DE102021115468A1

DE102021115468A1 - SWITCH ARRANGEMENT

Info

Publication number: DE102021115468A1
Application number: DE102021115468.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Wortberg; Friedrich Staudinger; Steffen Pöhlmann
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-12-15

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Schaltelementanordnung zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, umfassend: einen ersten elektrischen Pfad mit einem ersten Schaltelement, wobei der erste elektrische Pfad zwischen einen Batterieanschluss und einen Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Laststrom zu tragen; einen zweiten elektrischen Pfad mit einer Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einer Sicherung, wobei der zweite elektrische Pfad parallel zu dem ersten elektrischen Pfad zwischen den Batterieanschluss und den Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Überlaststrom aufzunehmen und durch Auslösen der Sicherung zu löschen; und einer Steuerung, die ausgebildet ist, einen ersten Strom durch den ersten elektrischen Pfad und einen zweiten Strom durch den zweiten elektrischen Pfad sowie eine Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss zu erfassen und darauf basierend einen ersten Übergangswiderstand des ersten elektrischen Pfades sowie einen zweiten Übergangswiderstand des zweiten elektrischen Pfades zu bestimmen, wobei die Steuerung ferner ausgebildet ist, eine Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung basierend auf einem Schwellwertvergleich zumindest eines der beiden Übergangswiderstände mit einer entsprechenden Schwelle festzustellen.The disclosure relates to a switching element arrangement for switching a battery to a vehicle electrical system, comprising: a first electrical path with a first switching element, the first electrical path being connected between a battery connection and a vehicle electrical system connection and being designed to carry a load current; a second electrical path with a series circuit made up of a second switching element and a fuse, the second electrical path being connected in parallel to the first electrical path between the battery connection and the vehicle electrical system connection and being designed to absorb an overload current and extinguish it by triggering the fuse; and a controller that is designed to detect a first current through the first electrical path and a second current through the second electrical path and a voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection and, based thereon, a first contact resistance of the first electrical path and a second contact resistance of the second electrical path, wherein the controller is also designed to determine functionality of the switching element arrangement based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltelementanordnung, insbesondere eine Schütz-Anordnung, zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, welche funktionalen Sicherheitsanforderungen genügt, sowie ein entsprechendes Verfahren, das funktionalen Sicherheitsanforderungen genügt.The present invention relates to a switching element arrangement, in particular a contactor arrangement, for connecting a battery to a vehicle electrical system, which satisfies functional safety requirements, and a corresponding method which satisfies functional safety requirements.

Stand der TechnikState of the art

Heutige Batterien beinhalten als Schaltelemente Schütze und Pyrofuses, d.h. Pyro-Sicherungen. Die Schütze nehmen das galvanische Trennen des Hoch-Volt (HV)-Bordnetzes vor, wenn das Fahrzeug in den Sleep-Modus geht; wenn im Crash Fall (ohne Kurzschluss) getrennt werden soll; oder wenn eine Überladung der Batterie droht, beispielsweise wegen Versagens der Umrichter-Regelung oder der Lade-Regelung. Die Pyro-Sicherung soll im Kurzschluss-Fall das Trennen des HV-Bordnetzes vornehmen.Today's batteries contain contactors and pyrofuses, i.e. pyro fuses, as switching elements. The contactors galvanically isolate the high-voltage (HV) vehicle electrical system when the vehicle goes into sleep mode; if you want to disconnect in the event of a crash (without short circuit); or if there is a risk of the battery being overcharged, for example due to a failure of the converter control or the charging control. In the event of a short circuit, the pyro fuse is intended to disconnect the HV vehicle electrical system.

Im Kurzschluss-Fall, insbesondere beim Crash, ist das Trennen des HV-Bordnetzes durch die Pyro-Sicherung sicherheitsrelevant. Das gleiche gilt, wenn die Batterie zu überladen droht und die Schütze wegen Ansteuerfehler nicht geöffnet werden können. Dem Sicherheitsziel „Thermisches Ereignis (Event) wegen Kurzschluss oder Überladen der Batterie“ folgend erhält die Pyro-Sicherung daher den ASIL Level C für das Trennen im Überlast-Fall. Zwar kann in existierenden Systemen die Ansteuerung in ASIL C ausgeführt werden, die Pyro-Sicherung hingegen, welche die Sicherheitsfunktion „Trennen“ ausführt, kann diesem Integritätslevel aber nicht genügen. Dafür fehlt die Diagnostizierbarkeit. Somit ist es unmöglich, für jeden Fahrzyklus ein Probe-Öffnen durchzuführen. Auch gibt es keine Möglichkeit „von außen“ auf die Funktionen der Pyro-Sicherung, insbesondere der Treibladung, zu schließen.In the event of a short circuit, particularly in the event of a crash, disconnecting the HV vehicle electrical system using the pyro fuse is relevant to safety. The same applies if the battery is about to be overcharged and the contactors cannot be opened due to a control error. In accordance with the safety objective "Thermal event (event) due to a short circuit or overcharging of the battery", the pyro fuse therefore receives ASIL level C for disconnection in the event of an overload. Although the control can be carried out in ASIL C in existing systems, the pyro fuse, which performs the "separation" safety function, cannot meet this level of integrity. There is no diagnostic capability for this. It is therefore impossible to carry out a test opening for each driving cycle. There is also no possibility of inferring the functions of the pyro fuse, in particular the propellant charge, "from the outside".

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Konzept für eine sichere Anschaltung der Batterie an das Bordnetz eines Fahrzeugs zu schaffen, insbesondere eine Anschaltung, die den Sicherheitsanforderungen gemäß Integritätslevel ASIL C genügt.One object of the invention is therefore to create a concept for a secure connection of the battery to the vehicle electrical system, in particular a connection that satisfies the safety requirements according to integrity level ASIL C.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying figures.

Die erfinderische Lösung basiert auf der Idee, zum Einhalten der Sicherheitsanforderungen zwei elektrische Pfade zu nutzen. Ein erster Pfad besteht aus einem ersten Schaltelement, insbesondere einem ersten Schütz (S1), welches dediziert auf die Anforderungen des Stromtragens ausgerichtet ist. Dieses erste Schütz S1 kann hingegen keinen Lichtbogen trennen bzw. ist nicht für ein lichtbogenbehaftetes Strom-Trennen ausgelegt. In einem parallelen Pfad befindet sich ein zweites Schaltelement, insbesondere ein zweites Schütz (S2) und eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelz-Sicherung. Die Sicherung hat das Vermögen, die Trennleistung aufzunehmen und den Lichtbogen zu löschen. Die erfinderische Lösung nutzt also getrennte Elemente zum Strom-Tragen und zum lichtbogenbehafteten Strom-Trennen.The inventive solution is based on the idea of using two electrical paths to meet safety requirements. A first path consists of a first switching element, in particular a first contactor (S1), which is dedicated to the requirements of current carrying. In contrast, this first contactor S1 cannot separate an arc or is not designed for a current separation that is affected by an arc. A second switching element, in particular a second contactor (S2) and a fuse, for example a fuse, is located in a parallel path. The fuse has the ability to absorb the disconnecting power and extinguish the arc. The inventive solution thus uses separate elements for current carrying and arc-affected current separation.

Mit dieser erfinderischen Lösung ergeben sich die folgenden technischen Vorteile: Das dedizierte Schütz zum Tragen des Laststroms bzw. das erste Schaltelement S1 erlaubt eine Erhöhung der machbaren Stromstärken. Gleichzeitig wird die Sicherung vom Tragen des Laststroms entlastet und altert nicht unter dem Laststrom, so dass sie flink ausgelegt werden kann.The following technical advantages result from this inventive solution: The dedicated contactor for carrying the load current or the first switching element S1 allows an increase in the feasible current intensities. At the same time, the fuse is relieved from bearing the load current and will not age under the load current, so it can be designed to be fast-acting.

Diese Lösung stellt einen wichtigen Bestandteil der HV Versorgung dar. Beim Hochleistungsladen von elektrischen Fahrzeugen haben sich die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit mittlerweile von etwa 300A auf etwa 800A erhöht. Mit dem erfindungsgemäßen Konzept kann das Hochleistungs-Laden besonders sicher gemacht werden, so dass es dem Integritätslevel ASIL C genügt.This solution is an important part of the HV supply. When it comes to high-performance charging of electric vehicles, the current carrying capacity requirements have meanwhile increased from around 300A to around 800A. With the concept according to the invention, high-power charging can be made particularly safe, so that it satisfies integrity level ASIL C.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Schaltelementanordnung zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, umfassend: einen ersten elektrischen Pfad mit einem ersten Schaltelement, wobei der erste elektrische Pfad zwischen einen Batterieanschluss und einen Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Laststrom zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss zu tragen; einen zweiten elektrischen Pfad mit einer Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einer Sicherung, wobei der zweite elektrische Pfad parallel zu dem ersten elektrischen Pfad zwischen den Batterieanschluss und den Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Überlaststrom zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss aufzunehmen und durch Auslösen der Sicherung zu löschen; und einer Steuerung, die ausgebildet ist, einen ersten Strom durch den ersten elektrischen Pfad und einen zweiten Strom durch den zweiten elektrischen Pfad sowie eine Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss zu erfassen und basierend auf dem ersten Strom, dem zweiten Strom und der Spannung einen ersten Übergangswiderstand des ersten elektrischen Pfades sowie einen zweiten Übergangswiderstand des zweiten elektrischen Pfades zu bestimmen, wobei die Steuerung ferner ausgebildet ist, eine Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung basierend auf einem Schwellwertvergleich zumindest eines der beiden Übergangswiderstände mit einer entsprechenden Schwelle festzustellen.According to a first aspect, the object described above is achieved by a switching element arrangement for switching a battery to an on-board network of a vehicle, comprising: a first electrical path with a first switching element, the first electrical path being connected and configured between a battery connection and an on-board network connection to carry a load current between the battery connection and the vehicle electrical system connection; a second electrical path with a series connection of a second switching element and a fuse, the second electrical path being connected in parallel to the first electrical path between the battery connection and the vehicle electrical system connection and being designed to absorb an overload current between the battery connection and the vehicle electrical system connection and by triggering delete the backup; and a controller that is designed to detect a first current through the first electrical path and a second current through the second electrical path and a voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection and based on the first current, the second current and of the voltage to determine a first contact resistance of the first electrical path and a second contact resistance of the second electrical path, the controller also being designed to determine functionality of the switching element arrangement based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Wie oben beschrieben, wird zusätzlich zur Strommessung eine Spannungsmessung über das System ausgeführt. Mithilfe der Spannung über das System und den gemessenen Stromflüssen in den Pfaden, kann der Übergangswiderstand eines jeden der beiden Pfade bestimmt werden. Mithilfe des Übergangswiderstandes kann eine Diagnose der Komponenten und damit der Funktionsfähigkeit des Systems erfolgen. Insbesondere wird der Übergangswiderstand im zweiten Pfad diagnostiziert. Durch die Diagnostizierung des Übergangswiderstandes im zweiten Pfad soll vermieden werden, dass während des Öffnens des ersten elektrischen Pfades unter Stromfluss bei einem zu hohen Übergangswiderstand im zweiten Pfad ein zu hoher Spannungsfall über das System entsteht, wenn der Strom auf den zweiten Pfad kommutiert. Ein zu hoher Spannungsfall (z.B. über 16 Volt) beim Öffnen des ersten Schalters im ersten Pfad unter Stromfluss kann zu einem Lichtbogen innerhalb des Schalters führen. Dies ist in jedem Fall zu vermeiden, da das erste Schaltelement nicht für das Trennen eines Lichtbogens ausgebildet ist.As described above, in addition to the current measurement, a voltage measurement is made across the system. The contact resistance of each of the two paths can be determined using the voltage across the system and the measured current flows in the paths. The contact resistance can be used to diagnose the components and thus the functionality of the system. In particular, the contact resistance in the second path is diagnosed. By diagnosing the contact resistance in the second path, it should be avoided that during the opening of the first electrical path under current flow, if the contact resistance in the second path is too high, an excessive voltage drop occurs across the system when the current commutes to the second path. Too high a voltage drop (e.g. over 16 volts) when opening the first switch in the first path under current flow can lead to an arcing inside the switch. This is to be avoided in any case, since the first switching element is not designed for separating an arc.

Über das Verhältnis der durch die beiden elektrischen Pfade fließenden Ströme und der Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss kann festgestellt werden, ob der zweite elektrische Pfad und insbesondere die Sicherung noch funktionsfähig ist oder ob die Sicherung bereits zuvor ausgelöst wurde und damit nicht mehr für weitere Überlastereignisse genutzt werden kann. Somit stellt die Schaltelementanordnung eine Diagnosefunktion für die Sicherung zur Verfügung, die vor jedem Fahrzyklus ausgeführt werden kann, um die Sicherheit des Fahrzeugs zu überprüfen.The relationship between the currents flowing through the two electrical paths and the voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection can be used to determine whether the second electrical path and, in particular, the fuse is still functional or whether the fuse has already tripped before and is therefore no longer available for others Overload events can be used. Thus, the switching element arrangement provides a diagnostic function for the fuse, which can be carried out before each driving cycle in order to check the safety of the vehicle.

Mit einer solchen Schaltelementanordnung wird somit der technische Vorteil einer sicheren Anschaltung der Batterie an das Bordnetz eines Fahrzeugs erreicht. Diese Schaltelementanordnung genügt damit den Sicherheitsanforderungen der Funktionalen Sicherheit (FUSI) gemäß Integritätslevel ASIL C.With such a switching element arrangement, the technical advantage of a reliable connection of the battery to the vehicle electrical system is thus achieved. This switching element arrangement thus satisfies the safety requirements of functional safety (FUSI) in accordance with integrity level ASIL C.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung ausgebildet, eine Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung basierend auf einem Vergleich des zweiten Übergangswiderstands mit einer vorbestimmten Schwelle festzustellen.According to an exemplary specific embodiment, the controller is designed to determine functionality of the switching element arrangement based on a comparison of the second contact resistance with a predetermined threshold.

Insbesondere der zweite Übergangswiderstand ist von besonderer Relevanz, um die Funktionsfähigkeit des Systems zu überprüfen.In particular, the second contact resistance is of particular relevance in order to check the functionality of the system.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, eine Fehlfunktion des zweiten elektrischen Pfads aufgrund eines fehlerhaften Schließens des zweiten Schaltelements und/oder aufgrund einer bereits stattgefundenen Auslösung der Sicherung basierend auf dem Verhältnis des ersten Stroms zu dem zweiten Strom und der Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss festzustellen.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to detect a malfunction of the second electrical path due to an incorrect closing of the second switching element and/or due to the fuse already tripping based on the ratio of the first current to the second current and the voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Sicherheit der Komponenten des zweiten elektrischen Pfades überprüft werden kann. Zum einen, ob die Sicherung bereits ausgelöst wurde, und zum anderen, ob das zweite Schaltelement noch in der Lage ist, den Überlaststrom aufzunehmen und an die Sicherung zum Löschen weiterzuführen und der Übergangswiderstand im zweiten Pfad hinreichend gering ist, um ein Kommutieren des Stromes beim Öffnen des ersten Pfades auf den zweiten Pfad mit einem hinreichend geringen Spannungsabfall über den ersten Pfad sicherzustellen.This achieves the technical advantage that the safety of the components of the second electrical path can be checked. On the one hand, whether the fuse has already tripped, and on the other hand, whether the second switching element is still able to absorb the overload current and pass it on to the fuse for extinguishing and the contact resistance in the second path is sufficiently low to prevent the current from commuting at the Ensure opening of the first path to the second path with a sufficiently low voltage drop across the first path.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung umfasst die Schaltelementanordnung einen ersten Hall-Sensor, der an dem ersten elektrischen Pfad angeordnet ist und ausgebildet ist, den ersten Strom basierend auf einer ersten Hallspannung an dem ersten elektrischen Pfad zu erfassen; einen zweiten Hall-Sensor, der an dem zweiten elektrischen Pfad angeordnet ist und ausgebildet ist, den zweiten Strom basierend auf einer zweiten Hallspannung an dem zweiten elektrischen Pfad zu erfassen; und einer Spannungsmessung, die zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss angeordnet ist und ausgebildet ist, eine Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss zu erfassen.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the switching element arrangement comprises a first Hall sensor, which is arranged on the first electrical path and is designed to detect the first current based on a first Hall voltage on the first electrical path; a second Hall sensor arranged on the second electrical path and configured to sense the second current based on a second Hall voltage on the second electrical path; and a voltage measurement, which is arranged between the battery connection and the vehicle electrical system connection and is designed to detect a voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass über die beiden Hall-Sensoren eine kontaktlose Strommessung ausgeführt werden kann. Die Messung ist daher sicher und sehr genau. Zusammen mit der Spannungsmessung der Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss können damit genaue Aussagen über den Sicherheitszustand des Systems gemacht werden.This achieves the technical advantage that a contactless current measurement can be carried out via the two Hall sensors. The measurement is therefore safe and very accurate. Together with the voltage measurement of the voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection, precise statements can be made about the safety status of the system.

Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Hall-Spannungen kann der erste und der zweite Strom auch über einen an dem jeweiligen elektrischen Pfad angebrachten Shunt-Widerstand gemessen werden. Die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung ist dann ein Maß für den jeweiligen Strom.As an alternative or in addition to measuring the Hall voltages, the first and the second current can also be measured via a shunt resistor attached to the respective electrical path be sen. The voltage drop across the shunt resistor is then a measure of the respective current.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, die Funktionsfähigkeit des zweiten elektrischen Pfads festzustellen, wenn ein Verhältnis der ersten Hallspannung zu der zweiten Hallspannung unterhalb eines Schwellwerts liegt.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to determine the functionality of the second electrical path when a ratio of the first Hall voltage to the second Hall voltage is below a threshold value.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass bei einer Fehlfunktion des zweiten Strompfades, z.B. aufgrund einer durchgebrannten Sicherung oder eines Klemmens des zweiten Schaltelements, der Strom durch den zweiten elektrischen Pfad gegen Null geht und damit das Verhältnis der ersten Hallspannung zur zweiten Hallspannung einen hohen Wert einnehmen wird. Das Überprüfen des Verhältnisses der Hallspannungen bezüglich einer Schwelle gibt somit eine wirksame Indikation für das Vorliegen eines Defekts im zweiten elektrischen Pfad oder umgekehrt auch einer Funktionsfähigkeit des zweiten elektrischen Pfades.This achieves the technical advantage that if the second electrical path malfunctions, e.g. due to a blown fuse or the second switching element jamming, the current through the second electrical path approaches zero and the ratio of the first Hall voltage to the second Hall voltage thus has a high value will take. Checking the ratio of the Hall voltages with respect to a threshold thus provides an effective indication of the presence of a defect in the second electrical path or, conversely, of the functionality of the second electrical path.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist ein Übergangswiderstand des zweiten elektrischen Pfades größer als ein Übergangswiderstand des ersten elektrischen Pfades, so dass ein überwiegender Teil des Laststroms über den ersten elektrischen Pfad fließt.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, a contact resistance of the second electrical path is greater than a contact resistance of the first electrical path, so that a predominant part of the load current flows via the first electrical path.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass der überwiegende Teil des Laststroms über den ersten elektrischen Pfad verläuft und damit die Sicherung im normalen Betriebszustand nicht unnötig belastet wird. Die Lebensdauer der Sicherung erhöht sich damit. Diese Auslegung erlaubt ferner eine Erhöhung der realisierbaren Stromstärken.This achieves the technical advantage that the predominant part of the load current runs via the first electrical path and the fuse is therefore not unnecessarily loaded in the normal operating state. This increases the life of the fuse. This design also allows an increase in the achievable current levels.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, das erste Schaltelement zu öffnen und danach das zweite Schaltelement zu öffnen, wenn der erste Strom unterhalb eines ersten Stromschwellwerts und/oder der zweite Strom unterhalb eines zweiten Stromschwellwerts liegen. Das heißt, bei Unterschreiten des ersten und/oder zweiten Stromschwellwertes wird zuerst das erste Schaltelement und danach das zweite Schaltelement geöffnet.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to open the first switching element and then to open the second switching element when the first current is below a first current threshold value and/or the second current is below a second current threshold value. This means that when the current falls below the first and/or second threshold value, the first switching element is opened first and then the second switching element.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass für den Fall des normalen Trennens nach einem Fahrzyklus, wenn keine Stromversorgung der Batterie mehr benötigt wird, der zweite Strompfad für ein gewisses Zeitintervall weiter zur Verfügung steht, um einen beim Abschalten der Batterie eventuell auftretenden Überlaststrom aufzunehmen.This achieves the technical advantage that in the case of normal disconnection after a driving cycle, when power supply to the battery is no longer required, the second current path is still available for a certain time interval in order to absorb any overload current that may occur when the battery is switched off.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, bei Wegfall einer Versorgungsspannung an dem Batterieanschluss zuerst das erste Schaltelement zu öffnen und danach das zweite Schaltelement zu öffnen.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to first open the first switching element and then to open the second switching element when a supply voltage at the battery connection fails.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass im Falle eines HV-Kurzschlusses mit gleichzeitigem Ausfall der Versorgungsspannung der Batterie die Trennung über den zweiten elektrischen Pfad mit der Sicherung erfolgt.This achieves the technical advantage that in the event of a HV short circuit with simultaneous failure of the supply voltage of the battery, the disconnection takes place via the second electrical path with the fuse.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung weist die Steuerung einen Pufferspeicher, insbesondere einen Kondensator, auf, der ausgelegt ist, eine Zeitkonstante für das gegenüber dem ersten Schaltelement verzögerte Öffnen des zweiten Schaltelements bereitzustellen.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller has a buffer memory, in particular a capacitor, which is designed to provide a time constant for the opening of the second switching element, which is delayed compared to the first switching element.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, das Zeitintervall für das verzögerte Öffnen des zweiten Schaltelements genau einstellbar ist.This achieves the technical advantage that the time interval for the delayed opening of the second switching element can be set precisely.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, ein fehlerhaftes Abschalten des ersten Schaltelements und/oder des zweiten Schaltelements basierend auf der Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss sowie einer Erfassung einer Spannung an dem Bordnetzanschluss festzustellen. Die gemessene Spannung zwischen Batterieanschluss und Bornetzanschluss (Potential über das System) ist auch für die Ermittlung der Übergangswiderstände notwendig.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to determine incorrect switching off of the first switching element and/or the second switching element based on the voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection and a detection of a voltage at the vehicle electrical system connection. The voltage measured between the battery connection and the on-board power supply connection (potential across the system) is also necessary for determining the contact resistance.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass das Vermögen der beiden Schaltelemente abzuschalten, anhand der Ausgangsspannung überprüft werden kann, so dass sicher festgestellt werden kann, ob die Versorgungsspannung vom Bordnetz getrennt ist. Entspricht die Spannung am Bordnetzanschluss noch in etwa der Versorgungsspannung am Batterieanschluss bzw. Versorgungsspannungsanschluss, so ist die Versorgungsspannung (noch) nicht vom Bordnetz getrennt.This achieves the technical advantage that the ability of the two switching elements to switch off can be checked using the output voltage, so that it can be reliably determined whether the supply voltage is disconnected from the vehicle electrical system. If the voltage at the vehicle electrical system connection still roughly corresponds to the supply voltage at the battery connection or supply voltage connection, the supply voltage is not (yet) disconnected from the vehicle electrical system.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist die Steuerung ausgebildet, bei einem Auftreten des Überlaststroms zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss das erste Schaltelement zu öffnen, um den Überlaststrom auf den zweiten elektrischen Pfad zu kommutieren.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the controller is designed to open the first switching element when the overload current occurs between the battery connection and the vehicle electrical system connection in order to commutate the overload current to the second electrical path.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass ein auftretender Überlaststrom auf den zweiten elektrischen Pfad geführt wird, der für die Löschung des Überlaststroms ausgelegt ist. Der erste elektrische Pfad kann daher flink schaltend ausgelegt werden und muss keine Überlastanforderungen erfüllen, da diese durch den zweiten elektrischen Pfad erfüllt werden. This achieves the technical advantage that an overload current that occurs is routed to the second electrical path, which is designed to extinguish the overload current. The first electric cal path can therefore be designed to be quick-switching and does not have to meet any overload requirements, since these are met by the second electrical path.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung ist das zweite Schaltelement ausgebildet, bei einer Kommutierung des Überlaststroms auf den zweiten elektrischen Pfad im geschlossenen Zustand zu bleiben, um den Überlaststrom zur Auslöschung über die Sicherung zu führen.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the second switching element is designed to remain in the closed state when the overload current commutes to the second electrical path, in order to route the overload current via the fuse for extinguishing.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass das zweite Schaltelement den Überlaststrom zur Sicherung weiterleitet, welche den Überlaststrom dann sicher löschen kann. Ferner wird damit das erste Schaltelement entlastet und braucht nicht dafür ausgelegt sein, den Überlaststrom zu tragen, so dass es den im Normalzustand fließenden Laststrom flinker schalten kann.This achieves the technical advantage that the second switching element forwards the overload current to the fuse, which can then safely extinguish the overload current. Furthermore, the load on the first switching element is relieved and need not be designed to carry the overload current, so that it can switch the load current flowing in the normal state more quickly.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung umfasst das erste Schaltelement ein Schütz mit einem ersten Kontakt, einem zweiten Kontakt und einer schaltbaren Kontaktbrücke zwischen den beiden Kontakten, wobei eine Kontaktfläche des ersten Kontakts und eine Kontaktfläche des zweiten Kontakts in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt werden in dieser Offenbarung auch als Doppelkontakt bezeichnet.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the first switching element comprises a contactor with a first contact, a second contact and a switchable contact bridge between the two contacts, with a contact surface of the first contact and a contact surface of the second contact being arranged in a common plane. The first contact and the second contact are also referred to as a double contact in this disclosure.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass das erste Schaltelement sich leicht öffnen lässt, da die Kontaktflächen der beiden Kontakte und auch die entsprechenden Kontaktflächen der Kontaktbrücke in der gleichen Ebene angeordnet sind. Das erste Schaltelement ist somit flink ausgelegt und begünstigt ein leichtes und schnelles Öffnen.This achieves the technical advantage that the first switching element can be opened easily, since the contact surfaces of the two contacts and also the corresponding contact surfaces of the contact bridge are arranged in the same plane. The first switching element is therefore designed to be quick and facilitates easy and quick opening.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung verläuft eine Enge-Kraft, die zwischen der Kontaktfläche des ersten Kontakts und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke einwirkt, in Richtung einer Lorentzkraft, die beim Öffnen des Schützes auf die Kontaktbrücke einwirkt; und eine Enge-Kraft, die zwischen der Kontaktfläche des zweiten Kontakts und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke einwirkt, verläuft in Richtung der Lorentzkraft, die beim Öffnen des Schützes auf die Kontaktbrücke einwirkt.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, an Enge force, which acts between the contact surface of the first contact and a corresponding contact surface of the contact bridge, runs in the direction of a Lorentz force, which acts on the contact bridge when the contactor is opened; and an Enge force acting between the contact surface of the second contact and a corresponding contact surface of the contact bridge is in the direction of the Lorentz force acting on the contact bridge when the contactor opens.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass sowohl die Enge-Kraft als auch die Lorentz-Kraft in die gleiche Richtung verlaufen und somit ein schnelles Öffnen des ersten Schaltelements begünstigen. Im Überlastfall kann der Überlaststrom somit schnell auf den zweiten elektrischen Pfad kommutiert werden.This achieves the technical advantage that both the Enge force and the Lorentz force run in the same direction and thus promote rapid opening of the first switching element. In the event of an overload, the overload current can thus be quickly commutated to the second electrical path.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung umfasst das zweite Schaltelement ein Schütz mit einem ersten Kontakt, einem zweiten Kontakt und einer schaltbaren Kontaktbrücke zwischen den beiden Kontakten, wobei eine Kontaktfläche des ersten Kontakts und eine Kontaktfläche des zweiten Kontakts schräg zueinander angeordnet sind.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the second switching element comprises a contactor with a first contact, a second contact and a switchable contact bridge between the two contacts, with a contact surface of the first contact and a contact surface of the second contact being arranged at an angle to one another.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass das zweite Schaltelement sich leicht schließen lässt, da die Kontaktflächen der beiden Kontakte und auch die entsprechenden Kontaktflächen der Kontaktbrücke schräg zueinander angeordnet sind. Das erste Schaltelement begünstigt damit ein schnelles Umschalten eines Überlaststroms auf den zweiten Strompfad mit der Sicherung. Die Normalenvektoren der Ebenen der Kontaktflächen der beiden Kontakte können beispielsweise unter einem Winkel von etwa 90 Grad zueinander verlaufen. Andere Winkel sind ebenfalls machbar, z.B. 95°, 100°, 105°, 110°, 115°, 120°, 125°, 130°, etc., 85°, 80°, 75°, 70°, 65°, 60°, 55°, 50° etc.This achieves the technical advantage that the second switching element can be closed easily, since the contact surfaces of the two contacts and also the corresponding contact surfaces of the contact bridge are arranged at an angle to one another. The first switching element thus promotes rapid switching of an overload current to the second current path with the fuse. The normal vectors of the planes of the contact surfaces of the two contacts can, for example, run at an angle of approximately 90 degrees to one another. Other angles are also possible, e.g. 95°, 100°, 105°, 110°, 115°, 120°, 125°, 130°, etc., 85°, 80°, 75°, 70°, 65°, 60° °, 55°, 50° etc.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung weist eine Enge-Kraft, die zwischen der Kontaktfläche des ersten Kontakts und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke einwirkt, eine Kraftkomponente auf, die senkrecht zu einer Lorentzkraft verläuft, die beim Schließen des Schützes auf die Kontaktbrücke einwirkt; und eine Enge-Kraft, die zwischen der Kontaktfläche des zweiten Kontakts und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke einwirkt, weist eine Kraftkomponente auf, die senkrecht zu der Lorentzkraft verläuft, die beim Schließen des Schützes auf die Kontaktbrücke einwirkt.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, an Enge force acting between the contact surface of the first contact and a corresponding contact surface of the contact bridge has a force component that is perpendicular to a Lorentz force that acts on the contact bridge when the contactor closes; and an Enge force acting between the contact surface of the second contact and a corresponding contact surface of the contact bridge has a force component perpendicular to the Lorentz force acting on the contact bridge during contactor closure.

Damit wird der technische Vorteil erzielt, dass die Enge-Kraft, welche einem Schließen der Kontakte entgegenwirkt, größtenteils neutralisiert wird und somit die Lorentz-Kraft, über die das Schließen der Kontakte erfolgt, nicht oder nur teilweise abgeschwächt wird. Damit wird ein schnelles Schließen des zweiten Schaltelements begünstigt. Im Überlastfall kann der Überlaststrom somit schnell auf den zweiten elektrischen Pfad kommutiert werden.This achieves the technical advantage that the Enge force, which counteracts the closing of the contacts, is largely neutralized and the Lorentz force, which is used to close the contacts, is not weakened or is only partially weakened. This promotes rapid closing of the second switching element. In the event of an overload, the overload current can thus be quickly commutated to the second electrical path.

Durch die Schrägstellung der Kontakte wird der vektorielle Anteil der Engekraft, welcher in Richtung des Öffnens der Kontaktbrücke wirkt, vermindert.Due to the inclined position of the contacts, the vectorial part of the tightening force, which acts in the direction of opening the contact bridge, is reduced.

Grundsätzlich ist es aber wichtig, dass des zweite Schaltelement so ausgeführt ist, dass es bis zum maximalen Kurzschlussstrom und den damit einhergehenden elektromagnetischen Kräften (Engekraft an den Kontaktstellen, Lorenzkraft durch die Wirkung des Stromflusses und eventueller Blasmagnete) nicht öffnet (levitationsfreie Kontaktanordnung). Die schließend wirkenden Kräfte müssen also auch im Kurzschlussstrombereich die öffnend wirkenden Kräfte übersteigen, um den Schalter geschlossen zu halten. Dadurch soll ein weiterhin geringer Übergangswiderstand des zweiten Schalters beim Leiten der Kurzschlussströme gewährleistet werden.In principle, however, it is important that the second switching element is designed in such a way that it can withstand the maximum short-circuit current and the associated accompanying electromagnetic forces (constriction force at the contact points, Lorenz force due to the effect of the current flow and possible blow-out magnets) does not open (levitation-free contact arrangement). The closing forces must therefore also exceed the opening forces in the short-circuit current range in order to keep the switch closed. This is intended to ensure that the contact resistance of the second switch continues to be low when conducting the short-circuit currents.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Schaltelementanordnung sind der erste Kontakt, der zweite Kontakt und die schaltbare Kontaktbrücke des zweiten Schaltelements so dimensioniert, dass die schließend wirkenden Kräfte die öffnend wirkenden Kräfte übersteigen, so dass das zweite Schaltelement bis zu einem maximalen Überlaststrom nicht öffnet.According to an exemplary embodiment of the switching element arrangement, the first contact, the second contact and the switchable contact bridge of the second switching element are dimensioned such that the closing forces exceed the opening forces, so that the second switching element does not open up to a maximum overload current.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Feststellen einer Funktionsfähigkeit einer Schaltelementanordnung zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, wobei die Schaltelementanordnung einen ersten elektrischen Pfad mit einem ersten Schaltelement umfasst, wobei der erste elektrische Pfad zwischen einen Batterieanschluss und einen Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Laststrom zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss zu tragen; wobei die Schaltelementanordnung ferner einen zweiten elektrischen Pfad mit einer Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einer Sicherung umfasst, wobei der zweite elektrische Pfad parallel zu dem ersten elektrischen Pfad zwischen den Batterieanschluss und den Bordnetzanschluss geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Überlaststrom zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss aufzunehmen und durch Auslösen der Sicherung zu löschen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines ersten Stroms durch den ersten elektrischen Pfad und eines zweiten Stroms durch den zweiten elektrischen Pfad; Erfassen einer Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss; Bestimmen eines ersten Übergangswiderstandes des ersten elektrischen Pfades sowie eines zweiten Übergangswiderstandes des zweiten elektrischen Pfades basierend auf dem ersten Strom, dem zweiten Strom und der Spannung; und Feststellen einer Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung basierend auf einem Schwellwertvergleich zumindest eines der beiden Übergangswiderstände mit einer entsprechenden Schwelle.According to a second aspect, the object described above is achieved by a method for determining the functionality of a switching element arrangement for connecting a battery to an on-board network of a vehicle, the switching element arrangement comprising a first electrical path with a first switching element, the first electrical path between a battery connection and an onboard power supply connection is connected and is designed to carry a load current between the battery connection and the onboard power supply connection; wherein the switching element arrangement further comprises a second electrical path with a series connection of a second switching element and a fuse, wherein the second electrical path is connected in parallel to the first electrical path between the battery connection and the vehicle electrical system connection and is designed to transfer an overload current between the battery connection and the Record vehicle electrical system connection and delete it by triggering the fuse, the method comprising the following steps: detecting a first current through the first electrical path and a second current through the second electrical path; detecting a voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection; determining a first contact resistance of the first electrical path and a second contact resistance of the second electrical path based on the first current, the second current and the voltage; and determining the functionality of the switching element arrangement based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Ein solches Verfahren hat die gleichen technischen Vorteile wie die Schaltelementanordnung gemäß dem ersten Aspekt. D.h., über das Verhältnis der durch die beiden elektrischen Pfade fließenden Ströme und der Spannung zwischen dem Batterieanschluss und dem Bordnetzanschluss kann festgestellt werden, ob der zweite elektrische Pfad und insbesondere die Sicherung noch funktionsfähig ist oder ob die Sicherung bereits zuvor ausgelöst wurde und damit nicht mehr für weitere Überlastereignisse genutzt werden kann. Somit stellt das Verfahren eine Diagnosefunktion für die Sicherung zur Verfügung, die vor jedem Fahrzyklus ausgeführt werden kann, um die Sicherheit des Fahrzeugs zu überprüfen.Such a method has the same technical advantages as the switching element arrangement according to the first aspect. In other words, the relationship between the currents flowing through the two electrical paths and the voltage between the battery connection and the vehicle electrical system connection can be used to determine whether the second electrical path and in particular the fuse is still functional or whether the fuse has already tripped before and is no longer there can be used for further overload events. Thus, the method provides a backup diagnostic function that can be run prior to each drive cycle to check the safety of the vehicle.

Mit einem solchen Verfahren kann ein sicheres An- und Abschalten der Batterie an das Bordnetz eines Fahrzeugs gewährleistet werden. Es werden damit die Sicherheitsanforderungen der Funktionalen Sicherheit (FUSI) gemäß Integritätslevel ASIL C erfüllt.With such a method, a safe connection and disconnection of the battery to the vehicle electrical system can be guaranteed. The safety requirements of functional safety (FUSI) according to integrity level ASIL C are thus met.

Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt auf einer Steuerung, insbesondere einer Steuerung der Schaltelementanordnung gemäß dem ersten Aspekt.According to a third aspect, the object is achieved by a computer program with a program code for executing the method according to the second aspect on a controller, in particular a controller of the switching element arrangement according to the first aspect.

Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass das Computerprogramm einfach auf einer Steuerung, wie z.B. auf einem Mikrocontroller ausgeführt werden kann.This achieves the technical advantage that the computer program can easily be run on a controller, such as a microcontroller.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltelementanordnung 100;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltelementanordnung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300.

The invention is described in more detail below using exemplary embodiments and the figures. Show it:

1 a schematic representation of a switching element arrangement according to the invention 100;
2 a schematic representation of a switching element arrangement 200 according to the invention according to an embodiment; and
3 a schematic representation of a method according to the invention 300.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The figures are only schematic representations and only serve to explain the invention. Elements that are the same or have the same effect are provided with the same reference symbols throughout.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It is understood that other embodiments are used and struc physical or logical changes can be made without departing from the concept of the present invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense. Furthermore, it is understood that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another, unless specifically stated otherwise.

Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.The aspects and embodiments are described with reference to the drawings, wherein like reference numbers generally refer to like elements. In the following description, numerous specific details are set forth for purposes of explanation in order to provide a thorough understanding of one or more aspects of the invention. However, it may be apparent to a person skilled in the art that one or more aspects or embodiments can be practiced with a lesser degree of specific detail. In other instances, well-known structures and elements are shown in schematic form in order to facilitate describing one or more aspects or embodiments. It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the concept of the present invention.

In dieser Offenbarung werden Kriterien und Anforderungen zur Funktionalen Sicherheit (FUSI) in Fahrzeugen beschrieben. Funktionale Sicherheit bezeichnet den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion des sicherheitsbezogenen Systems und anderer risikomindernder Maßnahmen abhängt. Die Funktionale Sicherheit wird im Automobil-Bereich üblicherweise in Form von ASIL („Automotive Safety Integrity Level“) Klassen beschrieben. Die ASIL-Klassifikation setzt sich aus verschiedenen Faktoren zusammen, diese sind 1) „Severity - S“ entsprechend der Schwere des Fehlers, der Gefährdung des Nutzers oder der Umgebung; 2) „Exposure - E“ entsprechend der Eintrittswahrscheinlichkeit, d.h. Häufigkeit und/oder Dauer des Betriebszustands; 3) „Controllability - C“ entsprechend der Beherrschbarkeit des Fehlers. Aus diesen Faktoren ergeben sich vier verschiedene ASIL-Level: ASIL A: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-6 / Stunde; ASIL B: empfohlene Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-7 / Stunde; ASIL C: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-7 / Stunde; ASIL D: geforderte Ausfallwahrscheinlichkeit kleiner 10^-8 / Stunde.In this disclosure, criteria and requirements for functional safety (FUSI) in vehicles are described. Functional safety describes that part of the safety of a system that depends on the correct functioning of the safety-related system and other risk-reducing measures. In the automotive sector, functional safety is usually described in the form of ASIL (“Automotive Safety Integrity Level”) classes. The ASIL classification is composed of various factors, these are 1) "Severity - S" according to the severity of the fault, the hazard to the user or the environment; 2) "Exposure - E" according to the probability of occurrence, ie frequency and/or duration of the operating condition; 3) "Controllability - C" according to the controllability of the error. Four different ASIL levels result from these factors: ASIL A: recommended failure probability of less than 10 ^-6 / hour; ASIL B: recommended probability of failure less than 10 ^-7 / hour; ASIL C: required probability of failure less than 10 ^-7 / hour; ASIL D: required probability of failure less than 10 ^-8 / hour.

In dieser Offenbarung werden Schaltelemente zum Schalten von elektrischen Strömen, insbesondere Schütze, beschrieben. Ein Schaltelement gemäß dieser Offenbarung ist ein elektrisch oder elektromechanisch betätigter Schalter zum Schalten großer elektrischer Leistungen, z.B. wie sie im Falle eines Kurzschlusses auftreten. Auch das Schütz bzw. Schaltschütz ist ein elektrisch oder elektromechanisch betätigter Schalter für große elektrische Leistungen. Das Schütz kennt zwei Schaltstellungen und schaltet ohne besondere Vorkehrungen im Normalfall monostabil. Fließt ein Steuerstrom durch die Magnetspule eines elektromechanischen Schützes, zieht das Magnetfeld die mechanischen Kontakte in den aktiven Zustand. Ohne Strom stellt ein Rückführelement, z.B. eine Feder, den Ruhezustand wieder her, alle Kontakte kehren in ihre Ausgangslage zurück.Switching elements for switching electrical currents, in particular contactors, are described in this disclosure. A switching element according to this disclosure is an electrically or electromechanically actuated switch for switching large electrical powers, e.g. as they occur in the event of a short circuit. The contactor or contactor is also an electrically or electromechanically operated switch for high electrical power. The contactor has two switching positions and normally switches monostable without special precautions. When a control current flows through the magnetic coil of an electromechanical contactor, the magnetic field pulls the mechanical contacts into the active state. When there is no current, a return element, e.g. a spring, restores the quiescent state and all contacts return to their initial position.

In dieser Offenbarung werden Sicherungen zum Löschen von Überlastströmen, insbesondere Schmelzsicherungen beschrieben. Die elektrische Sicherung bzw. Überstromsicherung unterbricht einen elektrischen Stromkreis, wenn der elektrische Strom eine festgelegte Stromstärke über eine vorgegebene Zeit hinaus überschreitet. Es gibt verschiedene Ausführungen von Überstromsicherungen wie z.B. die Schmelzsicherung, den Leistungsschutzschalter oder auch die Pyro-Sicherung.This disclosure describes fuses for extinguishing overload currents, in particular fuses. The electrical fuse or overcurrent fuse interrupts an electrical circuit when the electrical current exceeds a specified current level for a predetermined time. There are different versions of overcurrent fuses such as the fuse, the circuit breaker or the pyro fuse.

Eine Schmelzsicherung gemäß dieser Offenbarung ist eine Überstromschutzeinrichtung, die durch das Abschmelzen eines Schmelzleiters den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke einen bestimmten Wert während einer ausreichenden Zeit überschreitet. Schmelzsicherungen bestehen aus einem isolierenden Körper, der zwei durch einen Schmelzleiter verbundene elektrische Kontakte aufnimmt. Der Schmelzleiter wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der Bemessungsstrom (Nennstrom) der Sicherung deutlich für eine bestimmte Zeit überschritten wird. Diese Schutzfunktion wird „Auslösen der Sicherung“ genannt. Ausgelöste Schmelzsicherungen sind unbrauchbar und müssen ersetzt werden. Der Schmelzleiter kann beispielsweise aus Elektrolytkupfer oder Feinsilber hergestellt sein und von Luft oder Quarzsand umgeben sein. Der Sand dient als Lichtbogenlöschmittel. Beim Abschalten eines Stromkreises entsteht ein Lichtbogen, dessen Intensität u. a. von der Höhe des abzuschaltenden Stroms abhängt. Bei einem Kurzschluss kann dieser Strom um mehrere Größenordnungen über dem Nennstrom der Sicherung liegen. Schmelzsicherungen gemäß dieser Offenbarung können einen oder mehrere parallel geschaltete Schmelzleiter umfassen. Beim Durchbrennen der Sicherung kann der Strom somit über mehrere Lichtbögen in der Sicherung gelöscht werden.A fuse according to this disclosure is an overcurrent protection device that breaks the circuit by melting a fuse element when the current intensity exceeds a certain value for a sufficient time. Fuses consist of an insulating body that accommodates two electrical contacts connected by a fusible conductor. The fusible conductor is heated by the current flowing through it and melts if the rated current (nominal current) of the fuse is significantly exceeded for a certain period of time. This protective function is called "blow the fuse". Blown fuses are useless and must be replaced. The fusible conductor can be made of electrolytic copper or fine silver, for example, and surrounded by air or quartz sand. The sand serves as an arc extinguishing agent. When a circuit is switched off, an arc is produced, the intensity of which is depends on the magnitude of the current to be switched off. In the event of a short circuit, this current can be several orders of magnitude higher than the rated current of the fuse. Fuses according to this disclosure may include one or more fuse elements connected in parallel. If the fuse blows, the current can thus be extinguished via several arcs in the fuse.

In dieser Offenbarung werden Holmsche Enge-Kräfte bzw. Enge-Kräfte beschrieben, die an den Kontaktflächen von Schaltelementen bzw. Schützen auftreten. Bei geschlossenen Kontaktstücken treten bei hoher Strombelastung Kräfte auf, die der Kontaktkraft entgegenwirken und zu einem Öffnen der Kontaktstücke führen können.In this disclosure, Holm's Enge forces or Enge forces are described which occur at the contact surfaces of switching elements or contactors. With the contact piece closed At high current loads, forces occur that counteract the contact force and can lead to the contact pieces opening.

Diese Abhebekräfte setzen sich hauptsächlich aus den elektrodynamischen Kräften, die zwischen zwei vom Strom entgegengesetzt durchflossenen Leitern auftreten, und der Holmschen Enge-Kraft zusammen. Erstere können durch die geometrische Form der Schaltglieder beeinflusst werden. Die sogenannte Enge-Kraft entsteht durch die antiparallelen Stromfäden, die in der unmittelbaren Umgebung der Berührungsstelle stark eingeschnürt sind; sie ist nur bei geschlossenen Kontaktstücken wirksam. Die Kontaktabhebung lässt sich näherungsweise durch die Beziehung F_A=0, 1 I² In(R/r) angeben, wobei F_A die Abhebekraft, I den Stromfluss, R den Radius des zylindrischen Kontaktstückes und r den Radus der Engstelle bezeichnet.These lifting forces are mainly composed of the electrodynamic forces that occur between two conductors through which current flows in opposite directions, and Holm's Enge force. The former can be influenced by the geometric shape of the switching elements. The so-called Narrow force arises from the antiparallel current filaments, which are severely constricted in the immediate vicinity of the point of contact; it is only effective when the contacts are closed. The contact separation can be approximated by the relationship F _A =0.1 I ² In(R/r), where F _A denotes the separation force, I the current flow, R the radius of the cylindrical contact piece and r the radius of the constriction.

Unter einem Fahrzyklus gemäß dieser Offenbarung ist der gesamte Zyklus eines Fahrzeugs zu verstehen, der sich zwischen einem Einschalten der Batteriespannung bzw. Anschalten der Betriebsklemme bzw. Fahrklemme oder des Bordnetzanschlusses bis zu einem Abschalten der Batteriespannung bzw. Abschalten der Betriebsklemme bzw. Fahrklemme oder des Bordnetzanschlusses abspielt. D.h. üblicherweise entspricht ein Fahrzyklus dem Einschalten der Stromversorgung des Fahrzeugs, Fahren des Fahrzeugs, Anhalten oder Parken des Fahrzeugs und Ausschalten der Stromversorgung des Fahrzeugs.A driving cycle according to this disclosure is to be understood as the entire cycle of a vehicle, which extends between switching on the battery voltage or switching on the operating terminal or driving terminal or the vehicle electrical system connection until the battery voltage is switched off or the operating terminal or driving terminal or the vehicle electrical system connection is switched off plays. That is, typically, one driving cycle corresponds to turning on the vehicle's power supply, driving the vehicle, stopping or parking the vehicle, and turning off the vehicle's power supply.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltelementanordnung 100. Die Schaltelementanordnung 100 dient zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs. 1 shows a schematic representation of a switching element arrangement 100 according to the invention. The switching element arrangement 100 is used to connect a battery to an on-board network of a vehicle, in particular an electric vehicle.

Die Schaltelementanordnung 100 umfasst einen ersten elektrischen Pfad 110 mit einem ersten Schaltelement (S1) 111. Der erste elektrische Pfad 110 ist zwischen einen Batterieanschluss bzw. Spannungsversorgungsanschluss 101 und einen Bordnetzanschluss 102 geschaltet und ausgebildet, einen Laststrom zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 zu tragen.The switching element arrangement 100 comprises a first electrical path 110 with a first switching element (S1) 111. The first electrical path 110 is connected between a battery connection or voltage supply connection 101 and a vehicle electrical system connection 102 and is designed to supply a load current between the battery terminal 101 and the vehicle electrical system connection 102 wear.

Die Schaltelementanordnung 100 umfasst einen zweiten elektrischen Pfad 120 mit einer Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement (S2) 121 und einer Sicherung 122. Der zweite elektrische Pfad 120 ist parallel zu dem ersten elektrischen Pfad 110 zwischen den Batterieanschluss 101 und den Bordnetzanschluss 102 geschaltet und ausgebildet, einen Überlaststrom zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 aufzunehmen und durch Auslösen der Sicherung 122 zu löschen.The switching element arrangement 100 includes a second electrical path 120 with a series connection of a second switching element (S2) 121 and a fuse 122. The second electrical path 120 is connected in parallel to the first electrical path 110 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and is designed take up an overload current between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and delete it by triggering the fuse 122 .

Die Schaltelementanordnung 100 umfasst eine Steuerung 130, z.B. einen Mikrocontroller oder ein ASIC, die ausgebildet ist, einen ersten Strom 104 durch den ersten elektrischen Pfad 110 und einen zweiten Strom 105 durch den zweiten elektrischen Pfad 120 sowie eine Spannung 113 zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 zu erfassen und basierend auf dem ersten Strom 104, dem zweiten Strom 105 und der Spannung 113 einen ersten Übergangswiderstand des ersten elektrischen Pfades 110 sowie einen zweiten Übergangswiderstand des zweiten elektrischen Pfades 120 zu bestimmen. Die Steuerung 130 ist ferner ausgebildet, eine Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung basierend auf einem Schwellwertvergleich zumindest eines der beiden Übergangswiderstände mit einer entsprechenden Schwelle festzustellen.The switching element arrangement 100 comprises a controller 130, e.g. a microcontroller or an ASIC, which is designed to supply a first current 104 through the first electrical path 110 and a second current 105 through the second electrical path 120, and a voltage 113 between the battery connection 101 and the To detect electrical system connection 102 and based on the first current 104, the second current 105 and the voltage 113 to determine a first contact resistance of the first electrical path 110 and a second contact resistance of the second electrical path 120. The controller 130 is also designed to determine the functionality of the switching element arrangement based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Die Steuerung 130 kann insbesondere ausgebildet sein, eine Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung 100 basierend auf einem Vergleich des zweiten Übergangswiderstands mit einer vorbestimmten Schwelle festzustellen.The controller 130 can in particular be designed to determine the functionality of the switching element arrangement 100 based on a comparison of the second contact resistance with a predetermined threshold.

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, eine Fehlfunktion des zweiten elektrischen Pfads 120 aufgrund eines fehlerhaften Schließens des zweiten Schaltelements 121 und/oder aufgrund einer bereits stattgefundenen Auslösung der Sicherung 122 basierend auf dem Verhältnis des ersten Stroms 104 zu dem zweiten Strom 105 und der Spannung 113 zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 festzustellen.The controller 130 can be configured to detect a malfunction of the second electrical path 120 due to an incorrect closing of the second switching element 121 and/or due to a tripping of the fuse 122 that has already taken place based on the ratio of the first current 104 to the second current 105 and the voltage 113 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102.

Die Schaltelementanordnung 100 kann einem ersten Hall-Sensor 213 umfassen, wie in z.B. 2 dargestellt, der an dem ersten elektrischen Pfad 110 angeordnet ist und ausgebildet ist, den ersten Strom 104 basierend auf einer ersten Hallspannung an dem ersten elektrischen Pfad 110 zu erfassen.The switching element arrangement 100 may include a first Hall sensor 213, as in eg 2 shown, which is arranged on the first electrical path 110 and is designed to detect the first current 104 based on a first Hall voltage on the first electrical path 110 .

Die Schaltelementanordnung 100 kann einen zweiten Hall-Sensor 223 umfassen, wie z.B. in 2 dargestellt, der an dem zweiten elektrischen Pfad 120 angeordnet ist und ausgebildet ist, den zweiten Strom 105 basierend auf einer zweiten Hallspannung an dem zweiten elektrischen Pfad 120 zu erfassen.The switching element arrangement 100 can include a second Hall sensor 223, such as in 2 shown, which is arranged on the second electrical path 120 and is designed to detect the second current 105 based on a second Hall voltage on the second electrical path 120.

Die Schaltelementanordnung 100 kann eine Spannungsmessung umfassen, die zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 angeordnet ist, und ausgebildet ist, die Spannung 113 zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 zu erfassen.The switching element arrangement 100 can include a voltage measurement, which is arranged between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and is designed to record the voltage 113 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 .

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, die Funktionsfähigkeit des zweiten elektrischen Pfads 120 festzustellen, wenn ein Verhältnis der ersten Hallspannung zu der zweiten Hallspannung unterhalb eines Schwellwerts liegt und der zweite Übergangswiderstand unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt.The controller 130 may be configured to determine the functionality of the second electrical path 120 when a ratio of the first th Hall voltage to the second Hall voltage is below a threshold and the second contact resistance is below a predetermined threshold.

Die Steuerung 130 kann ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung 100 festzustellen, wenn der zweite Übergangswiderstand des zweiten elektrischen Pfades 120 größer ist als der erste Übergangswiderstand des ersten elektrischen Pfades 110, beispielsweise um einen Faktor 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, etc., so dass ein überwiegender Teil des Laststroms über den ersten elektrischen Pfad 110 fließt.The controller 130 can be designed to determine the functionality of the switching element arrangement 100 if the second contact resistance of the second electrical path 120 is greater than the first contact resistance of the first electrical path 110, for example by a factor of 2, 3, 4, 5, 6, 7 , 8, 9, 10, 15, 20, etc., so that a predominant part of the load current flows via the first electrical path 110.

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, das erste Schaltelement 111 zu öffnen und danach das zweite Schaltelement 121 zu öffnen, wenn der erste Strom unterhalb eines ersten Stromschwellwerts und/oder der zweite Strom unterhalb eines zweiten Stromschwellwerts liegen.The controller 130 can be designed to open the first switching element 111 and then to open the second switching element 121 when the first current is below a first current threshold value and/or the second current is below a second current threshold value.

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, bei Wegfall einer Versorgungsspannung an dem Batterieanschluss 101 zuerst das erste Schaltelement 111 zu öffnen und danach das zweite Schaltelement 121 zu öffnen.The controller 130 can be designed to first open the first switching element 111 and then to open the second switching element 121 when a supply voltage at the battery connection 101 fails.

Die Steuerung 130 kann einen Pufferspeicher, insbesondere einen Kondensator, aufweisen, der ausgelegt ist, eine Zeitkonstante für das gegenüber dem ersten Schaltelement 111 verzögerte Öffnen des zweiten Schaltelements 121 bereitzustellen.The controller 130 can have a buffer memory, in particular a capacitor, which is designed to provide a time constant for opening the second switching element 121 with a delay in relation to the first switching element 111 .

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, ein fehlerhaftes Abschalten des ersten Schaltelements 111 und/oder des zweiten Schaltelements 121 basierend auf der Spannung 113 zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 sowie einer Erfassung einer Spannung an dem Bordnetzanschluss 102 festzustellen.The controller 130 can be designed to determine an incorrect switching off of the first switching element 111 and/or the second switching element 121 based on the voltage 113 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and a detection of a voltage at the vehicle electrical system connection 102 .

Die Steuerung 130 kann ausgebildet sein, bei einem Auftreten des Überlaststroms zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 das erste Schaltelement 111 zu öffnen, um den Überlaststrom auf den zweiten elektrischen Pfad 120 zu kommutieren.The controller 130 can be designed to open the first switching element 111 when the overload current occurs between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 in order to commutate the overload current to the second electrical path 120 .

Das zweite Schaltelement 121 kann ausgebildet sein, bei einer Kommutierung des Überlaststroms auf den zweiten elektrischen Pfad 120 im geschlossenen Zustand zu bleiben, um den Überlaststrom zur Auslöschung über die Sicherung 122 zu führen.The second switching element 121 can be designed to remain in the closed state when the overload current is commutated to the second electrical path 120 in order to conduct the overload current via the fuse 122 for extinguishing.

Das erste Schaltelement 111 kann ein erstes Schütz S1 mit einem ersten Kontakt 214, einem zweiten Kontakt 215 und einer schaltbaren Kontaktbrücke 212 zwischen den beiden Kontakten 214, 215 umfassen, wobei eine Kontaktfläche des ersten Kontakts 214 und eine Kontaktfläche des zweiten Kontakts 215 im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, wie z.B. in 2 dargestellt.The first switching element 111 can include a first contactor S1 with a first contact 214, a second contact 215 and a switchable contact bridge 212 between the two contacts 214, 215, with a contact surface of the first contact 214 and a contact surface of the second contact 215 being essentially in are arranged in a common plane, such as in 2 shown.

Die Schaltelementanordnung 100 kann so ausgeformt sein, dass eine Enge-Kraft (F_e), wie beispielsweise in 2 näher dargestellt, die zwischen der Kontaktfläche des ersten Kontakts 214 und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke 212 einwirkt, in Richtung einer Lorentzkraft (F_L) verläuft, die beim Öffnen des ersten Schützes S1 bzw. des ersten Schaltelements 111 auf die Kontaktbrücke 212 einwirkt. Die Schaltelementanordnung 100 kann so ausgeformt sein, dass eine Enge-Kraft (F_e), wie beispielsweise in 2 näher dargestellt, die zwischen der Kontaktfläche des zweiten Kontakts 215 und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke 212 einwirkt, in Richtung der Lorentzkraft (F_L) verläuft, die beim Öffnen des ersten Schützes S1 bzw. des ersten Schaltelements 111 auf die Kontaktbrücke 212 einwirkt.The switching element arrangement 100 can be shaped in such a way that a tightening force (F _e ), such as in FIG 2 shown in more detail, which acts between the contact surface of the first contact 214 and a corresponding contact surface of the contact bridge 212, in the direction of a Lorentz force (F _L ), which acts on the contact bridge 212 when the first contactor S1 or the first switching element 111 opens. The switching element arrangement 100 can be shaped in such a way that a tightening force (F _e ), such as in FIG 2 shown in more detail, which acts between the contact surface of the second contact 215 and a corresponding contact surface of the contact bridge 212, runs in the direction of the Lorentz force (F _L ), which acts on the contact bridge 212 when the first contactor S1 or the first switching element 111 opens.

Das zweite Schaltelement 121 kann ein zweites Schütz S2 mit einem ersten Kontakt 224, einem zweiten Kontakt 225 und einer schaltbaren Kontaktbrücke 222 zwischen den beiden Kontakten 224, 225 umfassen, wobei eine Kontaktfläche des ersten Kontakts 224 und eine Kontaktfläche des zweiten Kontakts 225 schräg zueinander angeordnet sind, wie. z.B. in 2 dargestellt.The second switching element 121 can include a second contactor S2 with a first contact 224, a second contact 225 and a switchable contact bridge 222 between the two contacts 224, 225, with a contact surface of the first contact 224 and a contact surface of the second contact 225 being arranged at an angle to one another are like. eg in 2 shown.

Die Schaltelementanordnung 100 kann so ausgeformt sein, dass eine Enge-Kraft (F_e), wie beispielsweise in 2 näher dargestellt, die zwischen der Kontaktfläche des ersten Kontakts 224 und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke 222 einwirkt, eine Kraftkomponente aufweist, die senkrecht zu einer Lorentzkraft (F_L) verläuft, die beim Schließen des zweiten Schützes S2 auf die Kontaktbrücke 222 einwirkt. Die Schaltelementanordnung 100 kann so ausgeformt sein, dass eine Enge-Kraft (F_e), wie beispielsweise in 2 dargestellt, die zwischen der Kontaktfläche des zweiten Kontakts 225 und einer entsprechenden Kontaktfläche der Kontaktbrücke 222 einwirkt, eine Kraftkomponente aufweist, die senkrecht zu der Lorentzkraft (F_L) verläuft, die beim Schließen des zweiten Schützes S2 auf die Kontaktbrücke 222 einwirkt.The switching element arrangement 100 can be shaped in such a way that a tightening force (F _e ), such as in FIG 2 shown in more detail, which acts between the contact surface of the first contact 224 and a corresponding contact surface of the contact bridge 222, has a force component which is perpendicular to a Lorentz force (F _L ) which acts on the contact bridge 222 when the second contactor S2 is closed. The switching element arrangement 100 can be shaped in such a way that a tightening force (F _e ), such as in FIG 2 shown acting between the contact surface of the second contact 225 and a corresponding contact surface of the contact bridge 222, has a force component that is perpendicular to the Lorentz force (F _L ) that acts on the contact bridge 222 when the second contactor S2 closes.

Der erste Kontakt 224, der zweite Kontakt 225 und die schaltbare Kontaktbrücke 222 des zweiten Schaltelements 121 können so dimensioniert sein, dass die schließend wirkenden Kräfte die öffnend wirkenden Kräfte übersteigen, so dass das zweite Schaltelement 121 bis zu einem maximalen Überlaststrom nicht öffnet. The first contact 224, the second contact 225 and the switchable contact bridge 222 of the second switching element 121 can be dimensioned such that the closing forces exceed the opening forces, so that the second switching element 121 does not open up to a maximum overload current.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltelementanordnung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltelementanordnung 200 ist eine spezielle Ausführungsform der Schaltelementanordnung 100 wie oben zu 1 beschrieben. 2 shows a schematic representation of a switching element arrangement according to the invention 200 according to one embodiment. The switching element arrangement 200 is a special embodiment of the switching element arrangement 100 as above 1 described.

2 zeigt den Aufbau der Schaltelementanordnung 200 bestehend aus zwei parallelen Pfaden 110, 120 bestehend aus Schütz S1 bzw. erstem Schaltelement 111 und Schütz S2 bzw. zweitem Schaltelement 121 mit Sicherung F, 122. 2 shows the structure of the switching element arrangement 200 consisting of two parallel paths 110, 120 consisting of contactor S1 or first switching element 111 and contactor S2 or second switching element 121 with fuse F, 122.

Schütz S1 hat die Eigenschaft, dass die Levitation ein Öffnen der Kontaktbrücke 212 unterstützt, da sowohl die Enge-Kräfte (F_e) in den Kontakten 214, 215 als auch die Lorentzkraft öffnende Wirkung haben.Contactor S1 has the property that the levitation supports the opening of the contact bridge 212, since both the Enge forces (F _e ) in the contacts 214, 215 and the Lorentz force have an opening effect.

Schütz S2 hingegen hat Kontakte 224, 225, die so ausgeprägt sind, dass sich ein Großteil der Enge-Kräfte (F_e) aufgrund der Anstellung der Kontaktflächen aufheben. Hier dominiert die Lorentzkraft, die schließend wirkt.Contactor S2, on the other hand, has contacts 224, 225 that are so pronounced that a large part of the Enge forces (F _e ) cancel out due to the pitch of the contact surfaces. The Lorentz force, which has a closing effect, dominates here.

Für den Betrieb der Schaltelementanordnung 200 können die im Folgenden beschriebenen drei Fälle unterschieden werden:

Fall 1: Strom Leiten, S1 und S2 sind geschlossen;
Fall 2: Normales Trennen; und
Fall 3: Überlast Trennen.

The three cases described below can be distinguished for the operation of the switching element arrangement 200:

Case 1: conducting current, S1 and S2 are closed;
Case 2: Normal disconnect; and
Case 3: Disconnect overload.

Im Fall 1, d.h. Strom Leiten, S1 und S2 sind geschlossen, hat die Schaltelementanordnung 200 die folgende Funktionalität: Das Schütz S1 ist auf Strom-Leiten ausgelegt mit einem Übergangswiderstand bei typischerweise 50µOhm . Der Pfad 120 mit Schütz S2, 121 und der Sicherung F, 122 hat typischerweise einen Übergangswiderstand von 1000µOhm. Fließen über die Anordnung 800A, so teilt sich der Strom 103 wie folgt auf: I1= 761 A über den S1 Zweig 110 und I2=38A über den S2 Zweig 120 inklusive Sicherung 122. Die Sicherung F, 122 kann typischerweise auf einen Betrag von 300A ausgelegt werden. Da die Sicherung 122 nur einen kleinen Teil des Laststromes (40A) tragen muss, ergibt sich diese Möglichkeit der Auslegung. Die Sicherung 122 wird unter dieser Belastung auch so gut wie keine Verlustleistung abgeben und nicht altern.In case 1, i.e. conducting current, S1 and S2 are closed, the switching element arrangement 200 has the following functionality: The contactor S1 is designed for conducting current with a contact resistance of typically 50 μΩ. The path 120 with the contactor S2, 121 and the fuse F, 122 typically has a contact resistance of 1000 μΩ. Flowing through the arrangement 800A, the current 103 is divided as follows: I1= 761 A via the S1 branch 110 and I2=38A via the S2 branch 120 including fuse 122. The fuse F, 122 can typically be rated at 300A be laid out. Since the fuse 122 only has to carry a small portion of the load current (40A), this design option is available. The fuse 122 will also emit virtually no power loss under this load and will not age.

Im Fall 2, d.h. Normales Trennen, hat die Schaltelementanordnung 200 die folgende Funktionalität: Über die Hall-Sensoren H1, 213 und H2, 223 wird erkannt, dass kein Strom fließt. Es wird S1 geöffnet und mit einer kleinen Verzögerung (z.B. 20ms) wird S2 geöffnet.In case 2, i.e. normal disconnection, switching element arrangement 200 has the following functionality: Hall sensors H1, 213 and H2, 223 detect that no current is flowing. S1 is opened and with a small delay (e.g. 20ms) S2 is opened.

Im Fall 3, d.h. Überlast Trennen, hat die Schaltelementanordnung 200 die folgende Funktionalität: Bei einem externen Kurzschluss steigt der Schleifenstrom nur begrenzt durch die Schleifeninduktivität in circa 100µs auf circa 16000A an bei einem normalen Schütz. Bei der hier vorliegenden Anordnung 200 erkennt der Hall Sensor H1 einen Strom, der über 1000A steigt, und unterbricht den Stromkreis zum Aktuator 211 des Schützes S1. Wegen der Remanenz des Aktuators 211 und der mechanischen Trägheit bleibt das Schütz S1 aber zunächst geschlossen. Steigt der Strom über circa 6000A, so beginnt die Lorentz- und Enge-Kraft das Öffnen zu unterstützen. Wenn das Schütz S1 dann bei circa 8000A öffnet, kommutiert der Strom sofort auf den S2 Zweig 120 mit Sicherung 122. Der Spannungsabfall über S2 und F beträgt dann im ersten Moment 8000A * 1mOhm = 8V. Da die 8V erheblich unter der Lichtbogen-Zündspannung von 2 x 16V liegen (Doppelkontakt), wird sich bei S1 kein Lichtbogen im Moment des Schaltens ausbilden. Die 8000A über S2 werden aufgrund der geometrischen Ausprägung von S2 zu einer das geschlossen bleiben unterstützenden Lorentzkraft führen. Der Stromfluss von größer 8000A wird zu einem sehr schnellen («1ms) Auslösen der Sicherung F, 122 führen.In case 3, i.e. disconnecting overload, the switching element arrangement 200 has the following functionality: In the event of an external short circuit, the loop current increases only to a limited extent due to the loop inductance in approximately 100 μs to approximately 16000 A with a normal contactor. In the arrangement 200 presented here, the Hall sensor H1 detects a current which rises above 1000 A and interrupts the circuit to the actuator 211 of the contactor S1. Because of the remanence of the actuator 211 and the mechanical inertia, the contactor S1 initially remains closed. If the current rises above about 6000A, the Lorentz and Enge forces begin to support the opening. If the contactor S1 then opens at around 8000A, the current commutes immediately to the S2 branch 120 with fuse 122. The voltage drop across S2 and F is then initially 8000A * 1mOhm = 8V. Since the 8V are considerably below the arc ignition voltage of 2 x 16V (double contact), no arc will form at S1 at the moment of switching. Due to the geometric shape of S2, the 8000A over S2 will lead to a Lorentz force that supports the closed position. The flow of current of more than 8000A will cause the fuse F, 122 to trip very quickly (<<1ms).

Für die Funktionale Sicherheit (FUSI) ergeben sich somit die folgenden Implikationen:

Für die Funktionale Sicherheit bestehen die folgenden Sicherheitsziele:
1. 1. Fahrzeugbrand nach HV Kurzschluss z.B. wegen Crash verhindern (ASIL C)
2. 2. Kein elektrischer Schlag nach Crash für Insassen oder Rettungspersonal (ASIL C)
3. 3. Kein Überladen der Batterie, was zu einem thermischen Event führen kann (ASIL C)

This has the following implications for functional safety (FUSI):

The following safety goals exist for functional safety:
1. 1. Prevent vehicle fire after HV short circuit, e.g. due to a crash (ASIL C)
2. 2. No electric shock for occupants or rescue personnel after a crash (ASIL C)
3. 3. No overcharging of the battery, which can lead to a thermal event (ASIL C)

Die Sicherheitsziele der Schütz-Anordnung 200 lassen sich auf die folgenden technischen Sicherheitsanforderungen abbilden:

TSR 1: Autarkes Abschalten bei Überstrom > 1000A (ASIL C)
TSR 2: Abschalten auf Kommandierung (ASIL C)
FTTI: ein Fahrzyklus, das System darf in einen neuen Fahrzyklus nur ohne latente Fehler gehen.

The safety goals of the contactor arrangement 200 can be mapped to the following technical safety requirements:

TSR 1: Autonomous shutdown in the event of overcurrent > 1000A (ASIL C)
TSR 2: shutdown on command (ASIL C)
FTTI: one driving cycle, the system is only allowed to go into a new driving cycle without latent errors.

Die Schaltelementanordnung 200 erfüllt das im Folgenden beschriebene erfinderische Sicherheitskonzept:

Am Ende des Fahrzyklus schalten gemäß Fall 2 erst S1, dann S2 ab. Das Vermögen, abzuschalten kann anhand der Ausgangsspannung diagnostiziert werden.

The switching element arrangement 200 fulfills the inventive safety concept described below:

At the end of the driving cycle, according to case 2, first S1 and then S2 switch off. The ability to turn off can be diagnosed from the output voltage.

Es bleibt die Anforderung diagnostizieren zu können, dass die Anordnung auch in der Lage sein wird, einen Lichtbogen bei Überstromabschaltung löschen zu können. Dieses Vermögen, den Lichtbogen im Löschkreis bestehend aus S2 und F löschen zu können, könnte durch die folgenden Fehler konterkariert sein:

1. Schütz S2 ist nicht korrekt geschlossen
2. F2 hat schon längst ausgelöst und wird daher die Löschung nicht vornehmen können.

There remains the requirement to be able to diagnose, that the arrangement also be able to to be able to extinguish an arc in the event of an overcurrent shutdown. This ability to extinguish the arc in the quenching circuit consisting of S2 and F could be thwarted by the following errors:

1. Contactor S2 is not properly closed
2. F2 has already triggered and will therefore not be able to carry out the deletion.

Diese beiden Fehler werden über den ermittelten Übergangswiderstand im Pfad 2 erkannt, wie oben zu 1 näher beschrieben. Damit kann der Controller C, 130 während des Ladens mit z.B. 800A erkennen, dass die Löschfähigkeit von S2 plus F, d.h. des zweiten elektrischen Pfades 120, gegeben ist.These two errors are detected via the contact resistance determined in path 2, as above 1 described in more detail. The controller C, 130 can thus recognize during charging with, for example, 800A that the extinguishing capability of S2 plus F, ie the second electrical path 120, is given.

Schütz S2 ist „levitationsfrei“ ausgeführt, so dass es im Kurzschlussfall nicht öffnet. Dies wird durch eine entsprechende Bauform gewährleistet.Contactor S2 is "levitation-free" so that it does not open in the event of a short circuit. This is ensured by a corresponding design.

Für den Fehlerfall „Wegfall der 12V Versorgung“ gilt das Folgende:

Mit Wegfall der 12V Versorgung schaltet S1 sofort ab. Der Controller C, 130 enthält einen Pufferspeicher (z.B. Kondensator), der dafür sorgt, dass S2 erst mit einem Nachlauf von beispielsweise 50ms abschaltet. Dieser Mechanismus sorgt dafür, dass im Fall eines HV Kurzschlusses mit gleichzeitigem Ausfall der 12V Versorgung die Trennung über die Sicherung („Fuse“) F erfolgt.

The following applies to the error "loss of 12V supply":

When the 12V supply fails, S1 switches off immediately. The controller C, 130 contains a buffer memory (for example a capacitor) which ensures that S2 only switches off after an after-run of 50 ms, for example. This mechanism ensures that in the event of an HV short circuit with a simultaneous failure of the 12V supply, the disconnection takes place via the fuse (“Fuse”) F.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300. 3 shows a schematic representation of a method 300 according to the invention.

Das Verfahren dient zum Feststellen einer Funktionsfähigkeit einer Schaltelementanordnung zum Schalten einer Batterie an ein Bordnetz eines Fahrzeugs, beispielsweise einer Schaltanordnung 100 oder 200, wie oben zu den 1 und 2 beschrieben. Die Schaltelementanordnung 100 umfasst einen ersten elektrischen Pfad 110 mit einem ersten Schaltelement 111, wobei der erste elektrische Pfad 110 zwischen einen Batterieanschluss 101 und einen Bordnetzanschluss 102 geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Laststrom zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 zu tragen. Die Schaltelementanordnung 100 umfasst ferner einen zweiten elektrischen Pfad 120 mit einer Reihenschaltung aus einem zweiten Schaltelement 121 und einer Sicherung 122, wobei der zweite elektrische Pfad 120 parallel zu dem ersten elektrischen Pfad 110 zwischen den Batterieanschluss 101 und den Bordnetzanschluss 102 geschaltet ist und ausgebildet ist, einen Überlaststrom zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102 aufzunehmen und durch Auslösen der Sicherung 122 zu löschen.The method is used to determine the operability of a switching element arrangement for switching a battery to an on-board network of a vehicle, for example a switching arrangement 100 or 200, as described above 1 and 2 described. The switching element arrangement 100 comprises a first electrical path 110 with a first switching element 111, the first electrical path 110 being connected between a battery connection 101 and a vehicle electrical system connection 102 and being designed to carry a load current between the battery terminal 101 and the vehicle electrical system connection 102. The switching element arrangement 100 also includes a second electrical path 120 with a series connection of a second switching element 121 and a fuse 122, the second electrical path 120 being connected in parallel to the first electrical path 110 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and being designed take up an overload current between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102 and delete it by triggering the fuse 122 .

Das Verfahren 300 umfasst die folgenden Schritte:

Erfassen 301 eines ersten Stroms 104 durch den ersten elektrischen Pfad 110 und eines zweiten Stroms 105 durch den zweiten elektrischen Pfad 120, wie beispielsweise zu den 1 und 2 beschrieben;
Erfassen 302 einer Spannung 113 zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102;
Bestimmen 303 eines ersten Übergangswiderstandes des ersten elektrischen Pfades 110 sowie eines zweiten Übergangswiderstandes des zweiten elektrischen Pfades 120 basierend auf dem ersten Strom 104, dem zweiten Strom 105 und der Spannung 113; und
Feststellen 304 einer Funktionsfähigkeit der Schaltelementanordnung 100 basierend auf einem Schwellwertvergleich zumindest eines der beiden Übergangswiderstände mit einer entsprechenden Schwelle.

The method 300 includes the following steps:

Detecting 301 a first current 104 through the first electrical path 110 and a second current 105 through the second electrical path 120, such as to the 1 and 2 described;
Detection 302 of a voltage 113 between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102;
determining 303 a first contact resistance of the first electrical path 110 and a second contact resistance of the second electrical path 120 based on the first current 104, the second current 105 and the voltage 113; and
Establishing 304 a functionality of the switching element arrangement 100 based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Bezugszeichenlistereference list

100100: Schaltelementanordnungswitching element arrangement
101101: Batterieanschlussbattery connection
102102: Bordnetzanschlusson-board power supply
103103: gesamter Stromentire stream
104104: erster Strom durch ersten elektrischen Pfadfirst current through first electrical path
105105: zweiter Strom durch zweiten elektrischen Pfadsecond current through second electrical path
110110: erster elektrischer Pfadfirst electrical path
111111: erstes Schaltelement S1, erstes Schütz S1first switching element S1, first contactor S1
113113: Spannung zwischen dem Batterieanschluss 101 und dem Bordnetzanschluss 102Voltage between the battery connection 101 and the vehicle electrical system connection 102
120120: zweiter elektrischer Pfadsecond electrical path
121121: zweites Schaltelement S2, zweites Schütz S2second switching element S2, second contactor S2
122122: Sicherung F, z.B. SchmelzsicherungFuse F, e.g. fuse
130130: Steuerung steering
200200: Schaltelementanordnungswitching element arrangement
211211: Aktuator des ersten Schütz S1Actuator of the first contactor S1
212212: Kontaktbrücke von S1Contact bridge of S1
213213: erster Hall-Sensor H1first Hall sensor H1
214214: erster Kontakt von S1first contact of S1
215215: zweiter Kontakt von S1second contact of S1
221221: Aktuator des zweiten Schütz S2Actuator of the second contactor S2
222222: Kontaktbrücke von S2Contact bridge of S2
223223: zweiter Hall-Sensor H2second Hall sensor H2
224224: erster Kontakt von S2first contact of S2
225225: zweiter Kontakt von S2 second contact of S2
300300: Verfahren zum Feststellen einer Funktionsfähigkeit einer Schaltelementanordnung 100, 200Method for determining the functionality of a switching element arrangement 100, 200
301301: 1. Verfahrensschritt1. Process step
302302: 2. Verfahrensschritt2. Process step
303303: 3. Verfahrensschritt3. Process step
304304: 4. Verfahrensschritt4. Process step

Claims

Switching element arrangement (100) for switching a battery to an on-board network of a vehicle, comprising: a first electrical path (110) with a first switching element (111), wherein the first electrical path (110) is connected between a battery connection (101) and a vehicle electrical system connection (102) and is designed to transfer a load current between the battery connection (101) and to wear the vehicle electrical system connection (102); a second electrical path (120) with a series circuit made up of a second switching element (121) and a fuse (122), the second electrical path (120) being parallel to the first electrical path (110) between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) is connected and is designed to receive an overload current between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) and to delete it by triggering the fuse (122); and a controller (130) which is designed to direct a first current (104) through the first electrical path (110) and a second current (105) through the second electrical path (120) and a voltage (113) between the battery connection (101 ) and the vehicle electrical system connection (102) and based on the first current (104), the second current (105) and the voltage (113) a first contact resistance of the first electrical path (110) and a second contact resistance of the second electrical path ( 120) to determine wherein the controller (130) is also designed to determine the functionality of the switching element arrangement based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.

Switching element arrangement (100) after claim 1 , wherein the controller (130) is designed to determine a functionality of the switching element arrangement (100) based on a comparison of the second contact resistance with a predetermined threshold.

Switching element arrangement (100) after claim 1 or 2 , wherein the controller (130) is designed to detect a malfunction of the second electrical path (120) due to a faulty closing of the second switching element (121) and/or due to a tripping of the fuse (122) that has already taken place based on a ratio of the first current ( 104) to determine the second current (105) and the voltage (113) between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102).

Switching element arrangement (100) according to one of the preceding claims, with: a first Hall sensor (213) which is arranged on the first electrical path (110) and is designed to detect the first current (104) based on a first Hall voltage on the first electrical path (110); a second Hall sensor (223) which is arranged on the second electrical path (120) and is designed to detect the second current (105) based on a second Hall voltage on the second electrical path (120); and a voltage measurement, which is arranged between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102), and is designed to detect the voltage between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102).

Switching element arrangement (100) after claim 4 , wherein the controller (130) is designed to determine the functionality of the second electrical path (120) when a ratio of the first Hall voltage to the second Hall voltage is below a threshold value and the second contact resistance is below a predetermined threshold.

Switching element arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the controller (130) is designed to determine the functionality of the switching element arrangement (100) when the second contact resistance of the second electrical path (120) is greater than the first contact resistance of the first electrical path ( 110), so that a predominant part of the load current flows via the first electrical path (110).

Switching element arrangement (100) according to any one of the preceding claims, wherein the controller (130) is designed, the first switching element (111) to open and then to open the second switching element (121) when the first current is below a first current threshold value and/or the second current is below a second current threshold value.

Switching element arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the controller (130) is designed to first open the first switching element (111) and then to open the second switching element (121) when a supply voltage at the battery connection (101) fails.

Switching element arrangement (100) after claim 8 , The controller (130) having a buffer memory, in particular a capacitor, which is designed to provide a time constant for the opening of the second switching element (121) which is delayed relative to the first switching element (111).

Switching element arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the controller (130) is designed to switch off the first switching element (111) and/or the second switching element (121) incorrectly based on the voltage (113) between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) and a detection of a voltage at the vehicle electrical system connection (102).

Switching element arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the controller (130) is designed to open the first switching element (111) when the overload current occurs between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) in order to transfer the overload current to the to commutate the second electrical path (120).

Switching element arrangement (100) after claim 11 , wherein the second switching element (121) is designed to remain in the closed state when the overload current is commutation on the second electrical path (120) in order to conduct the overload current via the fuse (122) to extinguish it.

Switching element arrangement (200) according to one of the preceding claims, wherein the first switching element (111) comprises a first contactor (S1) with a first contact (214), a second contact (215) and a switchable contact bridge (212) between the two contacts (214, 215), wherein a contact surface of the first contact (214) and a contact surface of the second contact (215) are arranged in a common plane.

Switching element arrangement (200) after Claim 13 , whereby an Enge force (F _e ) acting between the contact surface of the first contact (214) and a corresponding contact surface of the contact bridge (212) runs in the direction of a Lorentz force (F _L ) which occurs when the first contactor (S1 ) acts on the contact bridge (212); and wherein an Enge force (F _e ) acting between the contact surface of the second contact (215) and a corresponding contact surface of the contact bridge (212) is in the direction of the Lorentz force (F _L ) generated when the first contactor (S1 ) acts on the contact bridge (212).

Switching element arrangement (200) according to one of the preceding claims, wherein the second switching element (121) comprises a second contactor (S2) with a first contact (224), a second contact (225) and a switchable contact bridge (222) between the two contacts (224, 225), wherein a contact surface of the first contact (224) and a contact surface of the second contact (225) are arranged obliquely to one another.

Switching element arrangement (200) after claim 15 , wherein an Enge force (F _e ) acting between the contact surface of the first contact (224) and a corresponding contact surface of the contact bridge (222) has a force component that is perpendicular to a Lorentz force (F _L ) acting upon closure of the second contactor (S2) acts on the contact bridge (222); and wherein an Enge force (F _e ) acting between the contact surface of the second contact (225) and a corresponding contact surface of the contact bridge (222) has a force component that is perpendicular to the Lorentz force (F _L ) applied during closure of the second contactor (S2) acts on the contact bridge (222).

Switching element arrangement (200) after Claim 16 , wherein the first contact (224), the second contact (225) and the switchable contact bridge (222) of the second switching element (121) are dimensioned such that the closing forces exceed the opening forces, so that the second switching element (121 ) does not open up to a maximum overload current.

Method (300) for determining the functionality of a switching element arrangement (100) for switching a battery to an on-board network of a vehicle, the switching element arrangement (100) comprising a first electrical path (110) with a first switching element (111), the first electrical path (110) between a battery connection (101) and a vehicle electrical system connection (102) is connected and is designed to carry a load current between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102); wherein the switching element arrangement (100) further comprises a second electrical path (120) with a series connection of a second switching element (121) and a fuse (122), the second electrical path (120) parallel to the first electrical path (110) between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) and is designed to absorb an overload current between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102) and to delete it by triggering the fuse (122), the method comprising the following steps : detecting (301) a first current (104) through the first electrical path (110) and a second current (105) through the second electrical path (120); Detecting (302) a voltage (113) between the battery connection (101) and the vehicle electrical system connection (102); Determining (303) a first contact resistance of the first electrical path (110) and a second contact resistance of the second electrical path (120) based on the first current (104), the second current (105) and the voltage (113); and determining (304) a functionality of the switching element arrangement (100) based on a threshold value comparison of at least one of the two contact resistances with a corresponding threshold.