm, Halteleistung ca. 5 W
      • - Öffnet bei Entfall 12V Versorgung selbstständig
  • Vorteilhafte Auslegung eines zweiten Schalters S2:
    • z.B. Sonceboz Aktuator (Einkontakt mit Brushless-DC-Motor)
      • - Zuschaltfähigkeit bis 10V Spannungsdelta
      • - Kontaktwiderstand ca. 30 uOhm, Halteleistung 0 W
      • - Bleibt bei 12 V Entfall geschlossen
      • - mechanisch Shock-Beständig im geöffneten Zustand
  • Vorteilhafte Auslegung eines optionalen dritten Schalters S3 (hier nicht näher dargestellt, da Pyroschalter im Kurzschlussfall schon vielfach bekannt sind):
    • z. B. Daicel Pyroswitch
      • - Trennfähigkeit bis vollem Kurzschlussstrom ca. 15kA
      • - Kontaktwiderstand ca. 30 uOhm

Claims (11)

  1. Schalteinrichtung (10) für ein mehrpoliges Hochvolt-Bordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit mindestens einem einem ersten Pol (+) mindestens eines Hochvoltspeichers (HVS1, HVS2) zugeordneten ersten elektromechanischen Schalter (S1) und mit mindestens einem einem zweiten Pol (-) mindestens eines Hochvoltspeichers (HVS1, HVS2) zugeordneten zweiten elektromechanischen Schalter (S2), wobei ein erster Schalter (S1) und ein zweiter Schalter (S2) unterschiedlich ausgestaltet sind und dazu ausgelegt sind, gemeinsam eine erste definierte Anforderung zu erfüllen und wobei zumindest der erste Schalter (S1) derart ausgestaltet ist, dass er allein zumindest eine zweite definierte Anforderung erfüllt.
  2. Schalteinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame erste definierte Anforderung eine beidpolige Trennfähigkeit ist.
  3. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite definierte Anforderung an den ersten Schalter (S1) die Trennfähigkeit unter Last bis zur Betriebsstromgrenze ist.
  4. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (S2) derart ausgestaltet ist, dass er allein eine dritte definierte Anforderung, insbesondere eine prellfreie Zuschaltfähigkeit, erfüllt.
  5. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Schalter (S1, S2) mit jeweils einem über eine Niedervolt-Versorgung ansteuerbaren Aktuator (A1, A2) versehen sind, um die Versorgungsleitungen des Hochvolt-Bordnetzes zu verbinden oder zu unterbrechen.
  6. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators (A1) selbstständig öffnet.
  7. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (S2) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass er bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators (A2) geschlossen bleibt.
  8. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (S1) eine Rückstellfeder (F) zum Öffnen bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators (A1) aufweist, wobei der Aktuator (A1), insbesondere ein Hubmagnet, stromlos nicht gegen die Rückstellfeder (F) arbeitet.
  9. Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (S2) keine Rückstellfeder zum Öffnen bei Ausfall der Niedervolt-Versorgung des Aktuators (A2) aufweist, wobei der Aktuator (A2), insbesondere ein Elektromotor mit selbsthemmender Spindel (SP), stromlos in seiner Ist-Position verbleibt.
  10. Elektronische Steuereinheit (20) für ein Kraftfahrzeug zur Ansteuerung zumindest zweier unterschiedlicher elektromechanischer Schalter (S1, S2) einer Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
  11. Elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Schalteinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
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