DE102021201468B3 - Architecture and circuit topology to ensure switchable all-pole galvanic isolation in high-voltage battery systems - Google Patents

Architecture and circuit topology to ensure switchable all-pole galvanic isolation in high-voltage battery systems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochspannungsbatteriesystem (1000) mit mindestens einer Hochspannungsbatterieeinheit (100), welche eine Hochspannungsbatterie (200), welche zwei Batteriepole (210, 220) aufweist, zwischen denen im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie (200) eine Hochspannung abfällt, und einer Schutzschaltung (300) zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole (210, 220) von den Anschlusspolen (410, 420) mindestens eines Anschlusses (400) der Hochspannungsbatterieeinheit (100) in einem Schutzzustand umfasst, wobei die Schutzschaltung mindestens ein erstes Schaltelement (310) und mindesten ein zweites Schaltelement (320) umfasst, und einem Hochspannungs-Hochleistungsnetz (800), über das mindestens ein Hochspannungsverbraucher (860) elektrisch angeschlossen ist, wobei das mindestens eine erste Schaltelement (310) als Halbleiterschalter (313) und das mindestens eine zweite Schaltelement (320) als Schütz (324) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine als Halbleiterschalter (313) ausgebildete erste Schaltelement (310) zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem einen Anschlusspol (410) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und dass mindestens eine als Schütz (324) ausgebildete zweite Schaltelement (320) zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Anschlusspol (420) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) eine pyrotechnische Sicherung (315) angeordnet ist, wobei die Schutzschaltung (300) mindestens ein weiteres erstes Schaltelement (330) und mindestens ein weiteres zweites Schaltelement (340) zum allpoligen Trennen von Ladungsanschlusspole (510, 520) eines Gleichspannungsladungsanschlusses (500) von den Batteriepolen (210, 220) in einem getrennten Zustand aufweist.Die Erfindung betrifft ferner eine wie oben beschriebene Hochspannungsbatterieeinheit (100) mit einer Hochspannungsbatterie (200) und einer Schutzschaltung (300).The invention relates to a high-voltage battery system (1000) with at least one high-voltage battery unit (100), which has a high-voltage battery (200) which has two battery poles (210, 220), between which a high voltage drops when the high-voltage battery (200) is charged, and a protective circuit (300) for all-pole galvanic isolation of the two battery poles (210, 220) from the connection poles (410, 420) of at least one connection (400) of the high-voltage battery unit (100) in a protective state, the protective circuit comprising at least one first switching element (310) and comprises at least one second switching element (320), and a high-voltage, high-power network (800) via which at least one high-voltage consumer (860) is electrically connected, the at least one first switching element (310) as a semiconductor switch (313) and the at least one second switching element (320) is designed as a contactor (324), the at least one being Ha The first switching element (310) designed as a conductor switch (313) is arranged between the one battery pole (210) and the one connection pole (410) of the at least one connection (400) and that at least one second switching element (320) designed as a contactor (324) is arranged between the other battery pole (220) and the other connection pole (420) of the at least one connection (400) and additionally between the one battery pole (210) and the at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313) a pyrotechnic fuse (315 ) is arranged, wherein the protective circuit (300) has at least one further first switching element (330) and at least one further second switching element (340) for all-pole disconnection of charge connection poles (510, 520) of a DC voltage charge connection (500) from the battery poles (210, 220) in a disconnected state.The invention further relates to a high voltage battery pack (100) as described above with a high voltage battery (200) and a protection circuit (300).

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Hochspannungsbatteriesysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hochspannungsbatterieeinheit und ein Hochspannungsbatteriesystem mit einer solchen Hochspannungsbatterieeinheit, die jeweils eine Hochspannungsbatterie umfassen, insbesondere eine Hochspannungsbatterieeinheit und ein Hochspannungsbatteriesystem für ein Fahrzeug mit einem rein elektrischen Antrieb oder einem Hybridantrieb, dessen eine Antriebsmaschine ein Elektromotor ist.The invention relates generally to high voltage battery systems. In particular, the invention relates to a high-voltage battery unit and a high-voltage battery system with such a high-voltage battery unit, each of which includes a high-voltage battery, in particular a high-voltage battery unit and a high-voltage battery system for a vehicle with a purely electric drive or a hybrid drive, one of whose drive machines is an electric motor.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb auszurüsten. Die zum Antreiben einer elektrischen Maschine oder anderer Hochspannungsverbraucher benötigte Energie wird sowohl bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen als auch bei Hybridfahrzeugen in einer Hochspannungsbatterie gespeichert. Als Hochspannung wird hier Gleichspannung angesehen, deren Potentialdifferenz größer als 60 V ist. In der Regel sind die Spannungen von Hochspannungsbatterien, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, deutlich höher und liegen im Bereich zwischen 300 V bis 1.000 V, bevorzugt im Bereich zwischen 400 V und 800 V. Grundsätzlich und im Falle einer auftretenden Störung, insbesondere bei einem Unfall, bei dem eine Isolation von einer oder mehreren elektrischen Leitungen gleichzeitig beschädigt werden können, kann es notwendig sein, die Batteriepole galvanisch von dem Hochspannungsnetz und dessen Teilnetzen zu trennen. Auch im Falle eines Defekts eines Hochspannungsverbrauchers kann es bei den heute üblichen Hochspannungsnetzwerktopologien notwendig sein, die Batteriepole galvanisch vom Hochspannungsnetz abzutrennen. Hierfür ist in der Regel eine Schutzschaltung vorgesehen, die gemeinsam mit der Hochspannungsbatterie in einer Hochspannungsbatterieeinheit zusammengefasst sein kann. Die Schutzschaltung sorgt dafür, dass in einem Schutzzustand die Batteriepole von allen elektrischen Hochspannungsanschlüssen, die aus der Hochspannungsbatterieeinheit herausführen, galvanisch getrennt sind.It is known from the prior art to equip vehicles with an electric drive. The energy required to drive an electric machine or other high-voltage consumers is stored in a high-voltage battery, both in purely electrically driven vehicles and in hybrid vehicles. Direct voltage is regarded as high voltage if the potential difference is greater than 60 V. As a rule, the voltages of high-voltage batteries, such as those used in motor vehicles, are significantly higher and are in the range between 300 V and 1,000 V, preferably in the range between 400 V and 800 V In the event of an accident in which the insulation of one or more electrical lines can be damaged at the same time, it may be necessary to galvanically isolate the battery poles from the high-voltage grid and its sub-grids. Even in the event of a defect in a high-voltage consumer, it may be necessary with the high-voltage network topologies customary today to galvanically isolate the battery poles from the high-voltage network. A protective circuit is generally provided for this purpose, which can be combined with the high-voltage battery in a high-voltage battery unit. The protective circuit ensures that, in a protective state, the battery poles are galvanically isolated from all high-voltage electrical connections leading out of the high-voltage battery unit.

Das Herbeiführen der galvanischen Trennung erfolgt somit häufig, während große Ströme der Hochspannungsbatterie entnommen werden. Als Schaltelemente, die zum einen große Ströme schalten können und zum andern eine galvanische Trennung bewirken, werden im Stand der Technik Schütze eingesetzt. Im Fehlerfall können im Hochspannungsbatteriesystem u.a. ein Kurzschluss auftreten und in diesem Fall Ströme in sehr kurzer Zeit bis in den Bereich von über 10 kA ansteigen. Aufgrund der großen Ströme kann es beim Schalten der Schütze passieren, dass deren Trennkontakte miteinander verschweißt werden. Daher ist es im Stand der Technik üblich, in Reihe mit dem Schütz ein weiteres Bauelement vorzusehen, welches für den Schadensfall des Schützes dennoch eine galvanische Trennung bewirkt. Hierfür werden beispielsweise Schmelzsicherungen, bei denen eine Leiterstrecke aufgrund des hohen Stromflusses schmilzt, oder auch pyrotechnische Sicherungen eingesetzt, die im Falle der Aktivierung durch Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes einen Leiter zuverlässig durchtrennen. Entsprechend wird ein Fehlerfall unter Beteiligung eines Kurzschlusses bei Ausführungsformen nach dem Stand der Technik zum teuren Schadensfall, der einen Austausch der Hochspannungsbatterie und/oder der Schütze erforderlich macht, da bei den Schützen nach einem Kurzschluss eine Vorschädigung auch bei funktional fehlerfreier Trennung nicht ausgeschlossen werden kann.The bringing about of the galvanic isolation is thus often carried out while large currents are drawn from the high-voltage battery. In the prior art, contactors are used as switching elements, which on the one hand can switch large currents and on the other hand bring about galvanic isolation. In the event of a fault, a short circuit can occur in the high-voltage battery system, among other things, and in this case currents can rise to over 10 kA in a very short time. Due to the large currents, when the contactors are switched it can happen that their isolating contacts are welded together. It is therefore customary in the prior art to provide a further component in series with the contactor, which nevertheless brings about galvanic isolation in the event of damage to the contactor. For this purpose, for example, safety fuses are used, in which a conductor section melts due to the high current flow, or else pyrotechnic fuses, which reliably cut through a conductor when activated by igniting a pyrotechnic propellant charge. Accordingly, a fault involving a short circuit in embodiments according to the prior art becomes an expensive case of damage, which makes it necessary to replace the high-voltage battery and/or the contactors, since damage to the contactors after a short circuit cannot be ruled out even if the separation is functionally error-free .

Die DE 10 2015 010 536 A1 beschreibt eine Batterieanordnung für ein Hochvolt-Bordnetz in einem Kraftfahrzeug mit einer ersten und einer zweiten Hochvolt-Batterie, jeweils einem zwischen einen ersten Pol der jeweiligen Hochvolt-Batterie und einen Hochvolt-Zwischenkreis des Hochvolt-Bordnetzes elektrisch gekoppelten mechanischen Schaltelement, jeweils einem zwischen einen zweiten Pol der jeweiligen Hochvolt-Batterie und den Hochvolt-Zwischenkreis elektrisch gekoppelten elektronischen Schaltelement, und einem Batteriesteuergerät, welches dazu ausgelegt ist, den Schaltkontakts des ersten mechanischen Schaltelements zu schließen und das erste elektronische Schaltelement in einen elektrisch leitenden Zustand zur strombegrenzten Vorladung des Hochvolt-Zwischenkreises zu steuern, sowie eine Spannungsdifferenz zwischen einer gemessenen Zwischenkreisspannung des Hochvolt-Zwischenkreises und einer gemessenen Leerlaufspannung der zweiten Hochvolt-Batterie zu ermitteln und in Abhängigkeit von der ermittelten Spannungsdifferenz den Schaltkontakt des zweiten mechanischen Schaltelements zu schließen und/oder das zweite elektronische Schaltelement in den elektrisch leitenden Zustand zu steuern. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Batterieanordnung beschreiben.the DE 10 2015 010 536 A1 describes a battery arrangement for a high-voltage vehicle electrical system in a motor vehicle with a first and a second high-voltage battery, each with a mechanical switching element electrically coupled between a first pole of the respective high-voltage battery and a high-voltage intermediate circuit of the high-voltage vehicle electrical system, one between each second pole of the respective high-voltage battery and the high-voltage intermediate circuit electrically coupled electronic switching element, and a battery control unit, which is designed to close the switching contact of the first mechanical switching element and the first electronic switching element in an electrically conductive state for current-limited pre-charging of the high-voltage To control the intermediate circuit, and to determine a voltage difference between a measured intermediate circuit voltage of the high-voltage intermediate circuit and a measured no-load voltage of the second high-voltage battery and as a function of the determined voltage difference enz to close the switching contact of the second mechanical switching element and / or to control the second electronic switching element in the electrically conductive state. Furthermore, a method for operating such a battery arrangement is described.

Aus der DE 10 2019 008 835 A1 ist ein Fahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz bekannt, welches in zwei Teilbereiche unterteilt ist, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der zweite Teilbereich in mindestens einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Potentialleitungspaare, welche die beiden Teilnetze verbinden, sind mit einer Schalteinheit verbunden, die beide Potentialleitungen spannungsfreischalten kann. Die Schalteinheiten sind jeweils als Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet oder eine Kombination aus einem Schütz und einem Halbleiterschalter.From the DE 10 2019 008 835 A1 a vehicle with an electrical high-voltage vehicle electrical system is known, which is divided into two sections, the first section being arranged in a first installation space of the vehicle and the second section being arranged in at least a second installation space of the vehicle. The pairs of potential lines that connect the two sub-networks are connected to a switching unit that can de-energize both potential lines. The switching units are each available as a contactor or semi-conductor terswitch formed or a combination of a contactor and a semiconductor switch.

Eine galvanische Trennung wird jedoch zumindest bei den Schalteinheiten nicht erreicht, die als gewöhnliche Halbleiterschalter, beispielsweise MOSFET, ausgebildet sind. Diese sperren nur in einer Stromrichtung.However, galvanic isolation is not achieved, at least in the case of the switching units that are in the form of conventional semiconductor switches, for example MOSFETs. These only block in one current direction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte galvanische Trennung in einem Schutzzustand zu realisieren und insbesondere ein Herbeiführen des Schutzzustandes zu gewährleisten, möglichst ohne Schäden in der Hochspannungsbatterieeinheit oder dem Hochspannungsnetz und deren Komponenten herbeizuführen.The object of the invention is to implement improved galvanic isolation in a protective state and in particular to ensure that the protective state is brought about without causing damage to the high-voltage battery unit or the high-voltage network and its components.

Die Erfindung wird durch eine Hochspannungsbatterieeinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Hochspannungsbatteriesystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The invention is achieved according to the invention by a high-voltage battery unit having the features of patent claim 1 and a high-voltage battery system having the features of patent claim 6 . Advantageous configurations result from the dependent claims.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Batteriepole einer Hochspannungsbatterie einer Hochspannungsbatterieeinheit mit einer Schutzschaltung zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole der Hochspannungsbatterie von Anschlusspolen mindestens eines Anschlusses der Hochspannungsbatterieeinheit als auch den Ladungsanschlusspolen eines Gleichspannungsladungsanschlusses in einem Schutzzustand dadurch zu gewährleisten, dass ein erstes Schaltelement als Halbleiterschalter ausgebildet wird, welches den einen Batteriepol von dem einen Anschlusspol trennt, und den anderen Batteriepol über ein zweites als Schütz ausgebildetes Schaltelement von dem anderen Anschlusspol zu trennen und ein weiteres erstes erste Schaltelement (330) als weiterer Halbleiterschalter auszubilden, dass den einen Batteriepol von dem einen Ladungsanschlusspol trennt, und den anderen Batteriepol über ein weiteres zweites als weiteres Schütz (344) ausgebildetes Schaltelement von dem anderen Ladungsanschlusspol zu trennen. Da das als Halbleiterschalter ausgebildete mindestens eine erste Schaltelement keine galvanische Trennung gewährleisten kann und nur eine Sperrrichtung aufweist, die vorzugsweise eine Entladerichtung sperrt, wird zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement zusätzlich eine pyrotechnische Sicherung zum Unterbrechen der elektrischen Leitung zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement angeordnet. Wird eine Störung erkannt und ein Abschalten der Hochspannungsversorgung eingeleitet, so ist das eine als Halbleiterschalter ausgebildete erste Schaltelement in der Lage, zeitlich so schnell zu schalten, dass die auftretenden Ströme, die sich beispielsweise in einem Kurzschlussfall aufbauen, keine Größenordnung erreichen, die beispielsweise in einem Schütz bei der Abschaltung zu permanenten Schäden führen. Während bei einer Unterbrechung eines Stromkreises zwar auch Gleichspannungsschütze, die mit einer Verzögerungszeit von etwa 50 ms trennen, Ströme von bis zu 15 kA oder mehr auftreten können, kann die im Fehlerfall auftretende Stromerhöhung beim Einsatz eines Halbleiterschalters drastisch auf beispielsweise 200 A bis 300 A begrenzt werden. Dies wird durch die schnelleren Abschaltzeiten von zum Teil unter 1 ms, beispielsweise innerhalb von 600 ns, erreicht. Da ein Halbleiterschalter nicht bidirektional sperrt und im Schadensfalls so beschädigt werden kann, dass sich im ungünstigsten Fall im Halbleiterschaltelement eine leitende, wenn auch gegebenenfalls hochohmige, elektrische leitende Verbindung ausbildet, ist es für das Herstellen einer sicheren galvanische Trennung, insbesondere für den Schadensfall des Halbleiterschalters selbst, notwendig, mit dem Halbleiterschalter eine pyrotechnische Sicherung in Reihe zwischen dem einen Batteriepol und dem Halbleiterschalter vorzusehen, die ein Leitungsstück durch Zündung einer Treibladung durchtrennt. Der Vorteil der Lösung besteht auch darin, dass die zum Betreiben notwendigen Ströme bei einem Halbleiterschalter gegenüber einem Schütz reduziert sind. Ferner wird der Bauraum, der in einer Hochspannungsbatterieeinheit in einem Fahrzeug in der Regel begrenzt ist, verringert.The invention is based on the idea of ensuring the battery poles of a high-voltage battery of a high-voltage battery unit with a protective circuit for all-pole galvanic isolation of the two battery poles of the high-voltage battery from the connection poles of at least one connection of the high-voltage battery unit and the charge connection poles of a DC voltage charge connection in a protective state by using a first switching element as semiconductor switch is formed, which separates one battery pole from one connection pole, and to separate the other battery pole from the other connection pole via a second switching element designed as a contactor and to form a further first switching element (330) as a further semiconductor switch that separates the one battery pole from separates the one charge connection pole, and separates the other battery pole from the other charge connection pole via a further second switching element designed as a further contactor (344). l to separate. Since the at least one first switching element designed as a semiconductor switch cannot ensure electrical isolation and only has a blocking direction, which preferably blocks a discharging direction, a pyrotechnic fuse is additionally installed between one battery pole and the first switching element designed as a semiconductor switch to interrupt the electrical line between the one Arranged battery pole and designed as a semiconductor switch first switching element. If a fault is detected and the high-voltage supply is switched off, the first switching element, which is designed as a semiconductor switch, is able to switch so quickly that the currents that occur, which build up, for example, in the event of a short circuit, do not reach a magnitude that, for example, in cause permanent damage to a contactor when de-energized. While DC voltage contactors, which disconnect with a delay time of around 50 ms, can produce currents of up to 15 kA or more when a circuit is interrupted, the increase in current that occurs in the event of a fault can be drastically limited to 200 A to 300 A, for example, when using a semiconductor switch will. This is achieved by the faster switch-off times of less than 1 ms in some cases, for example within 600 ns. Since a semiconductor switch does not block bidirectionally and in the event of damage can be damaged to such an extent that, in the worst case, a conductive, albeit possibly high-impedance, electrically conductive connection forms in the semiconductor switching element, it is important to establish safe galvanic isolation, especially in the event of damage to the semiconductor switch itself, necessary to provide a pyrotechnical fuse in series with the semiconductor switch between the one battery pole and the semiconductor switch, which cuts through a piece of line by igniting a propellant charge. The advantage of the solution is also that the currents required to operate a semiconductor switch are reduced compared to a contactor. Furthermore, the installation space, which is usually limited in a high-voltage battery unit in a vehicle, is reduced.

Eine Hochspannungsbatterie umfasst Batteriezellen, die in Reihe und/oder parallel miteinander verschaltet sind, so dass zwischen zwei Batteriepolen der Hochspannungsbatterie im aufgeladenen Zustand der Batteriezellen eine Hochspannung anliegt. Die Batteriezellen können in Gruppen zu Batteriemodulen zusammengefasst sein, die ein gemeinsames Temperatur- und/oder Lastmanagement für die zusammengefassten Batteriezellen aufweisen können. Mehrere solcher Batteriemodule können in Reihe oder parallel verschaltet die Hochspannungsbatterie bilden.A high-voltage battery includes battery cells that are connected to one another in series and/or in parallel, so that a high voltage is present between two battery poles of the high-voltage battery when the battery cells are in a charged state. The battery cells can be combined in groups to battery modules, which can have a common temperature and/or load management for the combined battery cells. Several such battery modules can be connected in series or in parallel to form the high-voltage battery.

Insbesondere wird somit eine Hochspannungsbatterieeinheit mit einer Hochspannungsbatterie, welche zwei Batteriepole aufweist, zwischen denen im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie eine Hochspannung abfällt, und einer Schutzschaltung zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole von den Anschlusspolen mindestens eines Anschlusses der Hochspannungsbatterieeinheit in einem Schutzzustand geschaffen, wobei die Schutzschaltung mindestens ein erstes Schaltelement und mindesten ein zweites Schaltelement umfasst, wobei das mindestens eine erste Schaltelement als Halbleiterschalter und das mindestens eine zweite Schaltelement als Schütz ausgebildet ist, wobei das mindestens eine als Halbleiterschalter ausgebildete erste Schaltelement zwischen dem einen Batteriepol und dem einen Anschlusspol des mindestens einen Anschlusses angeordnet ist und dass als Schütz ausgebildete zweite Schaltelement zwischen dem anderen Batteriepol und dem anderen Anschlusspol des mindestens einen Anschlusses angeordnet ist und zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement eine pyrotechnische Sicherung zum Unterbrechen der elektrischen Leitung zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement im Schutzzustand angeordnet ist.In particular, a high-voltage battery unit is thus created with a high-voltage battery, which has two battery poles between which a high voltage drops when the high-voltage battery is charged, and a protective circuit for all-pole galvanic isolation of the two battery poles from the connection poles of at least one connection of the high-voltage battery unit in a protective state, wherein the Protection circuit comprises at least one first switching element and at least one second switching element, the at least one first switching element being a semiconductor switch and the at least one second switching element being a contactor, the at least one being a semiconductor ter switch is arranged between the one battery pole and the one connection pole of the at least one connection and that the second switching element designed as a contactor is arranged between the other battery pole and the other connection pole of the at least one connection and additionally between the one battery pole and the one designed as a semiconductor switch first switching element, a pyrotechnic fuse for interrupting the electrical line between the one battery pole and the first switching element designed as a semiconductor switch is arranged in the protected state.

Eine Hochspannungsbatterieeinheit muss hierbei nicht in einer baulichen Einheit zusammengefasst sein. Der Begriff Hochspannungsbatterieeinheit ist lediglich die zusammenfassende Bezeichnung für die Hochspannungsbatterie und jene Komponenten, die im Bedarfsfalle für die galvanische Trennung der Hochspannung führenden Batteriepole der Hochspannungsbatterie sorgen.A high-voltage battery unit does not have to be combined in one structural unit. The term high-voltage battery unit is merely the general term for the high-voltage battery and those components that ensure the galvanic isolation of the high-voltage battery poles of the high-voltage battery if necessary.

Ferner wird ein Hochspannungsbatteriesystem mit
mindestens einer Hochspannungsbatterieeinheit, welche
eine Hochspannungsbatterie, welche zwei Batteriepole aufweist, zwischen denen im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie eine Hochspannung abfällt, und einer Schutzschaltung zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole von
den Anschlusspolen mindestens eines Anschlusses der Hochspannungsbatterieeinheit in einem Schutzzustand umfasst, wobei die Schutzschaltung mindestens ein erstes Schaltelement und mindesten ein zweites Schaltelement umfasst, und
einem Hochspannungs-Hochleistungsnetz, über das mindestens ein Hochspannungsverbraucher, insbesondere ein Pulswechselrichter (PWR) zum Erzeugen von Spannungen für mindestens eine elektrische Maschine, elektrisch angeschlossen ist, wobei das Hochspannungs-Hochleistungsnetz mindestens einen ersten Anschlusskontakt und mindestens einen zweiten Anschlusskontakt aufweist,
wobei das Hochspannungs-Hochleistungsnetz mit dem Anschluss in der Weise verbunden ist, dass der mindestens eine erste Anschlusskontakt elektrisch mit dem einen Anschlusspol und der mindestens eine zweite Anschlusskontakt elektrisch mit dem anderen Anschlusspol verbunden ist,
wobei
das mindestens eine erste Schaltelement als Halbleiterschalter und das mindestens eine zweite Schaltelement als Schütz ausgebildet ist, wobei das mindestens eine als Halbleiterschalter ausgebildete Schaltelement zwischen dem einen Batteriepol und dem einen Anschlusspol des mindestens einen Anschlusses angeordnet ist und dass als Schütz ausgebildete zweite Schaltelement zwischen dem anderen Batteriepol und dem anderen Anschlusspol des mindestens einen Anschlusses angeordnet ist und zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten Schaltelement eine pyrotechnische Sicherung angeordnet ist.
Furthermore, a high-voltage battery system with
at least one high voltage battery unit, which
a high-voltage battery, which has two battery poles between which a high voltage drops when the high-voltage battery is charged, and a protective circuit for all-pole galvanic isolation of the two battery poles
the terminal poles of at least one terminal of the high-voltage battery unit in a protective state, the protective circuit comprising at least one first switching element and at least one second switching element, and
a high-voltage, high-performance network via which at least one high-voltage consumer, in particular a pulse-controlled inverter (PWR) for generating voltages for at least one electrical machine, is electrically connected, the high-voltage, high-performance network having at least one first connection contact and at least one second connection contact,
wherein the high-voltage, high-power network is connected to the connection in such a way that the at least one first connection contact is electrically connected to the one connection pole and the at least one second connection contact is electrically connected to the other connection pole,
whereby
the at least one first switching element is designed as a semiconductor switch and the at least one second switching element is designed as a contactor, with the at least one switching element designed as a semiconductor switch being arranged between one battery pole and one connection pole of the at least one connection, and the second switching element designed as a contactor between the other Battery pole and the other terminal pole of the at least one terminal is arranged and a pyrotechnical fuse is additionally arranged between the one battery terminal and the switching element designed as a semiconductor switch.

In der hier verwendeten Bedeutung umfasst das Hochspannungsbatteriesystem neben einem Hochspannungsnetz auch die Hochspannungsbatterie. Ein Hochspannungsnetz wird als begrenzter Begriff verwendet, der die Hochspannungsbatterie nicht mit umfasst.In the meaning used here, the high-voltage battery system also includes the high-voltage battery in addition to a high-voltage grid. A high voltage grid is used as a limited term that does not include the high voltage battery.

Bei der vorgeschlagenen Lösung führt die kurze Schaltzeit, die das als Halbleiterschalter ausgebildete erste Schaltelement benötigt, um die elektrische Verbindung zu unterbrechen, dazu, dass auch in dem zweiten Schaltelement die Stromerhöhung deutlich begrenzt ist. Somit kann auch in dem als Schütz ausgebildeten zweiten Schaltelement jeweils ein zuverlässiges galvanisches Trennen gewährleistet werden. Hierdurch wird es auch möglich, in anderen Zuständen, in denen eine Abschaltung der Hochspannungsbatterieeinheit unter Last vorgenommen wird, zu verhindern, dass hohe Belastungen auf das als Schütz ausgebildete zweite Schaltelement einwirken. Der Halbleiterschalter kann hohe Ströme beliebig oft schalten, ohne dass hierdurch ein Schaden eintritt. Zugleich kann die Belastung des als Schütz ausgebildeten zweiten Schaltelements deutlich reduziert und dessen Lebensdauer erhöht werden. Insgesamt kann die Auslegung des Systems dahingehend verbessert werden, dass dieses für geringere auftretende Ströme ausgelegt werden kann, da Maximalströme weit oberhalb von 1.000 A auch in Schadzuständen vermieden werden. Ferner ist in Reihe mit dem als Schütz ausgebildeten zweiten Schaltelement keine irreversibel trennende Sicherung erforderlich und ausgebildet. Da der Halbleiterschalter auch im Betrieb des Batteriesystems, d.h. unter Last, mit hohen Frequenzen geschaltet werden kann, können sogenannte dynamische Schädigungen der Hochspannungsbatterie oder ihrer Batteriezellen verhindert werden, wenn der Halbleiterschalter im Betrieb mit hohen Frequenzen geschaltet wird. Stromspitzen aufgrund von niederfrequenten Schaltvorgängen, wie sie beispielsweise in PTC-Heizregistern auftreten, können verhindert oder vermindert werden. Hierdurch können die Hochspannungsbatterie und ihre Komponenten, insbesondere ihre Batteriezellen, geschont und geschützt werden. Es werden somit solche neuartigen Anwendungen der Schutzschaltung ermöglicht.In the proposed solution, the short switching time required by the first switching element, which is designed as a semiconductor switch, in order to interrupt the electrical connection, means that the increase in current is also clearly limited in the second switching element. Reliable galvanic isolation can thus also be ensured in each case in the second switching element designed as a contactor. This also makes it possible, in other states in which the high-voltage battery unit is switched off under load, to prevent high loads from acting on the second switching element designed as a contactor. The semiconductor switch can switch high currents as often as you like without causing any damage. At the same time, the load on the second switching element designed as a contactor can be significantly reduced and its service life increased. Overall, the design of the system can be improved so that it can be designed for lower currents that occur, since maximum currents well above 1,000 A are avoided even in damaged states. Furthermore, no irreversibly separating fuse is required and designed in series with the second switching element designed as a contactor. Since the semiconductor switch can also be switched at high frequencies during operation of the battery system, i.e. under load, so-called dynamic damage to the high-voltage battery or its battery cells can be prevented if the semiconductor switch is switched at high frequencies during operation. Current peaks due to low-frequency switching processes, such as those that occur in PTC heating registers, can be prevented or reduced. As a result, the high-voltage battery and its components, in particular its battery cells, can be spared and protected. Such novel applications of the protection circuit are thus made possible.

Um bei Isolationsschäden, die beispielsweise bei einem Unfall auftreten und das Auslösen des Schutzzustands erfordern, auch an anderen Stellen im Hochspannungsnetz, die an dem mindestens einen Anschluss der Hochspannungsbatterieeinheit angeschlossen sind, hohe Ströme in jedem Fall zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn das als Halbleiterschalter ausgebildete mindestens eine Schaltelement mit dem Pluspol der Hochspannungshalbleiterbatterie verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist somit vorgesehen, dass der eine Batteriepol ein Pluspol der Hochspannungsbatterie ist und der andere Batteriepol ein Minuspol der Hochspannungsbatterie ist. Der eine Batteriepol, welcher der Pluspol ist, ist somit vorzugsweise der mit dem Halbleiterschalter verbundene Pol der Hochspannungsbatterie.In order to prevent damage to the insulation that occurs, for example, in the event of an accident and requires the protection state to be triggered, also at other points in the high-voltage network that are at the mind At least one terminal of the high-voltage battery unit are connected to avoid high currents in any case, it is particularly advantageous if the at least one switching element designed as a semiconductor switch is connected to the positive pole of the high-voltage semiconductor battery. In a preferred embodiment of the invention it is therefore provided that one battery pole is a positive pole of the high-voltage battery and the other battery pole is a negative pole of the high-voltage battery. One battery pole, which is the positive pole, is therefore preferably the pole of the high-voltage battery connected to the semiconductor switch.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der mindestens eine Anschluss ein Nennleistungsanschluss für eine Entnahme von elektrischer Energie bei Nennentladeleistung aus der Hochspannungsbatterie und/oder Einspeisung von elektrischer Energie in die Hochspannungsbatterie bei Nennladeleistung in die Hochspannungsbatterie ausgebildet ist.Provision is particularly preferably made for the at least one connection to be a rated power connection for drawing electrical energy from the high-voltage battery at rated discharge power and/or feeding electrical energy into the high-voltage battery at rated charging power in the high-voltage battery.

Der mindestens eine Anschluss der Hochspannungsbatterieeinheit ist somit bevorzugt dafür ausgebildet, um hierüber bei der maximal möglichen Leistung elektrische Energie aus der Hochspannungsbatterie zu entnehmen bzw. in diese einzuspeisen, ohne dass diese hierdurch eine Schädigung oder Beeinträchtigung über eine normal übliche Abnutzung hinaus erfährt. Ein Hochspannungs-Hochleistungsnetz ist vorzugsweise entsprechend ausgebildet und für eine Energieentnahme und/oder Einspeisung bei einer solchen maximal möglichen Entnahmeleistung oder Einspeiseleistung der Hochspannungsbatterie ausgebildet.The at least one connection of the high-voltage battery unit is therefore preferably designed to take electrical energy from the high-voltage battery or feed it into it at the maximum possible power without causing damage or impairment beyond normal normal wear and tear. A high-voltage, high-performance network is preferably designed accordingly and is designed for energy withdrawal and/or feeding in at such a maximum possible withdrawal power or feed-in power of the high-voltage battery.

Bei Fahrzeugen ist es jedoch wünschenswert, getrennt von den im Fahrzeug verbauten Komponenten, die zum Teil auch eine Rückspeisung elektrischer Energie in die Hochspannungsbatterieeinheit ermöglichen, beispielsweise mittels eines verbauten Wechselstromgleichstromladegeräts, welches an einer normalen Haushalts- oder hausüblichen Wechselspannungsquelle angeschlossen werden kann, auch eine schnelle Aufladung der Hochspannungsbatterie mittels Hochspannungsgleichstrom zu ermöglichen. Daher weist eine erfindungsgemäße Hochspannungsbatterieeinheit zusätzlich zu dem mindestens einen Anschluss mindestens einen Gleichspannungsladungsanschluss mit einem Ladungsanschlusspol und einem anderen Ladungsanschlusspol auf, wobei die Schutzschaltung mindestens ein weiteres erstes Schaltelement und mindestens ein weiteres zweites Schaltelement zum allpoligen Trennen der Ladungsanschlusspole des Gleichspannungsladungsanschlusses von den Batteriepolen in einem getrennten Zustand aufweist, wobei das mindestens eine weitere erste Schaltelement als weiterer Halbleiterschalter ausgebildet ist und zwischen der pyrotechnischen Sicherung und dem einen Ladungsanschlusspol des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses angeordnet ist und das mindestens eine weitere zweite Schaltelement als weiteres Schütz ausgebildet ist, welches zwischen dem anderen Batteriepol und dem anderen Ladungsanschlusspol des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses angeordnet ist, wobei zwischen der pyrotechnischen Sicherung und dem einen Ladungsanschlusspol des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses mit dem weiteren Schaltelement kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist und zwischen dem anderen Batteriepol und dem anderen Ladungsanschlusspol des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses mit dem weiteren zweiten Schaltelement kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist.In vehicles, however, it is desirable, separately from the components installed in the vehicle, some of which also allow electrical energy to be fed back into the high-voltage battery unit, for example by means of an installed AC direct current charger, which can be connected to a normal household or customary alternating current voltage source To allow charging of the high-voltage battery using high-voltage direct current. Therefore, in addition to the at least one connection, a high-voltage battery unit according to the invention has at least one DC voltage charge connection with a charge connection pole and another charge connection pole, the protective circuit having at least one further first switching element and at least one further second switching element for all-pole disconnection of the charge connection poles of the DC voltage charge connection from the battery poles in a separate state in which the at least one further first switching element is designed as a further semiconductor switch and is arranged between the pyrotechnical fuse and one charge connection pole of the at least one DC voltage charging connection and the at least one further second switching element is designed as a further contactor which is connected between the other battery pole and the other charge connection pole of the at least one DC voltage charge connection is arranged, wherein between d no other switching element and no irreversible fuse is connected in series between the pyrotechnic fuse and the one charge connection pole of the at least one DC voltage charging connection with the further switching element, and no other switching element and no irreversible fuse is connected in series between the other battery pole and the other charge connection pole of the at least one DC voltage charging connection with the further second switching element fuse is connected in series.

Ein Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass für den Gleichspannungsladungsanschluss, über den die Hochspannungsbatterie mit Hochspannungsgleichstrom geladen werden kann, keine zusätzlichen Sicherungselemente in der Hochspannungsbatterieeinheit vorhanden sein müssen. Auch hier kann eine vollständige allpolige Trennung dadurch erreicht werden, dass der eine Batteriepol galvanisch über die pyrotechnische Sicherung, die zwischen dem einen Batteriepol und dem einen als weiterer Halbleiterschalter ausgebildeten weiteren ersten Schaltelement angeordnet ist, und der andere Batteriepol über das als weiteres Schütz ausgebildete weitere zweite Schaltelement galvanisch im Schutzzustand getrennt wird. Weitere Schaltelemente oder irreversible Sicherungen sind weder mit dem weiteren ersten Schaltelement noch mit weiteren zweiten Schaltelement in Reihe geschaltet. Dadurch, dass das erste Schaltelement und das weitere erste Schaltelement sowie das zweite Schaltelement und das weitere zweite Schaltelement nicht in Reihe, sondern „parallel“ geschaltet sind, können Hochspannungsnetze, die an der Hochspannungsbatterieeinheit angeschlossen sind, während des Ladungsvorgangs über den Gleichspannungsladungsanschluss spannungsfrei geschaltet sein. Ströme zum Betrieb dieser Schaltelemente können eingespart werden. Darüber hinaus, und ist in der Praxis vermutlich wichtiger, werden das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement vom Ladestrom nicht belastet, selbst wenn das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement in einem geschlossenen Schaltzustand sind, um beispielsweise während eines Ladevorgangs mit Gleichspannung über einen Gleichspannung/GleichspannungsWandler (DC/DC-Wandler) ein Niederspannungsnetz, beispielsweise ein 12V Netz, zu stützen. Obwohl das erste Schaltelement und das weitere erste Schaltelement jeweils als Halbleiterschalter ausgebildet sind, treten somit keine zwei Halbleiterschalter in Reihe auf. Dieses ist vorteilhaft, da Halbleiterschalter gegenüber Schützen etwas größere Innenwiderstände aufweisen.One advantage of this solution is that no additional safety elements need to be present in the high-voltage battery unit for the direct-voltage charging connection, via which the high-voltage battery can be charged with high-voltage direct current. Here, too, complete all-pole disconnection can be achieved in that one battery pole is electrically connected via the pyrotechnic fuse, which is arranged between one battery pole and the other first switching element designed as an additional semiconductor switch, and the other battery pole via the additional contactor designed as an additional contactor second switching element is galvanically isolated in the protection state. Further switching elements or irreversible fuses are connected in series neither with the further first switching element nor with further second switching element. Due to the fact that the first switching element and the further first switching element as well as the second switching element and the further second switching element are not connected in series but "in parallel", high-voltage networks that are connected to the high-voltage battery unit can be switched off during the charging process via the DC voltage charging connection . Currents for operating these switching elements can be saved. In addition, and probably more important in practice, the first switching element and the second switching element are not loaded by the charging current, even if the first switching element and the second switching element are in a closed switching state, for example during a charging process with DC voltage via a DC voltage/ Direct voltage converter (DC / DC converter) to support a low-voltage network, such as a 12V network. Although the first switching element and the further first switching elements are each designed as semiconductor switches, so there are no two semiconductor switches in series. This is advantageous since semiconductor switches have slightly higher internal resistances than contactors.

Vorzugsweise ist die Gleichspannungsladestation so ausgebildet, dass diese ein Vorladen von Kapazitäten, die außerhalb der Hochspannungsbatterieeinheit vorhanden sind, vor dem Beginnen des Ladungsvorgangs auf die entsprechende Hochspannung bewirkt.The DC voltage charging station is preferably designed in such a way that it precharges capacities that are present outside the high-voltage battery unit before the charging process to the corresponding high voltage begins.

Ebenso ist das Hochspannungs-Hochleistungsnetz, welches an dem mindestens einen Anschluss der Hochspannungsbatterieeinheit angeschlossen ist, vorzugsweise ebenfalls so ausgebildet, dass dieses eine Vorladung über einen anderen Energiespeicher, beispielsweise über einen DC/DC-Wandler und eine Niederspannungsbatterie eines Bordnetzes, gewährleistet.Likewise, the high-voltage high-performance network, which is connected to the at least one connection of the high-voltage battery unit, is preferably also designed in such a way that it ensures pre-charging via another energy store, for example via a DC/DC converter and a low-voltage battery of an on-board network.

Alternativ kann das Vorladen ähnlich wie bisher im Stand der Technik, bei dem dieses über ein Vorladeschütz mit einem in Reihe geschalteten Lastwiederstand erfolgt ist, die parallel zu dem ersten Schaltelement ausgebildet sind, über einen als Halbleiterschalter ausgebildeten Vorladeschalter mit einem in Reihe angeordneten Lastwiderstand zur Strombegrenzung während des Vorladens ausgeführt werden, wobei der als Halbleiterschalter ausgebildete Vorladeschalter mit dem in Reihe angeordneten Lastwiderstand parallel zu dem ersten Schaltelement verschaltet ist.Alternatively, pre-charging can be carried out in a similar way to the prior art, in which this is done via a pre-charging contactor with a series-connected load resistor, which is configured parallel to the first switching element, via a pre-charging switch configured as a semiconductor switch with a series-connected load resistor for current limitation be carried out during the pre-charging, the pre-charging switch designed as a semiconductor switch being connected in parallel to the first switching element with the load resistor arranged in series.

Die ersten Schaltelemente und zweiten Schaltelemente sind in der Hochspannungsbatterieeinheit vorzugsweise so ausgebildet, dass diese nur in den geschlossenen/leitenden Zustand schalten, wenn zwischen den zugeordneten Anschlusspolen des entsprechenden Anschlusses bereits aufgrund des Vorladens eine Hochspannung anliegt. Hierdurch werden Stromspitzen beim Schalten in den leitenden Zustand vermieden.The first switching elements and second switching elements in the high-voltage battery unit are preferably designed such that they only switch to the closed/conductive state when a high voltage is already present between the associated connection poles of the corresponding connection due to precharging. This avoids current peaks when switching to the conductive state.

Weiter alternativ kann das Vorladen auch über ein Hochfrequentes wiederholtes Umschalten des ersten Schaltelements zwischen dem leitenden und dem sperrenden Zustand vorgenommen werden und hierdurch der maximale Stromanstieg während des Vorladens begrenzt werden.As a further alternative, the pre-charging can also be carried out by repeatedly switching over the first switching element between the conducting and the blocking state at high frequency, thereby limiting the maximum current increase during the pre-charging.

In Fahrzeugen ist es häufig wünschenswert, neben dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz, in welchem beispielsweise eine Antriebsmaschine angeordnet ist, ein zweites hiervon getrenntes Hochspannungsnetz vorzusehen, welches nur eine niedrigere Leistungsentnahme benötigt. Daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zusätzlich zu dem mindestens einen als Nennleistungsanschluss ausgebildeten Anschluss in der Hochspannungsbatterieeinheit mindestens ein Niedrigleistungsanschluss ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss zur Entnahme von elektrischer Energie aus der Hochspannungsbatterie unterhalb einer Nennentnahmeleistung und/oder Einspeisung von elektrischer Energie in die Hochspannungsbatterie mit einer elektrischen Leistung unterhalb der Nenneinspeiseleistung ausgebildet ist, wobei in der Schutzschaltung ein dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss zugeordnetes Trennelement ausgebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit und einem Niedrigleistungsanschlusspol des mindestens einen Niedrigleistungsanschluss in einem Störungszustand zu unterbrechen, wobei das Trennelement ein als Halbleiterschalter ausgebildeter Netztrennschalter ist und elektrisch in Reihe mit dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement und elektrisch zwischen diesem ersten Schaltelement einem Niedrigleistungsanschlusspol des mindestens einen Niedrigleistungsanschlusses angeordnet. In einem Hochspannungsbatteriesystem ist entsprechend vorgesehen, dass mindestens ein Niedrigleistungsanschluss zum zusätzlichem Anschließen mindestens eines Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes ausgebildet ist, wobei das mindestens eines Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz zum Versorgen mindestens eines weiteren Hochspannungsverbrauchers mit elektrischer Energie ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Hochspannung-Niedrigleistungsnetz eine niedrigere Nennleistung für eine Energieentnahme und/oder Einspeisung als das Hochspannungs-Hochleistungsnetz aufweist, wobei dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss ein Netztrennelement zugeordnet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit und einem Niedrigleistungsanschlusspol in einem Störungszustand zu unterbrechen und das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes abtrennen zu können, wobei das Netztrennelement ein als Halbleiterschalter ausgebildeter Netztrennschalter ist.In vehicles, it is often desirable to provide a second separate high-voltage network in addition to the high-voltage high-power network in which, for example, a drive machine is arranged, which only requires a lower power draw. Therefore, in a preferred embodiment, it is provided that in addition to the at least one connection configured as a nominal power connection, at least one low-power connection is configured in the high-voltage battery unit, the at least one low-power connection for drawing electrical energy from the high-voltage battery below a nominal drawing power and/or feeding in electrical energy is formed into the high-voltage battery with an electrical power below the nominal feed power, wherein a disconnecting element assigned to the at least one low-power connection is formed in the protective circuit in order to interrupt an electrical connection between the high-voltage battery of the at least one high-voltage battery unit and a low-power connection pole of the at least one low-power connection in a fault state , wherein the separating element is designed as a semiconductor switch Netztre nnswitch is and electrically arranged in series with the first switching element designed as a semiconductor switch and electrically between this first switching element and a low-power connection pole of the at least one low-power connection. In a high-voltage battery system, provision is accordingly made for at least one low-power connection to be designed for the additional connection of at least one high-voltage low-power network, the at least one high-voltage low-power network being designed to supply at least one additional high-voltage consumer with electrical energy, the at least one high-voltage low-power network having a lower Rated power for energy withdrawal and/or feed-in as the high-voltage high-power grid, with the at least one low-power connection being assigned a grid disconnecting element in order to interrupt an electrical connection between the high-voltage battery of the at least one high-voltage battery unit and a low-power connection pole in a fault state and to separate the high-voltage low-power grid to be able to, wherein the power isolating element designed as a semiconductor switch power isolating switch is older.

Bei einer Variante des Hochspannungsbatteriesystems ist vorgesehen, dass der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss in der Hochspannungsbatterieeinheit ausgebildet ist und der Trennschalter in der Schutzschaltung der Hochspannungsbatterieeinheit ausgebildet ist und elektrisch in Reihe mit dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement und elektrisch zwischen diesem ersten Schaltelement und dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss angeordnet ist. Hierdurch wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, bei der die verschiedenen Hochspannungsnetze alle direkt in der Hochspannungsbatterieeinheit abgeschaltet werden können. Ist die pyrotechnische Sicherung mit dem Pluspol der Hochspannungsbatterie verbunden, kann die das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz bereits an dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss mit Hilfe des zugeordneten Trennschalters spannungsfrei geschaltet werden.In one variant of the high-voltage battery system, it is provided that the at least one low-power connection is formed in the high-voltage battery unit and the isolating switch is formed in the protective circuit of the high-voltage battery unit and is electrically in series with the first switching element formed as a semiconductor switch and electrically between this first switching element and the at least one low-power connection is arranged. This creates a circuit arrangement in which the various high-voltage networks are all switched off directly in the high-voltage battery unit can become. If the pyrotechnic fuse is connected to the positive pole of the high-voltage battery, the high-voltage low-power network can already be switched off at the at least one low-power connection using the associated isolating switch.

Bei einer anderen Variante ist vorgesehen, dass der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss in oder an dem Hochspannung-Hochleistungsnetz ausgebildet ist und der Netztrennschalter zwischen dem Hochspannung-Hochleistungsnetz und dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes angeordnet ist, um eine elektrische Leitung die Hochspannung-Hochleistungsnetz mit dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes in dem Störungszustand trennen zu können. Somit kann das mindestens eine Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes auch an anderen Stellen als an der Hochspannungsbatterieeinheit angeschlossen werden.In another variant, it is provided that the at least one low-power connection is formed in or on the high-voltage, high-power grid and the grid circuit breaker is arranged between the high-voltage, high-power grid and the high-voltage, low-power grid in order to form an electrical line between the high-voltage, high-power grid and the high-voltage, low-power grid to be able to disconnect in the fault state. The at least one high-voltage low-power network can thus also be connected at points other than the high-voltage battery unit.

Andere Varianten weisen mehrere Niedrigleistungsanschlüsse auf, die in der Hochspannungsbatterieeinheit ausgebildet sind und jeweils über einen als Halbleiterschalter ausgebildeten Netztrennschalter abgeschaltet werden können. Diese sind in der Hochspannungsbatterieeinheit elektrisch parallel zueinander angeordnet. Ebenso können mehrere Niedrigleistungsanschlüsse in dem Hochspannung-Hochleistungsnetz vorgesehen sein, die jeweils über einen als Halbleiterschalter ausgebildeten Netztrennschalter abgeschaltet werden können. Auch hier sind die Netztrennschalter elektrisch parallel zueinander angeordnet. Wieder andere Ausführungsformen sehen in der Hochspannungsbatterieeinheit einen oder mehrere jeweils über einen zugeordneten Netztrennschalter schaltbaren Niedrigleistungsanschluss in der Hochspannungsbatterieeinheit und zusätzlich einen oder mehrere jeweils über einen zugeordneten Netztrennschalter schaltbaren Niedrigleistungsanschlüsse in dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz vor.Other variants have a number of low-power connections, which are formed in the high-voltage battery unit and can each be switched off via a mains circuit breaker designed as a semiconductor switch. These are arranged electrically in parallel with one another in the high-voltage battery unit. Likewise, a plurality of low-power connections can be provided in the high-voltage high-power network, which can each be switched off via a network isolating switch designed as a semiconductor switch. Here, too, the mains circuit breakers are arranged electrically parallel to one another. Still other embodiments provide in the high-voltage battery unit one or more low-power connections in the high-voltage battery unit that can each be switched via an assigned mains circuit breaker and additionally one or more low-power connections that can each be switched via an assigned mains circuit breaker in the high-voltage high-power network.

Die Netztrennschalter können jeweils über eine in dem oder an dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz angeordnete Überwachungsschaltung gesteuert werden, die beispielsweise einen Strom in dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz am Niedrigleistungsanschluss überwacht.The mains circuit breakers can each be controlled via a monitoring circuit which is arranged in or on the high-voltage low-power network and which monitors a current in the high-voltage low-power network at the low-power connection, for example.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest die in der Hochspannungsbatterieeinheit angeordneten Netztrennschalter auch im Schutzzustand geöffnet werden. Hierdurch können die in dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz angeschlossenen Verbraucher und das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz vor zu hohen Strombelastungen geschützt werden. Dieses trifft analog auch auf Netztrennschalter zu, die nicht in der Hochspannungsbatterieeinheit, sondern zwischen dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz und einem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz angeordnet sind.In a further development it is provided that at least the mains circuit breakers arranged in the high-voltage battery unit are also opened in the protected state. As a result, the loads connected in the high-voltage, low-power network and the high-voltage, low-power network can be protected from excessive current loads. This also applies analogously to mains circuit breakers that are not arranged in the high-voltage battery unit, but rather between the high-voltage, high-power network and a high-voltage, low-power network.

Der Vorteil des Einsatzes von Netztrennschaltern, die als Halbleiterschalter ausgebildet sind, besteht darin, dass keine zusätzlichen irreversiblen trennenden Sicherungen eingesetzt werden müssen, um die entsprechenden Hochspannungs-Niedrigleistungsnetze abzusichern und zu schützen. Nach einem Störungszustand in dem zugeordneten Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz kann dieses somit wieder in Betrieb genommen werden. Nicht jeder Störzustand aufgrund einer Stromspitze, der durch einen defekten oder nicht den Vorgaben entsprechend funktionierenden Verbraucher verursacht ist, führt somit in jedem Fall zu einem Wartungsaufwand.The advantage of using mains circuit breakers designed as semiconductor switches is that no additional irreversible isolating fuses have to be used in order to secure and protect the corresponding high-voltage, low-power networks. After a fault condition in the associated high-voltage low-power network, this can thus be put back into operation. Not every malfunction due to a current peak, which is caused by a defective consumer or a consumer that is not working according to the specifications, always leads to maintenance costs.

Bevorzugte Ausführungsformen sehen somit vor, dass zwischen dem Hochspannung-Hochleistungsnetz und dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes in den Hochspannungsleitungen keine irreversible Sicherung angeordnet ist.Preferred embodiments therefore provide that no irreversible fuse is arranged in the high-voltage lines between the high-voltage, high-power network and the high-voltage, low-power network.

Besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen außer der pyrotechnischen Sicherung, die zwischen dem einen Batteriepol und dem als Halbleiterschalter ausgebildeten ersten Schaltelement angeordnet ist, in den Hochspannungsleitungen außerhalb der Hochspannungsbatterie in der Hochspannungsbatterieeinheit keine irreversiblen Sicherungen ausgebildet sind. Hiervon ausgenommen sind Sicherungen, die in einzelnen Hochspannungsverbrauchern ausgebildet sind oder zum Absichern solcher einzelnen Verbraucher vorgesehen sind.Particularly preferred are embodiments in which no irreversible fuses are formed in the high-voltage lines outside the high-voltage battery in the high-voltage battery unit apart from the pyrotechnic fuse, which is arranged between one battery pole and the first switching element designed as a semiconductor switch. Excluded from this are fuses that are designed in individual high-voltage loads or are provided to protect such individual loads.

Somit sind vorzugsweise zwischen den Batteriepolen und den Anschlusspolen des Anschlusses und/oder zwischen den Batteriepolen und den Ladungsanschlusspolen des Gleichspannungsladungsanschlusses und/oder zwischen den Batteriepolen und den Anschlusspolen des Anschlusses keine irreversiblen Sicherungen ausgebildet.Thus, no irreversible fuses are preferably formed between the battery poles and the connection poles of the connection and/or between the battery poles and the charge connection poles of the DC voltage charge connection and/or between the battery poles and the connection poles of the connection.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsbatteriesystems eines als Plug-in-Hybrid ausgebildeten Fahrzeugs; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsbatteriesystems eines Elektrofahrzeugs.
The invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Here show:
  • 1 a schematic representation of a high-voltage battery system designed as a plug-in hybrid vehicle; and
  • 2 a schematic representation of a high voltage battery system of an electric vehicle.

In 1 ist schematisch ein Hochspannungsbatteriesystem 1000 eines Fahrzeugs 1 dargestellt. Das Hochspannungsbatteriesystem 1000 umfasst eine Hochspannungsbatterieeinheit 100, welches in der dargestellten Ausführungsform in einem Hinterwagen 3 angeordnet ist. Die Hochspannungsbatterieeinheit 100 wird hier zum Teil auch verkürzt als Batterieeinheit 100 bezeichnet. Die Hochspannungsbatterieeinheit 100 umfasst eine Hochspannungsbatterie 200 mit einem Batteriepol 210 und einem anderen Batteriepol 220. Im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie 200 fällt zwischen dem einen Batteriepol 210 und dem anderen Batteriepol 220 eine Hochspannung in Form einer Gleichspannung ab.In 1 a high-voltage battery system 1000 of a vehicle 1 is shown schematically. The High Voltage Battery System 1000 comprises a high-voltage battery unit 100, which is arranged in a rear carriage 3 in the illustrated embodiment. The high-voltage battery unit 100 is sometimes also referred to here as the battery unit 100 for short. The high-voltage battery unit 100 includes a high-voltage battery 200 with a battery pole 210 and another battery pole 220. When the high-voltage battery 200 is charged, a high voltage in the form of a DC voltage drops between the one battery pole 210 and the other battery pole 220.

Als Hochspannung wird eine Gleichspannung angesehen, deren Potentialdifferenz größer als 60 V ist. In der Regel ist die Spannungsdifferenz zwischen dem einen Batteriepol 210 und dem anderen Batteriepol 220 im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie im Bereich mehrerer 100 V, beispielsweise im Bereich zwischen 300 V und 1.000 V, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 500 V und 800 V. Da auch bei Plug-in-Hybridfahrzeugen die Hochspannungsbatterien Kapazitäten von mehreren Kilowattstunden aufweisen, können im Kurzschlussfall extrem hohe Ströme bis in den Bereich von über 10 kA auftreten.A DC voltage with a potential difference greater than 60 V is considered high voltage. As a rule, the voltage difference between one battery pole 210 and the other battery pole 220 when the high-voltage battery is charged is in the range of several 100 V, for example in the range between 300 V and 1,000 V, particularly preferably in the range between 500 V and 800 V In the case of plug-in hybrid vehicles with high-voltage batteries that have capacities of several kilowatt hours, extremely high currents of over 10 kA can occur in the event of a short circuit.

Daher weist die Hochspannungsbatterieeinheit 100 zusätzlich zu der Hochspannungsbatterie 200 eine Schutzschaltung 300 auf. Die Hochspannungsbatterieeinheit umschließt die Hochspannungsbatterie 200 und die Schutzschaltung 300 und schützt diese mechanisch und elektrisch gegen die Umgebung. Zusätzlich weist die Hochspannungsbatterieeinheit 100 jedoch mindestens einen Anschluss 400 mit einem Anschlusspol 410 und einem anderen Anschlusspol 420 auf, über die der elektrischen Hochspannungsbatterie 200 elektrische Energie bei der Nennentladeleistung entnommen und/oder bei der Nenneinspeiseleistung in die Hochspannungsbatterie 200 zugeführt werden kann. Über die Schutzschaltung 300 ist der eine Batteriepol 210 somit mit dem einen Anschlusspol 410 elektrisch verbunden und der andere Batteriepol 220 mit dem anderen Anschlusspol 420 des Anschlusses 400 elektrisch verbunden. Der mindestens eine Anschluss 400 wird auch als Nennleistungsanschluss 401 oder Hochleistungsanschluss bezeichnet. Wenn die Begriffe Nennentladeleistung und Nenneinspeiseleistung verwendet werden, so beziehen sich diese Begriffe immer auf die Hochspannungsbatterie 200 der Hochspannungsbatterieeinheit 100.Therefore, the high-voltage battery unit 100 includes a protection circuit 300 in addition to the high-voltage battery 200 . The high-voltage battery unit encloses the high-voltage battery 200 and the protection circuit 300 and mechanically and electrically protects them from the environment. In addition, however, the high-voltage battery unit 100 has at least one connection 400 with a connection pole 410 and another connection pole 420, via which electrical energy can be removed from the electric high-voltage battery 200 at the rated discharge power and/or at the rated feed-in power into the high-voltage battery 200. One battery pole 210 is thus electrically connected to one connection pole 410 and the other battery pole 220 is electrically connected to the other connection pole 420 of connection 400 via protective circuit 300 . The at least one connection 400 is also referred to as a nominal power connection 401 or a high-performance connection. When the terms nominal discharge power and nominal feed power are used, these terms always refer to the high-voltage battery 200 of the high-voltage battery unit 100.

An den mindestens einen Anschluss 400 ist ein Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 angeschlossen, wobei ein erster Hochspannungs-Hochleistungsnetz-Anschlusskontakt 810 mit dem einen Anschlusspol 410 des mindestens einen Anschlusses 400 ein zweiter Hochspannungs-Hochleistungsnetz-Anschlusskontakt 820 mit dem anderen Anschlusspol 420 des mindestens einen Anschlusses 400 verbunden ist.A high-voltage, high-performance grid 800 is connected to the at least one connection 400, with a first high-voltage, high-performance grid connection contact 810 having one connection pole 410 of the at least one connection 400, and a second high-voltage, high-performance grid connection contact 820 having the other connection pole 420 of the at least one connection 400 is connected.

Um im Schadensfall, beispielsweise bei einem Unfall, bei denen beispielsweise in einem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800, welches an dem Anschluss 400 angeschlossen ist, ein oder mehrere Isolationsschäden auftreten können, hohe Kurzschlussströme zu verhindern und sämtliche Komponenten spannungsfrei zu schalten, ist die Schutzschaltung 300 dazu ausgebildet, in einem sogenannten Schutzzustand den einen Batteriepol 210 von dem einen Anschlusspol 410 und den anderen Batteriepol 220 von dem anderen Anschlusspol 420 galvanisch zu trennen. Der Schutzzustand wird somit beispielsweise im Falle eines Unfalls herbeigeführt, bei dem Beschädigungen an dem Hochspannungsbatteriesystem 1000 oder Komponenten hiervon zu befürchten sind.In the event of damage, for example in the event of an accident, in which one or more insulation damage can occur, for example in a high-voltage high-performance network 800 which is connected to the connection 400, the protective circuit 300 is used to prevent high short-circuit currents and to switch all components free of voltage designed to galvanically isolate one battery pole 210 from one connection pole 410 and the other battery pole 220 from the other connection pole 420 in a so-called protection state. The protective state is thus brought about, for example, in the event of an accident in which there is a risk of damage to the high-voltage battery system 1000 or components thereof.

Die Feststellung, ob der Schutzzustand herzustellen ist oder nicht, wird in der Regel anhand von Signalen eines Airbag-Steuergeräts ermittelt. Erzeugt das Airbag-Steuergerät ein Auslösesignal für mindestens einen Airbag, so wird in der Regel der Schutzzustand der Schutzschaltung herbeigeführt und somit die galvanische Trennung der Batteriepole 210, 220 von sämtlichen hiermit verbundenen Verbrauchern in der Schutzschaltung 300 hergestellt.The determination of whether or not the protective state is to be established is generally determined using signals from an airbag control unit. If the airbag control device generates a triggering signal for at least one airbag, the protective state of the protective circuit is generally brought about and thus the galvanic isolation of the battery poles 210, 220 from all consumers connected thereto in the protective circuit 300 is established.

Die Schutzschaltung 300 umfasst hierfür ein erstes Schaltelement 310, welches die elektrische Leitung zwischen dem einen Batteriepol 210 und dem einen Anschlusspol 410 unterbricht und ein zweites Schaltelement 320, welches die elektrische Leitung zwischen dem anderen Batteriepol 220 und dem anderen Anschlusspol 420 unterbricht. Das eine erste Schaltelement 310 ist als Halbleiterschalter 313 ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass in einer sehr kurzen Zeitspanne vom geschlossenen Schaltzustand in den geöffneten Schaltzustand gewechselt werden kann. Typische Schaltzeiten liegen im Bereich von einigen 100 ns. Hierdurch wird der Aufbau von hohen Strömen bei einem doppelten Isolationsfehler im Hochspannungsbatteriesystem auf einige 100 A begrenzt. Das zweite Schaltelement 320 ist hingegen als Schütz 324 ausgebildet und trennt den anderen Batteriepol 220 von dem anderen Anschlusspol 420.For this purpose, the protective circuit 300 comprises a first switching element 310, which interrupts the electrical line between one battery pole 210 and one connection pole 410, and a second switching element 320, which interrupts the electrical line between the other battery pole 220 and the other connection pole 420. One first switching element 310 is in the form of a semiconductor switch 313 . This offers the advantage that it is possible to change from the closed switching state to the open switching state in a very short period of time. Typical switching times are in the range of a few 100 ns. This limits the build-up of high currents to a few 100 A in the event of a double insulation fault in the high-voltage battery system. The second switching element 320, on the other hand, is embodied as a contactor 324 and separates the other battery pole 220 from the other connection pole 420.

Während das als Schütz 324 ausgebildete zweite Schaltelement 320 im geöffneten Zustand eine galvanische Trennung zwischen dem anderen Batteriepol 220 und dem anderen Anschlusspol 420 bewirkt, gewährleistet das als Halbleiterschalter 313 ausgebildete erste Trennelement 310 diese galvanische Trennung nicht. Daher ist zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol 210 und dem einen Schaltelement 310, d.h. zwischen dem einen Batteriepol 210 und dem Halbleiterschalter 313, eine pyrotechnische Sicherung 315 angeordnet. Beim Herbeiführen des Schutzzustands wird in der pyrotechnischen Sicherung 315 ein Treibsatz gezündet, der eine elektrische Leitung in der pyrotechnischen Sicherung zuverlässig durchtrennt, sodass eine galvanische Trennung gewährleistet ist.While the second switching element 320 designed as a contactor 324 causes a galvanic isolation between the other battery pole 220 and the other connection pole 420 in the open state, the first separating element 310 embodied as a semiconductor switch 313 does not ensure this galvanic isolation. There is therefore an additional switch element between one battery pole 210 and one ment 310, ie between the one battery pole 210 and the semiconductor switch 313, a pyrotechnic fuse 315 is arranged. When the protective state is brought about, a propellant charge is ignited in pyrotechnical fuse 315, which reliably cuts through an electrical line in the pyrotechnical fuse, so that galvanic isolation is ensured.

Aufgrund der Tatsache, dass das erste Schaltelement 310, welches als Halbleiterschalter 313 ausgebildet ist, in einer kurzen Zeitspanne den Stromkreis des Hochspannungsbatteriesystems 1000 unterbricht, sind auch im Schadensfall auftretende Ströme auf einige 100 V begrenzt. Hierdurch kann sicher gewährleistet werden, dass das Schütz 324 auch im Lastzustand öffnet und eine galvanische Trennung herbeiführt und ein Verschweißen der Kontakte ausgeschlossen werden kann.Due to the fact that the first switching element 310, which is designed as a semiconductor switch 313, interrupts the circuit of the high-voltage battery system 1000 in a short period of time, currents that occur in the event of damage are limited to a few 100 V. In this way it can be reliably ensured that the contactor 324 also opens in the load state and brings about a galvanic isolation and welding of the contacts can be ruled out.

Als weiterer Vorteil dieser Lösung kann die Auslegung des Hochspannungs-Hochleistungsnetzes 800 entsprechend an die geringeren auftretenden Ströme angepasst werden und beispielsweise der Leitungsquerschnitt von Leitungen verringert werden.As a further advantage of this solution, the design of the high-voltage high-power network 800 can be adapted accordingly to the lower currents that occur and, for example, the line cross-section of lines can be reduced.

Bei der dargestellten Ausführungsform, bei der die Hochspannungsbatterieeinheit 100 im Hinterwagen 3 angeordnet ist, sind die Verbraucher 860 des Hochspannungs-Hochleistungsnetzes 800 im Vorderwagen 2 des Fahrzeugs 1 angeordnet. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Verbraucher 860 ein Kombinationsgerät 861 aus Pulswechselrichter und Gleichstrom/Gleichstrom-Bordnetzwandler (DC/DC-Bordnetzwandler). Mit dem Kombinationsgerät 861 ist ein nicht dargestelltes Niederspannungsbordnetz gekoppelt. Diesem wird über den in dem Kombigerät 861 ausgebildeten Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Bordnetzwandler die elektrische Energie zur Verfügung gestellt, die zum Aufladen von Kapazitäten in dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz vorhanden sind, bevor das erste Schaltelement 310 und zweite Schaltelement 320 in einem normalen Betriebszustand geschlossen werden, um aus der Hochspannungsbatterie 200 der Hochspannungsbatterieeinheit 100 Strom zu entnehmen oder in diese einzuspeisen. Dieser Vorgang wird als Zwischenkreisvorladen bezeichnet. Insbesondere werden hierbei nicht dargestellte Kapazitäten in Filtern auf die Hochspannung vorgeladen.In the embodiment shown, in which the high-voltage battery unit 100 is arranged in the rear section 3 , the consumers 860 of the high-voltage high-performance network 800 are arranged in the front section 2 of the vehicle 1 . In the exemplary embodiment, a consumer 860 is a combination device 861 made up of a pulse-controlled inverter and a direct current/direct current on-board converter (DC/DC on-board converter). A low-voltage vehicle electrical system (not shown) is coupled to the combination device 861 . This is made available via the DC voltage/DC voltage vehicle electrical system converter configured in combination device 861, which is available for charging capacitances in the high-voltage, high-performance network before first switching element 310 and second switching element 320 are closed in a normal operating state , to draw power from or feed power into the high-voltage battery 200 of the high-voltage battery pack 100 . This process is referred to as intermediate circuit pre-charging. In particular, capacitances in filters (not shown) are precharged to the high voltage.

An dem Pulswechselrichterbestandteil des Kombinationsgerätes 861 ist eine elektrische Maschine 870 zum Antreiben des Fahrzeugs 1 angeschlossen. Über diese kann ebenfalls Rekuperationsenergie beim Verzögern gewonnen und wieder in die Hochspannungsbatterie 200 der Hochspannungsbatterieeinheit 100 eingespeist werden.An electric machine 870 for driving the vehicle 1 is connected to the pulse-controlled inverter component of the combination device 861 . Recuperation energy can also be obtained via this during deceleration and fed back into the high-voltage battery 200 of the high-voltage battery unit 100 .

Bei der dargestellten Ausführungsform existiert neben dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 zusätzlich ein Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700, in dem weitere elektrische Verbraucher 760 mit Gleichspannungshochspannung versorgt werden. Die weiteren Verbraucher 760 umfassen beispielsweise ein Ladegerät 761, einen elektrischen Klimakompressor 762 und ein Hochspannungsheizer 763. Bei der dargestellten Ausführungsform sind der elektrische Klimakompressor 762 und der Hochspannungsheizer 763 über das Ladegerät 761 mit dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 gekoppelt. Das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 unterscheidet sich von dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 dadurch, dass beispielsweise die Leitungsquerschnitte für geringere Ströme ausgebildet sind.In the embodiment shown, in addition to the high-voltage, high-power network 800, there is also a high-voltage, low-power network 700, in which further electrical loads 760 are supplied with high-voltage direct current. The other loads 760 include, for example, a charger 761, an electric air conditioning compressor 762 and a high-voltage heater 763. In the illustrated embodiment, the electric air conditioning compressor 762 and the high-voltage heater 763 are coupled to the high-voltage low-power network 700 via the charger 761. The high-voltage, low-power network 700 differs from the high-voltage, high-power network 800 in that, for example, the line cross-sections are designed for lower currents.

Um zu verhindern, dass in dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 zu hohe Ströme auftreten, ist zumindest ein Niedrigleistungsanschlusspol 780 des Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes über ein Netztrennelement 750 von dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 trennbar. Das Trennelement 750 ist als Halbleiterschalter ausgebildet und wird als Netztrennschalter 353 bezeichnet. Über eine nicht dargestellte Überwachungsschaltung wird der Netztrennschalter 753 betätigt, wenn beispielsweise in dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 eine vorfestgelegte Stromschwelle durch den Strom überschritten wird. Die Überwachungsschaltung kann auch andere Parameter überwachen, um den Netztrennschalter 753 zu öffnen bzw. im Betriebszustand wieder zu schließen.In order to prevent excessive currents from occurring in the high-voltage, low-power network 700 , at least one low-power connection pole 780 of the high-voltage, low-power network can be separated from the high-voltage, high-power network 800 via a network isolating element 750 . The isolating element 750 is in the form of a semiconductor switch and is referred to as a mains isolating switch 353 . The grid circuit breaker 753 is actuated via a monitoring circuit (not shown) if, for example, in the high-voltage, low-power grid 700, the current exceeds a predetermined current threshold. The monitoring circuit can also monitor other parameters in order to open the mains circuit breaker 753 or to close it again in the operating state.

Alle elektrischen Verbraucher sowie die Hochspannungsbatterieeinheit 100 sind über Potentialausgleichsleitungen 600 mit einer Potentialausgleichskomponente 601 verbunden, die beispielsweise durch die metallischen Bauteile des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Die Potentialausgleichskomponente sowie die Potentialausgleichsleitungen 600 sind in der Lage, einen Kurzschlussstrom zu führen, ohne hierdurch beschädigt zu werden.All electrical loads and the high-voltage battery unit 100 are connected via potential equalization lines 600 to a potential equalization component 601, which is formed, for example, by the metallic components of the motor vehicle. The equipotential bonding component and the equipotential bonding lines 600 are able to carry a short-circuit current without being damaged as a result.

Bei dem als Plug-in-Hybrid ausgebildeten Fahrzeug 1 kann die Batterie zum einen über den Betrieb der elektrischen Maschine 870 als Generator geladen werden, wenn diese mechanisch durch eine nicht dargestellte Verbrennungsmaschine oder eine andersartige Maschine betrieben wird. Darüber hinaus kann die Hochspannungsbatterie 200 vorzugsweise mit zwei- oder dreiphasiger Wechselspannung aus dem normalen Niederspannungswechselstromnetz 3000 geladen werden, welche typischerweise bei einem Zweiphasennetz zwischen 110 V und 250 V und bei einem Drehstromnetz zwischen 300 V und 500 V beträgt. Hierfür wird das Ladegerät 761 verwendet, welches den Wechsel-/Drehstrom in Gleichstrom umsetzt und eine Spannungsanpassung in Hochspannung vornimmt.In vehicle 1 designed as a plug-in hybrid, the battery can be charged by operating electric machine 870 as a generator if it is operated mechanically by an internal combustion engine (not shown) or a different type of machine. In addition, the high-voltage battery 200 can preferably be charged with two- or three-phase AC voltage from the normal low-voltage AC grid 3000, which is typically between 110 V and 250 V for a two-phase grid and between 300 V and 500 V for a three-phase grid. The 761 charger is used for this, which / three-phase current into direct current and carries out a voltage adjustment in high voltage.

Darüber hinaus ist es jedoch auch wünschenswert, die Hochspannungsbatterie 200 in kurzer Zeit mittels Gleichstroms bei Hochspannung, beispielsweise einer Hochspannung von mehreren 100 V, d.h. in der Größenordnung der Nennspannung der Hochspannungsbatterie zu laden. Hierfür ist an der Hochspannungsbatterieeinheit 100 ein Gleichspannungsladungsanschluss 500 ausgebildet. Dieser weist einen Ladungsanschlusspol 510 und einen anderen Ladungsanschlusspol 520 auf.In addition, however, it is also desirable to charge the high-voltage battery 200 in a short time by direct current at a high voltage, for example, a high voltage of several hundred V, i.e., on the order of the rated voltage of the high-voltage battery. For this purpose, a DC voltage charging connection 500 is formed on the high-voltage battery unit 100 . This has a charge connection pole 510 and another charge connection pole 520 .

Wird der Gleichspannungsladungsanschluss 500 nicht verwendet, so ist dieser allpolig spannungsfrei zu schalten. Hierfür weist die Schutzschaltung 300 ein weiteres erstes Schaltelement 330 und ein weiteres zweites Schaltelement 340 auf. Der eine Ladungsanschlusspol 510 ist somit mit dem einen Batteriepol 210 über die in Reihe geschaltete pyrotechnische Sicherung 315 und das eine weitere Schaltelement 330 verbunden. Dieses weitere erste Schaltelement 330 ist als weiterer Halbleiterschalter 333 ausgebildet. Der andere Ladungsanschlusspol 520 des Gleichspannungsanschlusses 500 ist mit dem anderen Batteriepol 220 über das weitere zweite Schaltelement 340 verbunden, welches als weiteres Schütz 344 ausgebildet ist. Wird der Gleichspannungsladungsanschluss 500 nicht verwendet, so sind das weitere erste Schaltelement 330, d.h. der weitere Halbleiterschalter 333, und das weitere zweite Schaltelement 340, d.h. das weitere Schütz 344, in einem geöffneten Zustand. Nur für das Gleichspannungsladen mit Hochspannung werden das weitere erste Schaltelement 330, d.h. der weitere Halbleiterschalter 333, und das weitere zweite Schaltelement 340, d.h. das weitere Schütz 344, in den geschlossenen Zustand geschaltet. Nach dem Beenden des Ladungsvorgangs oder bei einer Störung werden das weitere zweite Schaltelement und das weitere erste Schaltelement in den geöffneten Zustand gebracht.If the DC voltage charging connection 500 is not used, then all poles of this voltage must be switched off. For this purpose, the protective circuit 300 has a further first switching element 330 and a further second switching element 340 . The one charge connection pole 510 is thus connected to the one battery pole 210 via the series-connected pyrotechnic fuse 315 and the one further switching element 330 . This additional first switching element 330 is in the form of an additional semiconductor switch 333 . The other charge connection pole 520 of the DC voltage connection 500 is connected to the other battery pole 220 via the further second switching element 340 which is designed as a further contactor 344 . When the DC charging terminal 500 is not used, the further first switching element 330, i.e. the further semiconductor switch 333, and the further second switching element 340, i.e. the further contactor 344, are in an open state. Only for the high-voltage DC charging, the further first switching element 330, i.e. the further semiconductor switch 333, and the further second switching element 340, i.e. the further contactor 344 are switched to the closed state. After the charging process has ended or in the event of a fault, the further second switching element and the further first switching element are brought into the open state.

Bei dieser Ausführungsform sind die als Schütze 324, 344 ausgebildeten Schaltelemente, d.h. das zweite Schaltelement 320 und das weitere zweite Schaltelement 340, parallel zueinander angeordnet und ebenso das erste Schaltelement 310 und das weitere erste Schaltelement, die jeweils als Halbleiterschalter 313, 333 ausgebildet sind. Zusätzlich zu der pyrotechnischen Sicherung 315 sind in den Hochspannungsleitungen der Hochspannungsbatterieeinheit außerhalb der Hochspannungsbatterie 200 keine irreversibel trennenden Schalt- und/oder Sicherungselemente ausgebildet. Lediglich die pyrotechnische Sicherung 315 trennt ein Leitungssegment irreversibel für den Fall, dass der Schutzzustand herbeigeführt wird.In this embodiment, the switching elements embodied as contactors 324, 344, i.e. the second switching element 320 and the further second switching element 340, are arranged parallel to one another, as are the first switching element 310 and the further first switching element, which are each embodied as semiconductor switches 313, 333. In addition to pyrotechnic fuse 315, no irreversibly separating switching and/or safety elements are formed in the high-voltage lines of the high-voltage battery unit outside of high-voltage battery 200. Only the pyrotechnic fuse 315 irreversibly separates a line segment in the event that the protective state is brought about.

Vorteil der beschriebenen Ausführungsform ist es, dass selbst im Schadensfall beim Öffnen der entsprechenden Schaltelemente im Lastzustand an diesen keine Beschädigungen auftreten, da jeweils eines der Schaltelemente entweder das erste Schaltelement 310 oder das weitere erste Schaltelement 330, die jeweils als Halbleiterschalter 313 bzw. 333 ausgebildet sind, in einer so kurzen Zeitspanne schalten, dass Beschädigungen auch an den als Schütz ausgebildeten zweiten Schaltelementen, dem einen zweiten Schaltelement 320 und dem weiteren zweiten Schaltelement 340, d.h. den Schützen 324 und 344, unterbleiben. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungsanordnung in der Schutzschaltung 300 besteht darin, dass das Gleichspannungsladen mit Hochspannungsgleichstrom über den Gleichspannungsladungsanschluss 500 erfolgen kann, ohne dass das Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 mit Hochspannung aus der Hochspannungsbatterie 200 versorgt wird. Dies bedeutet, dass das eine erste Schaltelement 310 und das zweite Schaltelement 320 während des Gleichspannungsladens im geöffneten Zustand gehalten werden können. Hierdurch wird eine Belastung dieser Schaltelemente verringert und zugleich ein Strombedarf, der zum Betreiben dieser Schaltelemente benötigt wird, reduziert.The advantage of the described embodiment is that even in the event of damage when opening the corresponding switching elements in the load state, no damage occurs to them, since one of the switching elements is either the first switching element 310 or the further first switching element 330, each of which is embodied as a semiconductor switch 313 or 333 switch in such a short period of time that damage also to the second switching elements designed as a contactor, the one second switching element 320 and the other second switching element 340, i.e. the contactors 324 and 344, does not occur. Another advantage of this circuit arrangement in the protection circuit 300 is that the DC voltage charging can take place with high-voltage direct current via the DC voltage charging connection 500 without the high-voltage high-power grid 800 being supplied with high voltage from the high-voltage battery 200 . This means that the one first switching element 310 and the second switching element 320 can be kept in the open state during DC voltage charging. As a result, a load on these switching elements is reduced and, at the same time, a power requirement that is required to operate these switching elements is reduced.

Auch die Ladungsanschlusspole 510, 520 der Hochspannungsbatterieeinheit 100 müssen von den Batteriepolen 210 bzw. 220 galvanisch getrennt werden, wenn beispielsweise in dem Ladekabel, welches den Gleichspannungsladungsanschluss 500 mit einer Ladesäule 2500 verbindet, einen Kurzschluss auftritt. Auch in diesem Fall wird von der Schutzschaltung 300 der Schutzzustand herbeigeführt. Dies bedeutet, dass zum einen die pyrotechnische Sicherung 315 ausgelöst wird und sämtliche Schaltelemente 310, 320, 330, 340 der Schutzschaltung 300 in die geöffnete Stellung gebracht werden.The charge connection poles 510, 520 of the high-voltage battery unit 100 must be electrically isolated from the battery poles 210 and 220, for example, if a short circuit occurs in the charging cable that connects the DC voltage charge connection 500 to a charging station 2500. In this case, too, the protective circuit 300 brings about the protective state. This means that on the one hand the pyrotechnic fuse 315 is triggered and all switching elements 310, 320, 330, 340 of the protective circuit 300 are brought into the open position.

Auch in der Hochspannungsversorgung des Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes 700 sind keine irreversibel trennenden Sicherungs- oder Schaltelemente im Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 oder der Hochspannungsbatterieeinheit 100, außer der pyrotechnischen Sicherung 315, vorgesehen.Also in the high-voltage supply of the high-voltage low-power network 700 there are no irreversibly separating safety or switching elements in the high-voltage high-power network 800 or the high-voltage battery unit 100, apart from the pyrotechnical fuse 315.

In 2 ist schematisch ein Hochspannungsbatteriesystem 1000 eines als reines Elektrofahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs 1 dargestellt. Gleiche technische Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und hier nicht erneut erläutert. Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich zum einen durch die Komponenten des Hochspannungs-Hochleistungsnetzes als auch über die Anordnung des Niedrigleistungsanschlusses 470. Bei der Ausführungsform nach 2 ist der Niedrigleistungsanschluss 470 Bestandteil der Hochspannungsbatterieeinheit 100. Entsprechend ist das dem Niedrigleistungsanschluss 470 zugeordnete Trennelement 350 in der Schutzschaltung 300 der Hochspannungsbatterieeinheit 100 ausgebildet. Dieses Netztrennelement 350 ist als Halbleiterschalter ausgebildet und wird als Netztrennschalter 353 bezeichnet. Das Netztrennelement 350 ist zwischen dem einen Niedrigleistungsanschlusspol 480 und dem einen ersten Trennelement 310 angeordnet. Der eine Batteriepol 210 ist über die pyrotechnische Sicherung 315, das eine erste Schaltelement 310 und das Netztrennelement 350 mit dem einen Niedrigleistungsanschlusspol 480 verbunden, wobei die pyrotechnische Sicherung, das eine erste Schaltelement 310 und das Netztrennelement 350 in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind. Der andere Batteriepol 220 ist nur über das zweite Schaltelement, welches als Schütz 324 ausgebildet ist, mit dem anderen Niedrigleistungsanschlusspol 490 elektrisch verbunden.In 2 a high-voltage battery system 1000 of a vehicle 1 designed as a purely electric vehicle is shown schematically. Identical technical components are provided with the same reference symbols and are not explained again here. The embodiment after 2 differs on the one hand by the components of the high-voltage high-power network and by the arrangement of the low-power connection 470. In the embodiment according to FIG 2 the low power terminal 470 is part of the high voltage battery pack 100. Correspondingly For example, the isolation element 350 associated with the low-power terminal 470 is formed in the protection circuit 300 of the high-voltage battery unit 100 . This mains isolating element 350 is designed as a semiconductor switch and is referred to as a mains isolating switch 353 . The mains disconnection element 350 is arranged between the one low-power connection pole 480 and the one first disconnection element 310 . One battery pole 210 is connected to the one low-power connection pole 480 via the pyrotechnic fuse 315, the one first switching element 310 and the mains isolating element 350, the pyrotechnic fuse, the one first switching element 310 and the mains isolating element 350 being connected in series in the order given. The other battery pole 220 is electrically connected to the other low-power connection pole 490 only via the second switching element, which is designed as a contactor 324 .

In dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700, welches mit dem Niedrigleistungsanschluss 470 verbunden ist, sind bei dieser Ausführungsform als Hochspannungsverbraucher 760 ein Hochspannungsheizer 763, ein elektrischer Klimakompressor 762, ein Hochspannungsbatterieheizer 765, ein Gleichspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 766, ein Wechselspannungs-/Gleichspannungs-Wandler 767, der mit einer Wechselspannungsladedose 770 gekoppelt ist, und eine Ladeeinrichtung 778 für ein automatisches drahtloses Laden verbunden. Diese sind jeweils elektrisch parallel zueinander an das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 angeschlossen.In the high-voltage low-power network 700, which is connected to the low-power terminal 470, a high-voltage heater 763, an electric air-conditioning compressor 762, a high-voltage battery heater 765, a DC voltage/DC voltage converter 766, an AC voltage/DC voltage Converter 767 coupled to an AC charging socket 770 and charging device 778 for automatic wireless charging. These are each electrically connected to the high-voltage low-power grid 700 in parallel with one another.

Das Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen Traktionsnetzverteiler 862, über den eine hintere Antriebseinheit 880 und optional in einem allradbetriebenen Fahrzeug 1 eine vordere Antriebseinheit 890 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die hintere Antriebseinheit 880 umfasst einen Pulswechselrichter 881 und eine elektrische Maschine 882, welche beispielsweise die Hinterachsräder antreibt. Die vordere Antriebseinheit 890 umfasst einen weiteren Pulswechselrichter 891 und eine weitere elektrische Maschine 892, die beispielsweise die Vorderachsräder antreibt. Es versteht sich für den Fachmann, dass die hintere Antriebseinheit 880 und die vordere Antriebseinheit 890 jeweils mehrere elektrische Maschinen umfassen können, die einzelne Räder der entsprechenden Achsen antreiben.In the illustrated embodiment, the high-voltage, high-performance network 800 comprises a traction network distributor 862, via which a rear drive unit 880 and, optionally in a four-wheel drive vehicle 1, a front drive unit 890 are supplied with electrical energy. The rear drive unit 880 includes a pulse-controlled inverter 881 and an electric machine 882, which drives the rear axle wheels, for example. The front drive unit 890 includes a further pulse-controlled inverter 891 and a further electric machine 892, which drives the front axle wheels, for example. It will be appreciated by those skilled in the art that rear drive unit 880 and front drive unit 890 may each include multiple electric machines that drive individual wheels on respective axles.

Zusätzlich kann in dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 ein Nebenaggregatverteiler 866 vorgesehen sein, der weitere Hochspannungskomponenten, wie beispielsweise einen weiteren Hochspannungsheizer 867, mit elektrischer Energie aus der Hochspannungsbatterie 100 versorgt. Der weitere Hochspannungsheizer 867 ist individuell über Schmelzsicherungen 868 gegenüber dem Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800 abgesichert.In addition, an auxiliary unit distributor 866 can be provided in the high-voltage high-performance network 800 , which supplies additional high-voltage components, such as an additional high-voltage heater 867 , with electrical energy from the high-voltage battery 100 . The additional high-voltage heater 867 is individually protected from the high-voltage high-power network 800 via fuses 868 .

Das Gleichspannungsnetz 1500, das an dem Gleichspannungsladungsanschluss 500 angeschlossen ist führt auf eine Gleichspannungsladungsdose 900.The DC voltage network 1500, which is connected to the DC voltage charging connection 500, leads to a DC voltage charging socket 900.

Ansonsten gleicht die Ausführungsform der nach 1. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass alle Hochspannungsnetze das Hochspannungs-Hochleistungsnetz 800, das Gleichspannungsladungsnetz 1500 und das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz 700 alle an der Hochspannungsbatterieeinheit 100 angeschlossen sind und die jeweiligen Anschlusspole im Schutzzustand allpolig von der Hochspannungsbatterie 200 galvanisch getrennt werden. Im Schutzzustand ist somit außerhalb der Hochspannungsbatterieeinheit 100 keine Hochspannung vorhanden.Otherwise, the embodiment is the same 1 . The advantage of this embodiment is that all high-voltage networks, the high-voltage high-performance network 800, the DC voltage charging network 1500 and the high-voltage low-power network 700 are all connected to the high-voltage battery unit 100 and the respective connection poles are all poles electrically isolated from the high-voltage battery 200 in the protective state. Thus, in the protection state, there is no high voltage outside the high-voltage battery unit 100 .

Während in den beiden dargestellten Ausführungsformen jeweils nur ein Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz dargestellt ist, können andere Ausführungsformen mehrere Hochspannungs-Niedrigleistungsnetze umfassen, die jeweils ein zugeordnetes Netztrennelement aufweisen, welches jeweils als Halbleiterschalter in Form eines Netztrennschalters ausgebildet ist. Die Niedrigleistungsanschlüsse können sowohl in der Hochspannungsbatterieeinheit als auch an dem Hochleistungs-Hochspannungsnetz in beliebigen Kombinationen ausgebildet sein. Die Netze selbst sind (mit Ausnahme der pyrotechnischen Sicherung) nur mit reversibel schaltenden Schaltelementen von der Hochspannungsbatterie 200 abtrennbar verbunden. Besonders bevorzugt ist die pyrotechnische Sicherung jeweils dem einen Batteriepol 210 zugeordnet, der ein höheres Gleichspannungspotential gegenüber dem Potentialausgleich aufweist. Dies ist in der Regel der Pluspol der Hochspannungsbatterie.While only one high-voltage, low-power network is shown in each of the two illustrated embodiments, other embodiments can include multiple high-voltage, low-power networks, each of which has an associated network isolating element, which is designed as a semiconductor switch in the form of a network isolating switch. The low-power connections can be formed in any combination both in the high-voltage battery unit and on the high-power high-voltage network. The networks themselves (with the exception of the pyrotechnic fuse) are only connected to the high-voltage battery 200 so that they can be separated from them with reversibly switching switching elements. The pyrotechnic fuse is particularly preferably assigned to one battery pole 210 which has a higher DC voltage potential than the equipotential bonding. This is usually the positive terminal of the high voltage battery.

Es versteht sich für den Fachmann, dass auch im Hochspannungsbatteriesystem eines Hybridfahrzeugs der Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz-Anschluss in der Hochspannungsbatterieeinheit ausgebildet sein kann. Ebenso kann in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug ein Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz über das Hochspannungs-Hochleistungsnetz mit der Hochspannungsbatterieeinheit und der Hochspannungsbatterie verbunden sein.It is clear to the person skilled in the art that the high-voltage low-power network connection can also be formed in the high-voltage battery unit in the high-voltage battery system of a hybrid vehicle. Likewise, in a purely electrically powered vehicle, a high-voltage, low-power grid can be connected to the high-voltage battery unit and the high-voltage battery via the high-voltage, high-power grid.

BezugszeichenlisteReference List

11
Fahrzeugvehicle
22
Vorderwagenfront car
33
Hinterwagenrear car
100100
(Hochspannungs-) Batterieeinheit(High voltage) battery unit
200200
Hochspannungsbatteriehigh voltage battery
210210
ein Batteriepola battery pole
220220
anderer Batteriepoldifferent battery pole
300300
Schutzschaltungprotection circuit
310310
erstes Schaltelementfirst switching element
313313
Halbleiterschaltersemiconductor switch
315315
pyrotechnische Sicherung (Pyrofuse)pyrotechnic fuse (pyrofuse)
320320
zweites Schaltelementsecond switching element
324324
Schützcontactor
330330
weiters erstes Schaltelementfurther first switching element
333333
weiterer Halbleiterschalterfurther semiconductor switch
340340
weiteres zweites Schaltelementfurther second switching element
344344
weiteres Schützanother contactor
350350
Netztrennelementmesh divider
353353
als Halbleiterschalter ausgebildeter NetztrennschalterMains circuit breaker designed as a semiconductor switch
400400
Anschlussconnection
401401
Nennleistungsanschlussrated power connection
410410
ein Anschlusspola connection pole
420420
anderer Anschlusspolother connection pole
470470
Niedrigleistungsanschlusslow-power connector
480480
ein Niedrigleistungsanschlussa low power connector
490490
anderer Niedrigleistungsanschlussother low-power connector
500500
GleichspannungsladungsanschlussDC charging connection
510510
ein Ladungsanschlusspola charge terminal
520520
anderer Ladungsanschlusspolother charge terminal pole
600600
Potentialausgleichsleitungequipotential bonding line
601601
Potentialausgleichskomponenteequipotential bonding component
700700
Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzhigh-voltage low-power grid
750750
Netztrennelementmesh divider
753753
(als Halbleiterschalter ausgebildeter) Netztrennschalter(designed as a semiconductor switch) mains circuit breaker
760760
Hochspannungsverbraucherhigh voltage consumers
761761
Ladegerätcharger
762762
Klimakompressorair conditioning compressor
763763
Hochspannungsheizerhigh voltage heater
765765
Hochspannungsbatterieheizerhigh voltage battery heater
766766
Gleichspannungs-/Gleichspannungs-WandlerDC/DC converter
767767
Wechselspannungs-/Gleichspannungs-WandlerAC/DC converter
770770
WechselspannungsladedoseAC charging socket
778778
Ladeeinrichtung für ein automatisches drahtloses LadenCharging device for automatic wireless charging
780780
Niedrigleistungsanschlusspollow power connector pin
800800
Hochspannungs-Hochleistungsnetzhigh-voltage high-power grid
810810
erster (Hochspannungs-Hochleistungsnetz-) Anschlusskontaktfirst (high-voltage, high-power grid) connection contact
820820
zweiter (Hochspannungs-Hochleistungsnetz-) Anschlusskontaktsecond (high-voltage, high-power grid) connection contact
860860
(Hochspannungs-) Verbraucher(High-voltage) consumers
861861
Kombinationsgerätcombination device
862862
Traktionsnetzverteilertraction network distributor
866866
Nebenaggregatverteileraccessory distributor
867867
weiterer Hochspannungsheizeranother high-voltage heater
868868
Schmelzsicherungenfuses
870870
elektrische Maschineelectric machine
880880
hintere Antriebseinheitrear drive unit
881881
Pulswechselrichterpulse inverter
882882
eine elektrische Maschinean electric machine
890890
vordere Antriebseinheitfront drive unit
891891
weiterer Pulswechselrichterfurther pulse inverter
892892
weitere elektrische Maschineanother electrical machine
900900
GleichspannungsladungsdoseDC charging socket
10001000
Hochspannungsbatteriesystemhigh voltage battery system
15001500
GleichspannungsnetzDC network
25002500
Ladesäulecharging station
30003000
Niederspannungswechselstromnetzlow-voltage AC power grid

Claims (11)

Hochspannungsbatterieeinheit (100) mit einer Hochspannungsbatterie (200), welche einen Batteriepol (210) und einen anderen Batteriepol (220) aufweist, zwischen denen im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie (200) eine Hochspannung abfällt, und einer Schutzschaltung (300), zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole (210, 220) von Anschlusspolen (410, 420) mindestens eines Anschlusses (400) der Hochspannungsbatterieeinheit (100) in einem Schutzzustand, wobei die Schutzschaltung (300) mindestens ein erstes Schaltelement (310) und mindesten ein zweites Schaltelement (320) umfasst, wobei das mindestens eine erste Schaltelement (310) als Halbleiterschalter (313) und das mindestens eine zweite Schaltelement (320) als Schütz (324) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine als Halbleiterschalter (313) ausgebildete erste Schaltelement (310) zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem einen Anschlusspol (410) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und das mindestens eine als Schütz (324) ausgebildete zweite Schaltelement (320) zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Anschlusspol (420) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) eine pyrotechnische Sicherung (315) zum Unterbrechen einer elektrischen Leitung zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) im Schutzzustand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsbatterieeinheit (100) zusätzlich zu dem mindestens einen Anschluss (400) mindestens einen Gleichspannungsladungsanschluss (500) mit einem Ladungsanschlusspol (510) und einem anderen Ladungsanschlusspol (520) aufweist, wobei die Schutzschaltung (300) mindestens ein weiteres erstes Schaltelement (330) und mindestens ein weiteres zweites Schaltelement (340) zum allpoligen Trennen der Ladungsanschlusspole (510, 520) des Gleichspannungsladungsanschlusses (500) von den Batteriepolen (210, 220) in einem getrennten Zustand aufweist, wobei das mindestens eine weitere erste Schaltelement (330) als weiterer Halbleiterschalter (333) ausgebildet ist und zwischen der pyrotechnischen Sicherung (315) und dem einen Ladungsanschlusspol (510) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) angeordnet ist und das mindestens eine weitere zweite Schaltelement (340) als weiteres Schütz (344) ausgebildet ist, welches zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Ladungsanschlusspol (520) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) angeordnet ist, wobei zwischen der pyrotechnischen Sicherung (315) und dem einen Ladungsanschlusspol (510) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) mit dem mindestens einen weiteren ersten Schaltelement (330) kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist und zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Ladungsanschlusspol (520) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) mit dem mindestens einen weiteren zweiten Schaltelement (340) kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist.High-voltage battery unit (100) with a high-voltage battery (200), which has a battery pole (210) and another battery pole (220), between which a high voltage drops when the high-voltage battery (200) is charged, and a protective circuit (300) for all-pole galvanic Separating the two battery poles (210, 220) from connection poles (410, 420) of at least one connection (400) of the high-voltage battery unit (100) in a protective state, the protective circuit (300) having at least one first switching element (310) and at least one second switching element ( 320), wherein the at least one first switching element (310) is designed as a semiconductor switch (313) and the at least one second switching element (320) is designed as a contactor (324), wherein the at least one first switching element is designed as a semiconductor switch (313). (310) is arranged between the one battery pole (210) and the one connection pole (410) of the at least one connection (400) and the at least one second switching element (320) designed as a contactor (324) between the other battery pole (220) and the other connection pole (420) of the at least one connection (400) and additionally between the one battery pole (210) and the first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313) a pyrotechnic fuse (315) for interrupting an electrical line between the one Battery pole (210) and the at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313) is arranged in the protected state, characterized in that the high-voltage battery unit (100) has at least one DC voltage charging connection (500) with a Charge connection pole (510) and another charge connection pole (520), wherein the protective shell Device (300) has at least one further first switching element (330) and at least one further second switching element (340) for all-pole disconnection of the charge connection poles (510, 520) of the DC voltage charge connection (500) from the battery poles (210, 220) in a separated state, wherein the at least one further first switching element (330) is designed as a further semiconductor switch (333) and is arranged between the pyrotechnic fuse (315) and the one charge connection pole (510) of the at least one DC voltage charge connection (500) and the at least one further second switching element ( 340). ) of the at least one DC voltage charging connection (500) with the m at least one further first switching element (330) no other switching element and no irreversible fuse is connected in series and between the other battery pole (220) and the other charge connection pole (520) of the at least one DC voltage charge connection (500) with the at least one further second switching element (340 ) no other switching element and no irreversible fuse is connected in series. Hochspannungsbatterieeinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anschluss (400) ein Nennleistungsanschluss (401) für eine Entnahme von elektrischer Energie bei einer Nennentladeleistung aus der Hochspannungsbatterie (200) und/oder Einspeisung von elektrischer Energie in die Hochspannungsbatterie (200) bei Nennladeleistung in die Hochspannungsbatterie (200) ausgebildet ist.High Voltage Battery Pack (100) to claim 1 , characterized in that the at least one connection (400) is a rated power connection (401) for drawing electrical energy at a rated discharge power from the high-voltage battery (200) and/or feeding electrical energy into the high-voltage battery (200) at a rated charging power in the high-voltage battery (200) is formed. Hochspannungsbatterieeinheit (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem mindestens einen als Nennleistungsanschluss (401) ausgebildeten Anschluss (400) in der Hochspannungsbatterieeinheit mindestens ein Niedrigleistungsanschluss (470) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss (470) zur Entnahme von elektrischer Energie aus der Hochspannungsbatterie (200) unterhalb einer Nennentnahmeleistung und/oder Einspeisung von elektrischer Energie in die Hochspannungsbatterie (200) mit einer elektrischen Leistung unterhalb der Nenneinspeiseleistung ausgebildet ist, wobei in der Schutzschaltung (300) ein dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss (470) zugeordnetes Trennelement (350; 750) ausgebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie (200) der Hochspannungsbatterieeinheit (100) und einem Niedrigleistungsanschlusspol (480) des mindestens einen Niedrigleistungsanschlusses (470) in einem Störungszustand zu unterbrechen, wobei das Trennelement (350; 750) ein als Halbleiterschalter ausgebildeter Netztrennschalter (353; 753) ist und elektrisch in Reihe mit dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) und elektrisch zwischen diesem mindestens einen ersten Schaltelement (310) und dem Niedrigleistungsanschlusspol (480) des mindestens einen Niedrigleistungsanschlusses (470) angeordnet.High Voltage Battery Pack (100) to claim 2 , characterized in that in addition to the at least one connection (400) designed as a nominal power connection (401), at least one low-power connection (470) is designed in the high-voltage battery unit, the at least one low-power connection (470) for drawing electrical energy from the high-voltage battery (200 ) is designed below a nominal power draw and/or feeding electrical energy into the high-voltage battery (200) with an electrical power below the nominal feeding power, wherein a separating element (350; 750) assigned to the at least one low-power connection (470) is formed in the protective circuit (300). is to interrupt an electrical connection between the high-voltage battery (200) of the high-voltage battery unit (100) and a low-power terminal pole (480) of the at least one low-power terminal (470) in a fault condition, wherein the disconnecting element (350; 750) ei n mains isolating switch (353; 753) and is arranged electrically in series with the at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313) and electrically between this at least one first switching element (310) and the low-power connection pole (480) of the at least one low-power connection (470). Hochspannungsbatterieeinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Batteriepol (210) ein Pluspol der Hochspannungsbatterie (200) ist und der andere Batteriepol (220) ein Minuspol der Hochspannungsbatterie (200) ist.High voltage battery unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that one battery pole (210) is a positive pole of the high voltage battery (200) and the other battery pole (220) is a negative pole of the high voltage battery (200). Hochspannungsbatterieeinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außer der pyrotechnischen Sicherung (315) zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement in den Hochspannungsleitungen zwischen den Batteriepolen (210, 220) und den Anschlusspolen (410, 420) des Anschlusses (400) und/oder zwischen den Batteriepolen (210, 220) und den Ladungsanschlusspolen (510, 520) des Gleichspannungsladungsanschlusses (500) und/oder zwischen den Batteriepolen (210, 220) und den Anschlusspolen (410, 420) des Anschlusses (400) keine irreversiblen Sicherungen ausgebildet sind.High-voltage battery unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the pyrotechnic fuse (315) between the one battery pole (210) and the at least one first switching element designed as a semiconductor switch (313) in the high-voltage lines between the battery poles (210, 220 ) and the connection poles (410, 420) of the connection (400) and/or between the battery poles (210, 220) and the charge connection poles (510, 520) of the DC voltage charge connection (500) and/or between the battery poles (210, 220) and no irreversible fuses are formed on the connection poles (410, 420) of the connection (400). Hochspannungsbatteriesystem (1000) mit mindestens einer Hochspannungsbatterieeinheit (100), welche eine Hochspannungsbatterie (200), welche zwei Batteriepole (210, 220) aufweist, zwischen denen im aufgeladenen Zustand der Hochspannungsbatterie (200) eine Hochspannung abfällt, und einer Schutzschaltung (300) zum allpoligen galvanischen Trennen der zwei Batteriepole (210, 220) von Anschlusspolen (410, 420) mindestens eines Anschlusses (400) der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit (100) in einem Schutzzustand umfasst, wobei die Schutzschaltung (300) mindestens ein erstes Schaltelement (310) und mindesten ein zweites Schaltelement (320) umfasst, und einem Hochspannungs-Hochleistungsnetz (800), über das mindestens ein Hochspannungsverbraucher (860) elektrisch angeschlossen ist, wobei das Hochspannungs-Hochleistungsnetz (800) mindestens einen ersten Anschlusskontakt (810) und mindestens einen zweiten Anschlusskontakt (820) aufweist, wobei das Hochspannungs-Hochleistungsnetz (800) mit dem mindestens einen Anschluss (400) in der Weise verbunden ist, dass der mindestens eine erste Anschlusskontakt (810) elektrisch mit dem einen Anschlusspol (410) und der mindestens eine zweite Anschlusskontakt (820) elektrisch mit dem anderen Anschlusspol (410) verbunden ist, wobei das mindestens eine erste Schaltelement (310) als Halbleiterschalter (313) und das mindestens eine zweite Schaltelement (320) als Schütz (324) ausgebildet ist, wobei das mindestens eine als Halbleiterschalter (313) ausgebildete erste Schaltelement (310) zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem einen Anschlusspol (410) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und dass mindestens eine als Schütz (324) ausgebildete zweite Schaltelement (320) zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Anschlusspol (420) des mindestens einen Anschlusses (400) angeordnet ist und zusätzlich zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) eine pyrotechnische Sicherung (315) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Hochspannungsbatterieeinheit (100) zusätzlich zu dem mindestens einen Anschluss (400) mindestens einen Gleichspannungsladungsanschluss (500) mit einem Ladungsanschlusspol (510) und einem anderen Ladungsanschlusspol (520) aufweist, wobei die Schutzschaltung (300) mindestens ein weiteres erstes Schaltelement (330) und mindestens ein weiteres zweites Schaltelement (340) zum allpoligen Trennen der Ladungsanschlusspole (510, 520) des Gleichspannungsladungsanschlusses (500) von den Batteriepolen (210, 220) in einem getrennten Zustand aufweist, wobei das mindestens eine weitere erste Schaltelement (330) als weiterer Halbleiterschalter (333) ausgebildet ist und zwischen der pyrotechnischen Sicherung (315) und dem einen Ladungsanschlusspol (510) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) angeordnet ist und das mindestens eine weitere zweite Schaltelement (340) als weiteres Schütz (344) ausgebildet ist, welches zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Ladungsanschlusspol (520) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) angeordnet ist wobei zwischen der pyrotechnischen Sicherung (315) und dem einen Ladungsanschlusspol (510) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) mit dem mindestens einen weiteren Schaltelement (330) kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist und zwischen dem anderen Batteriepol (220) und dem anderen Ladungsanschlusspol (520) des mindestens einen Gleichspannungsladungsanschlusses (500) mit dem mindestens einen weiteren zweiten Schaltelement (340) kein anderes Schaltelement und keine irreversible Sicherung in Reihe geschaltet ist.High-voltage battery system (1000) with at least one high-voltage battery unit (100), which a high-voltage battery (200), which has two battery poles (210, 220), between which a high voltage drops when the high-voltage battery (200) is charged, and a protective circuit (300) for all-pole galvanic isolation of the two battery poles (210, 220) from connection poles (410, 420) at least one terminal (400) comprising at least one high-voltage battery unit (100) in a protective state, wherein the protective circuit (300) comprises at least one first switching element (310) and at least one second switching element (320), and a high-voltage High-power network (800) via which at least one high-voltage consumer (860) is electrically connected, the high-voltage high-power network (800) having at least one first connection contact (810) and at least one second connection contact (820), the high-voltage high-power network (800) is connected to the at least one port (400) in such a way that the at least one first Connection contact (810) is electrically connected to the one connection pole (410) and the at least one second connection contact (820) is electrically connected to the other connection pole (410), the at least one first switching element (310) being a semiconductor switch (313) and the at least one second switching element (320) is designed as a contactor (324), the at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313) being arranged between the one battery pole (210) and the one connection pole (410) of the at least one connection (400). and that at least one second switching element (320) designed as a contactor (324) is arranged between the other battery pole (220) and the other connection pole (420) of the at least one connection (400) and additionally between the one battery pole (210) and the a pyrotechnic fuse (315) is arranged in at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313), characterized in that that the at least one high-voltage battery unit (100), in addition to the at least one connection (400), has at least one DC voltage charge connection (500) with a charge connection pole (510) and another charge connection pole (520), the protective circuit (300) having at least one further first switching element ( 330) and at least one further second switching element (340) for all-pole disconnection of the charge connection poles (510, 520) of the DC voltage charging connection (500) from the battery poles (210, 220) in a separated state, the at least one further first switching element (330) is designed as a further semiconductor switch (333) and is arranged between the pyrotechnical fuse (315) and the one charge connection pole (510) of the at least one DC charge connection (500) and the at least one further second switching element (340) is designed as a further contactor (344). , which is between the other battery pole (220) and the other charge connection pole (520) of the at least one DC voltage charge connection (500) is arranged, with no other switching element between the pyrotechnical fuse (315) and the one charge connection pole (510) of the at least one DC voltage charge connection (500) with the at least one further switching element (330) and no irreversible fuse is connected in series and no other switching element and no irreversible fuse is connected in series between the other battery pole (220) and the other charge connection pole (520) of the at least one DC voltage charge connection (500) with the at least one further second switching element (340). . Hochspannungsbatteriesystem (1000) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Niedrigleistungsanschluss (470) zum zusätzlichem Anschließen mindestens eines Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes (700) ausgebildet ist, wobei das mindestens eines Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz (700) zum Versorgen mindestens eines weiteren Hochspannungsverbrauchers (760) mit elektrischer Energie ausgebildet ist, wobei das mindestens eine Hochspannung-Niedrigleistungsnetz (700) eine niedrigere Nennleistung für eine Energieentnahme und/oder Einspeisung als das Hochspannungs-Hochleistungsnetz aufweist, wobei dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss (470) ein Netztrennelement (350; 750) zugeordnet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie (200) der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit (100) und einem Niedrigleistungsanschlusspol (780) in einem Störungszustand zu unterbrechen und das Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes (800) abtrennen zu können, wobei das Netztrennelement (350; 750) ein als Halbleiterschalter ausgebildeter Netztrennschalter (353; 753) ist.High voltage battery system (1000) after claim 6 , characterized in that at least one low-power connection (470) is designed for the additional connection of at least one high-voltage low-power network (700), the at least one high-voltage low-power network (700) being designed to supply at least one further high-voltage consumer (760) with electrical energy, wherein the at least one high-voltage, low-power grid (700) has a lower rated power for energy withdrawal and/or feed-in than the high-voltage, high-power grid, wherein a grid disconnecting element (350; 750) is assigned to the at least one low-power connection (470) in order to establish an electrical connection between to interrupt the high-voltage battery (200) of the at least one high-voltage battery unit (100) and a low-power connection pole (780) in a fault state and to be able to disconnect the high-voltage low-power network (800), the network disconnecting element (350; 750) being a Hal mains circuit breaker (353; 753) is. Hochspannungsbatteriesystem (1000) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss (470) in der Hochspannungsbatterieeinheit (100) ausgebildet ist und der Trennschalter (353) in der Schutzschaltung (300) der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit (100) ausgebildet ist und elektrisch in Reihe mit dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) und elektrisch zwischen diesem mindestens einen ersten Schaltelement (310) und dem mindestens einen Niedrigleistungsanschluss (470) angeordnet ist.High voltage battery system (1000) after claim 7 , characterized in that the at least one low-power connection (470) is formed in the high-voltage battery unit (100) and the isolating switch (353) is formed in the protection circuit (300) of the at least one high-voltage battery unit (100) and is electrically in series with the at least one as Semiconductor switch (313) formed first switching element (310) and electrically between this at least one first switching element (310) and the at least one low-power connection (470) is arranged. Hochspannungsbatteriesystem (1000) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Niedrigleistungsanschluss (470) in oder an dem Hochspannung-Hochleistungsnetz (800) ausgebildet ist und der Netztrennschalter (753) zwischen dem Hochspannung-Hochleistungsnetz (800) und dem Hochspannunngs-Niedrigleistungsnetzes (700) angeordnet ist, um eine elektrische Leitung die Hochspannung-Hochleistungsnetz (800) mit dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetzes (700) in dem Störungszustand trennen zu können.High voltage battery system (1000) after claim 7 , characterized in that the at least one low-power connection (470) is formed in or on the high-voltage high-power grid (800) and the grid circuit breaker (753) is arranged between the high-voltage high-power grid (800) and the high-voltage low-power grid (700) in order to an electrical line to be able to separate the high-voltage high-power network (800) with the high-voltage low-power network (700) in the fault state. Hochspannungsbatteriesystem (1000) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochspannung-Hochleistungsnetz (800) und dem Hochspannungs-Niedrigleistungsnetz (700) in den Hochspannungsleitungen keine irreversible Sicherung angeordnet ist.High voltage battery system (1000) after claim 9 , characterized in that no irreversible fuse is arranged between the high-voltage high-power network (800) and the high-voltage low-power network (700) in the high-voltage lines. Hochspannungsbatteriesystem (1000) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, dass außer der pyrotechnischen Sicherung (315), die zwischen dem einen Batteriepol (210) und dem mindestens einen als Halbleiterschalter (313) ausgebildeten ersten Schaltelement (310) angeordnet ist, in den Hochspannungsleitungen außerhalb der Hochspannungsbatterie (200) in der mindestens einen Hochspannungsbatterieeinheit (100) keine irreversiblen Sicherungen ausgebildet sind.High voltage battery system (1000) according to any of Claims 6 until 10 , characterized in that, apart from the pyrotechnic fuse (315), which is arranged between the one battery pole (210) and the at least one first switching element (310) designed as a semiconductor switch (313), in the high-voltage lines outside the high-voltage battery (200) no irreversible fuses are formed in the at least one high-voltage battery unit (100).
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