DE102021201468B3 - Architecture and circuit topology to ensure switchable all-pole galvanic isolation in high-voltage battery systems - Google Patents
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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
Aus der
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
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.
-
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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-
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-
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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-
In
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-
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-
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
Das Gleichspannungsnetz 1500, das an dem Gleichspannungsladungsanschluss 500 angeschlossen ist führt auf eine Gleichspannungsladungsdose 900.The
Ansonsten gleicht die Ausführungsform der nach
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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021201468.2A DE102021201468B3 (en) | 2021-02-16 | 2021-02-16 | Architecture and circuit topology to ensure switchable all-pole galvanic isolation in high-voltage battery systems |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021201468.2A DE102021201468B3 (en) | 2021-02-16 | 2021-02-16 | Architecture and circuit topology to ensure switchable all-pole galvanic isolation in high-voltage battery systems |
Publications (1)
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---|---|
DE102021201468B3 true DE102021201468B3 (en) | 2022-07-07 |
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ID=82020518
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---|---|---|---|
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102015010536A1 (en) | 2015-08-12 | 2017-02-16 | Daimler Ag | Battery arrangement for a high-voltage electrical system in a motor vehicle with a first high-voltage battery and a second high-voltage battery and method for operating such a battery arrangement |
DE102019008835A1 (en) | 2019-12-18 | 2020-07-09 | Daimler Ag | vehicle |
-
2021
- 2021-02-16 DE DE102021201468.2A patent/DE102021201468B3/en active Active
Patent Citations (2)
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