DE102022100719A1

DE102022100719A1 - Hochvoltversorgung für Antriebsmotoren eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022100719A1
Application number: DE102022100719.7A
Authority: DE
Inventors: Jakob Meyer; Gundolf Müller; Louis Helmgens
Original assignee: BPW Bergische Achsen KG
Current assignee: BPW Bergische Achsen KG
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2023-07-13
Also published as: WO2023134970A1

Abstract

Eine Hochvoltversorgung für Antriebsmotoren eines elektrischen Fahrzeugs umfasst eine Hochvoltbauteile aufnehmende Verteilerbox mir daran angeordneten Hochvoltanschlüssen (72.1 - 72.4). Diese stehen in Verbindung mit Pluspfaden (HV+) und Minuspfaden (HV-) in der Verteilerbox. Über einen Hochvoltanschluss besteht Verbindung zu einer Hochvoltbatterie. Über einen zweiten Hochvoltanschluss (72.4) erfolgt die Spannungsversorgung eines Inverters (90) der Antriebsmotoren. In dem die Pluspfad (HV+) zwischen den ersten und zweiten Hochvoltanschlüssen befindet sich ein Schütz (95). An den von dem zweiten Hochvoltanschluss (72.4) zu dem Schütz (95) führenden Leitungsabschnitt (81) des Pluspfads ist eine Halbleiterbrücke (85) angeschlossen, die zu dem Minuspfad (HV-) führt und in Hintereinanderschaltung einen Widerstand (84) und einen schaltbaren Halbleiter (86) aufweist. Ein Bypass (100) ist zwischen dem Widerstand (84) und dem schaltbaren Halbleiter (86) an die Halbleiterbrücke (85) angeschlossen und führt zu dem Minuspfad. In dem Bypass sind in Reihe ein Gleichrichter (102) und ein weiteres Schütz (105) angeordnet. Das weitere Schütz ist als Öffnerschütz dazu ausgebildet, ohne Schaltstrom zu schließen und dadurch den Bypass (100) als einen Entladeweg freizugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvoltversorgung für Antriebsmotoren eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Ein solches Fahrzeug weist ein Hochvoltnetz mit einer elektrischen Spannung im Bereich deutlich über 60 V auf, zum Beispiel eine elektrische Gleichspannung von 400 V. Teil des Hochvoltnetzes ist eine Leistungselektronik zum Steuern zumindest der meisten Funktionen des Netzes. Die Leistungselektronik ist in einer Verteilerbox zusammengefasst, die an einer für den Fall eines Unfalls besonders geeigneten Position im Kraftfahrzeug angeordnet ist. Denn ein solches Hochvoltnetz hat Gefährdungspotenzial sowohl für die Insassen des Fahrzeugs im Fall eines Aufpralls, als auch für den Fall von Wartungsarbeiten an dem Netz. Das Hochvoltnetz muss daher kurzfristig abschaltbar sein, zudem müssen aufgrund gesetzlicher Vorschriften die Traktionsbatterien vom Hochvoltnetz entkoppelbar sein.
Die Entladung der Batterien erfolgt über Batterieschütze. Auch die Hochvolt-Zwischenkreise werden aktiv bis zum Erreichen einer ausreichend geringen Restspannung von z. B. 60 V entladen. Die Steuerung der Entladung erfolgt über eine Leistungselektronik, in der eine Entladeschaltung als Teil der Leistungselektronik implementiert ist. Die Entladeschaltung weist ein Schütz bzw. Schaltschütz auf, welches in Reihe zu mindestens einem Widerstand geschaltet ist. Der Widerstand ist dabei bestimmend für die Geschwindigkeit des Entladens.
Eine solche Vorrichtung zum aktiven Entladen eines Hochvoltkreises eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ist z. B. aus der DE 10 2012 020 019 A1 bekannt. Dort ist im Hinblick auf eine erhöhte Crash-Sicherheit vorgesehen, dass die aktiv arbeitende Entladeschaltung, welche zum Entladen eines Hochvoltkreis-Zwischenkreises in Reihe zueinander mindestens einen elektrischen Widerstand und ein Schaltschütz aufweist, vom Leistungselektronikmodul räumlich entkoppelt ist.
Aus der DE 10 2019 122 726 A1 ist eine Verteilerbox bekannt, welche die elektrische Schaltzentrale in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug bildet. Erste Anschlüsse verbinden die Verteilerbox mit dem Hochvoltnetz eines Kraftfahrzeugs. Über einen weiteren Anschluss ist die Verteilerbox mit den Batteriezellen des Fahrzeugs verbunden. Ein Minuspfad verbindet die Minuspole der einzelnen Schnittstellen, und ein Pluspfad die jeweiligen Pluspole. Eine Trenneinrichtung, die aus Schaltschützen bestehen kann, dient in Notfallsituationen dem Unterbrechen von Stromkreisen zwischen den Schnittstellen in der Verteilerbox. Es sollen vor allem Schäden durch Sekundärlichtbögen reduziert werden.
Auch aus der DE 20 2014 102 609 U1 ist eine in einem rechteckigen Gehäuse zusammengefasste, elektrische Verteilerbox für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bekannt. Aus dem Gehäuse der Verteilerbox führen Hochvoltanschlüsse und Niedervoltanschlüsse heraus. Das Gehäuse besteht aus einem Unterteil, welches auch die vier Gehäuseseiten umfasst, sowie einem eigenständigen Deckel, welcher die Verteilerbox nach oben abschließt und bedeckt. Im Bereich des umlaufenden Spalts zwischen dem Gehäuseunterteil und dem Deckel ist außen um das Gehäuse herum eine elektrische Überwachungsschleife angeordnet, um so bei einem Öffnen der Verteilerbox einer Gefährdungssituation durch die hohen Stromstärken des Hochvoltnetzes vorzubeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochvoltversorgung für elektrische Antriebsmotoren bereitzustellen, die robust ist und auch in außergewöhnlichen Situationen eine hohe Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit in Bezug auf das schnelle Entladen des Hochvoltnetzes des elektrischen Fahrzeugs aufweist. Die Hochvoltversorgung soll zudem die Voraussetzungen für eine betriebssichere Platzierung innerhalb des Fahrzeugs bieten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Hochvoltversorgung für Antriebsmotoren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Bestandteile der Hochvoltversorgung sind eine die elektrischen Komponenten der Hochvoltversorgung aufnehmende Verteilerbox und aus einem geschlossenen Gehäuse der Verteilerbox herausführende Hochvoltanschlüsse, die in elektrischer Verbindung mit innerhalb der Verteilerbox verlaufenden Pluspfaden und Minuspfaden stehen. Über mindestens einen ersten Hochvoltanschluss besteht eine elektrische Verbindung zu einer Hochvoltbatterie und über einen zweiten Hochvoltanschluss erfolgt die Spannungsversorgung eines den Antriebsmotoren vorgeschalteten Inverters. In dem die ersten und zweiten Hochvoltanschlüsse verbindenden Pluspfad ist ein Schütz angeordnet, und an den von dem zweiten Hochvoltanschluss zu dem Schütz führenden Leitungsabschnitt des Pluspfads ist eine Halbleiterbrücke angeschlossen, die zu dem Minuspfad führt und in Hintereinanderschaltung einen Widerstand und einen schaltbaren Halbleiter aufweist. Ein Bypass ist zwischen dem Widerstand und dem schaltbaren Halbleiter an die Halbleiterbrücke angeschlossen und führt zu dem Minuspfad. In dem Bypass sind in Reihe ein Gleichrichter und ein weiteres Schütz angeordnet, wobei das weitere Schütz als Öffnerschütz dazu ausgebildet ist, ohne Schaltstrom zu schließen und dadurch den Bypass als einen Entladeweg freizugeben.
Erreicht wird durch diese Maßnahmen eine Hochvoltversorgung für elektrische Antriebsmotoren, die robust ist und in außergewöhnlichen Situationen eine hohe Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit in Bezug auf das schnelle Entladen des Hochvoltnetzes des elektrischen Fahrzeugs aufweist. Die Hochvoltversorgung bietet zudem die Voraussetzungen für eine betriebssichere Platzierung innerhalb des Fahrzeugs.
Um ein Öffnen des Gehäuses der Verteilerbox zu verhindern, wenn zugleich elektrische Hochvoltbauteile im Gehäuseinneren noch unter elektrischer Spannung und insbesondere Hochvoltspannung stehen, ist eine auf ein solches Öffnen sensibilisierte Sicherheitsschleife vorhanden. Diese ist ausgebildet, noch aktive und mit hohen Stromstärken arbeitende Stromkreise zu unterbrechen, herunterzufahren oder anderweitig neutral zu schalten.
Ausgestaltungen der Hochvoltversorgung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise ist in der Verteilerbox zusätzlich zu dem mit hohen Stromstärken arbeitenden Hochvoltnetz ein Niedervoltnetz ausgebildet, wobei der Halbleiter, das Schütz und das weitere Schütz mittels der Niedervoltspannung des Niedervoltnetzes schaltbar sind.
Hinsichtlich des Gleichrichters wird vorgeschlagen, dass dieser als eine Stromfluss vom Minuspfad zum Pluspfad sperrende Diode ausgebildet ist.
Vorzugsweise umfasst das Hochvoltnetz weitere Bypässe, die ebenfalls jeweils zwischen einem Widerstand und einem schaltbaren Halbleiter einer Halbleiterbrücke angeschlossen sind und zu dem Minuspfad führen, wobei alle Bypässe zumindest abschnittsweise in einem gemeinsamen Strang zusammengeführt sind, und das Öffnerschütz in dem gemeinsamen Strang angeordnet ist.
Ferner vorgeschlagen wird eine in der Verteilerbox angeordnete Vorrichtung zur Erfassung der Spannung an dem zweiten Hochvoltanschluss.
Bestandteil der Hochvoltversorgung kann außerdem ein außerhalb der Verteilerbox angeordneter Kondensator sein, wobei der Kondensator zwischen dem Plus- und dem Minuspfad eines den Inverter mit dem zweiten Hochvoltanschluss verbindenden Leitungsstrangs angeschlossen ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Hochvoltversorgung umfasst diese, für ein Vorladen des Kondensators, einen das Schütz überbrückenden Vorladebypass, wobei der Vorladebypass in Reihe angeordnet einen Schalttransistor, ein Relais oder Schütz und mindestens einen Widerstand umfasst. Vorzugsweise ist das Relais oder Schütz ausgebildet, zeitlich vor dem Schalttransistor den Vorladebypass zu schließen.
Für die bauliche Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn die Hochvoltanschlüsse aus einer in Fahrzeugrichtung rückwärtigen Wand des Gehäuses herausführen. Dadurch lassen sich besonders kurze und damit verlustarme elektrische Kabelverbindungen innerhalb des Fahrzeugs erzielen. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die schweren und eher voluminösen Traktionsbatterien des Fahrzeugs als Batteriepakete in dem eher hinteren Teil des Fahrzeugs angeordnet sind, also vor oder hinter der elektrisch angetriebenen Hinterachse des Fahrzeugs.
Vorzugsweise ist das Gehäuse der Verteilerbox durch einen Deckel verschlossen, der von dem Gehäuse abnehmbar oder gegenüber dem übrigen Gehäuse verschiebbar, schwenkbar oder aufstellbar ist. Die Verteilerbox ist mit einer durch ein Lösen oder ein Bewegen des Deckels aktivierbaren Sicherheitsschleife versehen, deren Aktivierung den schaltbaren Halbleiter auf Durchgang schaltet. Durch diese bauliche Ausgestaltung kann ein Fachmann schnell und ohne größere Montagearbeiten an das Innere der Verteilerbox gelangen, um dort Arbeiten an den elektrischen Bauteilen durchzuführen, oder um dort verbaute elektrische Komponenten auszutauschen.
Als zusätzliche Schutzmaßnahme kann eine unter dem Deckel angeordnete, das Innere der Verteilerbox vollständig nach oben abdeckende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorhanden sein.
Bevorzugt ist eine in der Verteilerbox angeordnete Hochvoltplatine, auf der die elektrischen Bauteile des Hochvoltnetzes verbaut sind. Die elektrischen Bauteile sind insbesondere ohmsche Widerstände, Schütze bzw. Relais, Dioden, Transistoren und Sicherungen.
Auf der Hochvoltplatine kann mindestens eine Niedervoltplatine verbaut sein, auf der Komponenten eines CAN-Bus verbaut sind. Solche Komponenten können z. B. ein CAN-Controller oder ein Microcontroller sein.
Hinsichtlich der elektrischen Energiequelle wird vorgeschlagen, dass an zwei und vorzugsweise an drei der Hochvoltanschlüsse jeweils eine Traktionsbatterie mit einer Batteriespannung von mindestens 300 V und einer Stromstärke von 200 A (Ampere) oder mehr angeschlossen ist.
An der rückwärtigen Wand der Verteilerbox kann ein elektrischer Anschluss für einen Servicestecker vorhanden sein, um eine Signalübertragung zwischen der Verteilerbox und einer fahrzeugexternen Kommunikationseinheit aufzubauen. Solche Signale können über den Servicestecker z. B. auf ein fahrzeugexternes Auslesegerät oder ein Diagnosegerät übertragen werden, welches signaltechnisch mit entsprechenden Komponenten in der Verteilerbox kommuniziert. Die externe Kommunikationseinheit kann auch dazu ausgebildet sein, Kontroll- oder Steuersignale oder Einstellsignale an entsprechende Komponenten innerhalb der Verteilerbox zu übertragen, oder mit diesen auszutauschen.
Eine Ausgestaltung der Verteilerbox ist gekennzeichnet durch einen elektrischen Anschluss zum Anschließen eines zu einer fahrzeugexternen Ladestation führenden Ladekabels. Über diese Schnittstelle erfolgt das Aufladen der Traktionsbatterien an der externen Ladestation.
Um ein Öffnen des Gehäuses zu verhindern, wenn zugleich elektrische Hochvoltbauteile im Gehäuseinneren noch unter elektrischer Spannung und insbesondere Hochvoltspannung stehen, ist eine Ausgestaltung gekennzeichnet durch eine auf ein Lösen oder ein Bewegen des Deckels sensibilisierte Sicherheitsschleife. Die Sicherheitsschleife ist dazu ausgebildet, noch aktive elektrische Stromkreise und insbesondere mit hohen Stromstärken arbeitende Stromkreise zu unterbrechen, herunterzufahren oder anderweitig neutral zu schalten.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erläutert und beschrieben, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird. Darin zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht von schräg hinten auf ein allein mittels elektrischer Antriebsmotoren angetriebenes Nutzfahrzeug, wobei nicht alle Teile des Nutzfahrzeugs wiedergegeben sind.
2 eine Draufsicht auf eine elektrische Verteilerbox, welche in dem Nutzfahrzeug angeordnet ist, und mit verschiedenen elektrischen Anschlüssen an dem kastenförmigen Gehäuse der Verteilerbox;
3 einen Ausschnitt aus der in der elektrischen Verteilerbox realisierten Hochvoltschaltung;
4 eine Detaildarstellung nur jenes Bereichs der elektrischen Schaltung, der in 3 mit „IV“ bezeichnet ist.

Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung ein elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug. Das Nutzfahrzeug umfasst in Fahrzeuglängsrichtung vorne eine Fahrerkabine 13 sowie, hinter der Rückwand 13A der Fahrerkabine 13, den Nutzbereich. Der Nutzfahrzeugaufbau kann ein geschlossener, kastenförmiger Aufbau sein, oder eine offene Ladepritsche, oder ein auf einem Fahrzeugchassis 10 des Nutzfahrzeugs angeordnetes Arbeitsgerät. Auf dem Fahrzeugchassis 10 sind die Fahrerkabine 13 und der Nutzfahrzeugaufbau angeordnet. Das Fahrzeugchassis 10 wird in erster Linie durch zwei sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckende und zueinander parallele Längsträger 21, 22 gebildet.
Von unten gegen die Längsträger 21, 22 abgestützt sind die Fahrwerksteile des Nutzfahrzeugs. Die Fahrwerksteile sind insbesondere Längs- und/oder Querlenker, welche die Fahrzeugachsen stützen und führen, sowie ferner Fahrzeugfederungen 19 und gegebenenfalls Dämpferelemente.
Die unter der Fahrerkabine 13 angeordnete Vorderachse 11 des Nutzfahrzeugs ist eine übliche, lenkbare Achse. Die unter dem Nutzbereich des Fahrzeugs angeordnete Hinterachse 12 ist eine Starrachskonstruktion. Bestandteile der Starrachskonstruktion sind zwei elektrische Antriebsmotoren 15, die in einem gemeinsamen Motorgehäuse oder in zwar unterschiedlichen, jedoch starr miteinander verbundenen Motorgehäusen angeordnet sind. Die Rotationsachsen der Antriebsmotoren 15 sind zueinander fluchtend. Von dem einen Antriebsmotor 15 führt ein Antriebsstrang zu dem Fahrzeugrad 16 auf der linken Fahrzeugseite, und von dem anderen Antriebsmotor 15 führt ein Antriebsstrang zu dem Fahrzeugrat 16 auf der rechten Fahrzeugseite.
Von jedem der beiden Antriebsmotoren 15 führt, eventuell auch über ein zwischengeschaltetes Getriebe, eine in einem starren Achsrohr der Hinterachse drehgelagerte Antriebswelle zu der jeweiligen Radnabe 17. Die Radnabe 17 ist drehbar an dem jeweiligen äußeren Ende des Achsrohrs der Hinterachse gelagert. An ihr befestigt sind das Fahrzeugrad 16 sowie eine Bremstrommel einer Trommelbremse oder die Bremsscheibe einer Scheibenbremse. Die Hinterachse 12 in ihrer Bauart als Starrachse mit integrierten Elektromotoren ist entweder über Blattfedern oder über Luftfedern gegen die Längsträger 21, 22 abgestützt.
Einen zentralen Bestandteil der Leistungssteuerung der elektrischen Antriebsmotoren 15 und des Inverters der Antriebsmotoren bildet eine Verteilerbox 31. Diese ist die Schaltzentrale des elektrischen Fahrzeugantriebs. In ihr erfolgt unter anderem das Schalten, das Sichern und das Überwachen der mit 300 Volt Betriebsspannung arbeitenden Hochvoltversorgung des elektrischen Fahrantriebs.
In der Verteilerbox 31 sind, innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 33, die für den Fahrzeugantrieb notwendigen Hochvoltfunktionen mit Stromstärken von mindestens 150 A und bis zu 400 A, sowie verschiedene Niedervoltfunktionen zusammengefasst. Dazu befinden sich, gemeinsam in der Verteilerbox 31, mindestens eine erste Schaltung in der Bauart eines Hochvoltnetzes und weitere Schaltungen in der Bauart eines Niedervoltnetzes. Die Funktionen des Niedervoltnetzes betreffen z. B. die Kontrolle und Steuerung der Stromversorgung des Nutzfahrzeugs. Insbesondere zählt zu den Niedervoltfunktionen eine CAN-Steuerung. Die Niedervoltfunktionen betreffen außerdem die Kontrolle bestimmter Funktionen im Hochvoltnetz.
Über eine Vielzahl von schraubbaren und/oder steckbaren elektrischen Anschlüssen 71, 72 an der Wandung des Gehäuses 33 sind die in der Verteilerbox 31 zusammengefassten elektrischen Bauteile und Komponenten mit den elektrischen Komponenten, Steuereinrichtungen und Kontrolleinrichtungen des Nutzfahrzeugs verbunden.
Die nach außerhalb des Gehäuses 33 führenden Anschlüsse 72, 71 sind als elektrische Stecker ausgebildet, die an der jeweiligen Gehäusewand verankert sind. Die Anschlüsse sind zum Teil für eine Betriebsspannung von z. B. 400 V ausgelegte Hochvoltanschlüsse 72, an die entsprechende Hochvoltkabel angeschlossen sind, und zum Teil Niedervoltanschlüsse 71.
Die Dimensionierung der Kabel und Anschlüsse richtet sich nach den jeweiligen Stromstärken an den Anschlüssen, wobei diese Stromstärken bis zu 400 A betragen können. Die elektrischen Spannungen an den Niedervoltanschlüssen 71.1 - 71.3 betragen vorzugsweise 12 Volt oder 24 Volt. Die Spannungen an den von den Niedervoltanschlüssen getrennten Hochvoltanschlüssen 72.1 - 72.5 betragen mehr als 300 Volt und vorzugsweise 400 Volt.
Das Gehäuse 33 der Verteilerbox 31 ist kastenförmig gestaltet und setzt sich zusammen aus einem Boden 41, einem Deckel 42, zwei sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden Wänden 43, 44 und zwei sich quer zur Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden Wänden 46, 47.
Der Boden 41 bildet gemeinsam mit den am Boden 41 befestigten vertikalen Wänden 43, 44, 46, 47 eine Schale, die durch den beweglich angebrachten und dadurch von der Schale lösbaren Deckel 42 verschließbar ist. Hierzu ist z. B. der Deckel 42 von der Schale komplett abnehmbar, oder der Deckel 42 ist z. B. über ein Scharnier mit einer der Wände 43, 44, 46, 47 verbunden und lässt sich um das Scharnier aufschwenken, um so ebenfalls an das Innere der Verteilerbox 31 zu gelangen.
Sämtliche elektrischen Anschlüsse 72, 71 befinden sich ausschließlich entweder an der vorderen Querwand 46 oder an der hinteren Querwand 47 der Verteilerbox 31. An den beiden anderen, also den in Fahrzeuglängsrichtung sich erstreckenden Wänden 43, 44, befinden sich keine elektrischen Anschlüsse. Vorzugsweise sind diese Wände vollständig geschlossen.
Eine Masseverbindung 80 dient dem Potenzialausgleich, wozu die Masseverbindung 80 das aus Metall bestehende Gehäuse 33 mit dem ebenfalls aus Metall bestehenden Deckel 42 verbindet. Das Gehäuse 33 selbst steht in direktem metallischen und damit elektrischen Kontakt mit den metallischen Längsträgern 21, 22 des Fahrzeugchassis.
Die für hohe Stromstärken von mehr als 150 A (Ampere) ausgelegten Hochvoltanschlüsse befinden sich vor allem an der Rückwand des Gehäuses 33, also an der Wand 47. Die an den dortigen Hochvoltanschlüssen 72.1 - 72.4 angeschlossenen Kabel führen alle in den dahinter angeordneten Teil des Fahrzeugs. Sie umfassen jeweils ein fest in der Gehäusewand 47 verankertes, gehäuseseitiges Steckerteil, an dem sich der jeweilige kabelseitige Stecker kontaktieren lässt. Diese Hochvoltanschlüsse sind im Einzelnen:

Erstens ein für eine Stromstärke von 350 A bis 400 A ausgelegter Anschluss 72.4 für die 300 V Hochvoltverbindung zu einem Inverter, d. h. zu dem Antriebsinverter 90 der elektrischen Antriebsmotoren 15.
Zweitens ein Anschluss 72.1 für die Verbindung zu einer ersten Energiequelle, hier einer ersten Traktionsbatterie 30; ebenso ein Anschluss 72.2 für die Verbindung zu einer zweiten Energiequelle, hier einer zweiten Traktionsbatterie 30; ebenso ein Anschluss 72.3 für die Verbindung zu einer dritten Energiequelle, hier einer dritten Traktionsbatterie 30.

Beim Ausführungsbeispiel nutzt das Nutzfahrzeug also insgesamt drei Batterien 30 als Traktionsbatterien. Diese liefern, bei einer Batteriespannung von 300 V, eine Stromstärke von vorzugsweise jeweils 200 A. Die Anzahl der Batterien 30 kann jedoch auch größer oder kleiner sein. Gemäß 1 befinden sich die Batterien 30 zwischen der Vorderachse 11 und der Hinterachse 12 unter den Längsträgern 21, 22 des Fahrzeugchassis 10.
Ebenfalls an der Rückwand 47 des Gehäuses 33 befindet sich ein Niedervoltanschluss 71.3, an den zu Wartungszwecken ein Service- und Wartungsstecker angeschlossen werden kann, um z. B. in einer Werkstatt zu Diagnosezwecken Daten auszulesen. Insbesondere ist der Servicestecker zur Signalübertragung zwischen der Verteilerbox und einer fahrzeugexternen Kommunikationseinheit ausgebildet. Solche Signale können über den Servicestecker zum Beispiel auf ein fahrzeugexternes Auslesegerät oder Diagnosegerät übertragen werden, welches signaltechnisch mit entsprechenden Komponenten in der Verteilerbox 31 kommuniziert. Die externe Kommunikationseinheit kann auch dazu ausgebildet sein, Kontroll- oder Steuersignale oder Einstellsignale an entsprechende Komponenten innerhalb der Verteilerbox 31 zu übertragen, oder auszutauschen.
An der Vorderwand des Gehäuses 33, also an der Wand 46, befinden sich weitere Anschlüsse 71.1, 71.2. Diese sind Teil des Niedervoltnetzes und für Stromstärken von deutlich weniger als 150 A ausgelegt. Die daran angeschlossenen Kabel führen vor allem in den vorderen Teil des Nutzfahrzeugs. Ebenfalls an der vorderen Wand 46 befindet sich ein für eine Stromstärke von vorzugsweise 250 A ausgelegter Hochvoltanschluss 72.5, an den ein externes Ladestromkabel oder ein zu einem bordeigenen Generator des Nutzfahrzeugs führendes Ladestromkabel angeschlossen werden kann.
Das Gehäuse 33 der Verteilerbox 31 ist baugünstig zwischen den beiden Längsträgern 21, 22 des Chassis 10 angeordnet. Dieser Bauraum wird in der Regel nicht anderweitig benötigt. Zur fahrzeugfesten Fixierung der Verteilerbox 31 ist an jeder Ecke des Gehäuses 33 am Boden 41 eine Lasche 48 ausgebildet. Da die Bauteile zur Befestigung der Verteilerbox 31 tiefer als das Gehäuse 33 angeordnet sind, behindern sie die Erreichbarkeit der Anschlüsse 72, 71 nicht. Die kabelseitigen elektrischen Stecker lassen sich daher durch eine in Fahrzeuglängsrichtung ausgeführte, horizontale Bewegung an den jeweils zugeordneten, gehäuseseitigen Anschlüssen 72, 71 befestigen, oder wieder von diesen abziehen.
Im Inneren der Verteilerbox 31 befindet sich unter anderem eine Hochvoltplatine, auf der als elektrische Bauteile und Komponenten Widerstände, Schütze, Relais und Sicherungen des Hochvoltnetzes verbaut sind. Die Platine kann Leiterplatten umfassen, die in einer Schichtung übereinander angeordnet sind. Die Leiterbahnen der Leiterplatten können teils parallelgeschaltet sein. Auf der Hochvoltplatine ist eine oder sind mehrere Niedervoltplatinen verbaut, auf der ihrerseits Komponenten eines CAN-Bus verbaut sind, wie zum Beispiel ein CAN-Controller und/oder ein Mikrocontroller.
Um zum Zwecke von Servicearbeiten, Wartungsarbeiten oder Reparaturen an das Innere der Verteilerbox 31 zu gelangen, ist der Deckel 42 entweder von dem Gehäuse 33 abnehmbar, oder er ist gegenüber dem übrigen Gehäuse verschiebbar, schwenkbar oder um ein Scharnier aufstellbar. Um hierbei den direkten Zugriff in das Innere der Verteilerbox 31 zumindest zu erschweren, kann unter dem Deckel 42 eine das Innere der Verteilerbox 31 vollständig nach oben abdeckende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet sein.
Ebenfalls dem Schutz gegen ein Eingreifen in die Hochvoltelemente in der Verteilerbox 31 dient eine elektrische Sicherheitsschleife. Diese wird durch ein Lösen oder ein Bewegen des Deckels 42 aktiviert. Wird die elektrische Schleife unterbrochen oder getrennt, erfolgt betriebsmäßig eine Entladung des Hochvoltnetzes, so dass es zu einem gefährlichen händischen Kontakt zu Hochvoltkomponenten nicht kommen kann.
Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus der in der elektrischen Verteilerbox 31 realisierten Hochvoltschaltung zur Versorgung der Antriebsmotoren 15.
Die aus dem geschlossenen Gehäuse der Verteilerbox 31 herausführenden Hochvoltanschlüsse 72.1 - 72.4 stehen in elektrischer Verbindung mit Pluspfaden HV+ und Minuspfaden HV-, die in der Verteilerbox 31 verlaufen und vorzugsweise als Leiterbahnen auf einer für hohe Stromspannungen ausgelegten Platine ausgebildet sind.
Über jeden der ersten Hochvoltanschlüsse 72.1, 72.2, 72.3 besteht eine elektrische Verbindung zu jeweils einer der Hochvoltbatterien 30 (1). Über einen zweiten Hochvoltanschluss 72.4 erfolgt die Spannungsversorgung des den Antriebsmotoren 15 vorgeschalteten Inverters 90.
Gemäß den 3 und 4 ist ein Schütz 95 in dem die ersten Hochvoltanschlüsse 72.1, 72.2, 72.3 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 72.4 verbindenden Pluspfad HV+ angeordnet. Das Schütz 95 sichert entweder die galvanische Verbindung oder die galvanische Trennung des Antriebsinverters 90. Das Schütz 95 schaltet bei Normalbetrieb lastlos, und unterbricht im Fall einer Störung den Stromdurchgang in dem Leitungsabschnitt 81.
An den von dem zweiten Hochvoltanschluss 72.4 zu dem Schütz 95 führenden Leitungsabschnitt 81 des Pluspfads HV+ ist eine Halbleiterbrücke 85 angeschlossen. Die Halbleiterbrücke 85 führt bis zu dem Minuspfad HV- und weist einen elektrischen Widerstand 84 und einen schaltbaren Halbleiter 86 auf, z. B. einen Transistor. Dabei sind der Widerstand 84 und der schaltbare Halbleiter 86 derart angeordnet, dass, ausgehend vom Pluspfad HV+, zunächst der elektrische Widerstand 84 und dann in Reihe dahinter der schaltbare Halbleiter 86 bzw. Transistor angeordnet ist. Der Widerstand 84 begrenzt im Entladeprozess den Entladestrom.
Zwischen dem Widerstand 84 und dem Halbleiter 86 ist an die Halbleiterbrücke 85 ein Bypass 100 angeschlossen. Der Bypass 100 führt zu dem Minuspfad HV- und in ihm sind in einer Reihenschaltung ein Gleichrichter 102 sowie ein Schütz 105 angeordnet. Der Gleichrichter 102 ist eine einen Stromfluss vom Minuspfad HV- zum Pluspfad HV+ sperrende Diode.
Anders als das Schütz 95 ist das weitere Schütz 105 als ein Öffnerschütz ausgebildet und daher dazu ausgebildet, bei seiner fehlenden Bestromung zu schließen mit der Folge, dass der Bypass 100 freigegeben wird. Der so durchgängig gewordene Bypass 100 bildet dann einen Entladeweg, über den das zwischen Pluspfad HV+ und Minuspfad HV- bestehende Spannungspotential sicher entladen werden kann.
Angeordnet sind die genannten elektrischen Bauteile und Komponenten des Hochvoltnetzes auf mindestens einer in der Verteilerbox 31 angeordneten Hochvoltplatine. Vorzugsweise auf der Hochvoltplatine ist ferner mindestens eine Niedervoltplatine verbaut. Die Niedervoltplatine nimmt zum Beispiel die Elemente der zentralen Kontroll- und Steuereinheit auf, außerdem können auf der Niedervoltplatine Komponenten eines CAN-Bus verbaut sind, wie z. B. ein CAN-Controller oder ein Microcontroller.
Gemäß 3 kann das Hochvoltnetz weitere Bypässe 110, 120 umfassen, die ebenfalls jeweils zwischen einem Widerstand und einem schaltbaren Halbleiter einer Halbleiterbrücke angeschlossen sind und alle zu dem Minuspfad HV- führen. In diesem Fall sind alle Bypässe 100, 110, 120 zumindest auf einem Abschnitt in einem gemeinsamen Strang zusammengeführt. In dem gemeinsamen Strang befindet sich das insoweit ebenfalls gemeinsame Öffnerschütz 105.
Bestandteil der Hochvoltversorgung der elektrischen Antriebe ist außerdem ein für Hochvoltbetrieb ausgelegter Kondensator 130. Der Kondensator 130 ist zwischen dem Plus- und dem Minuspfad des den Inverter 90 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 72.4 verbindenden Leitungsstrangs 131 angeschlossen, und befindet sich daher nicht in der Verteilerbox 31.
Die 4 zeigt, als Schaltungsdetail aus 3, Elemente eines Vorladeprozesses. In diesem Prozess erfolgt mittels eines Vorladekreises ein zeitlich gestrecktes Vorladen des Kondensators 130. Bestandteil des Vorladekreises ist ein Vorladebypass 140, der das Schütz 95 überbrückt bzw. umgeht. Das Schütz 95 selbst dient der Sicherstellung der galvanischen Verbindung bzw. der galvanischen Trennung des Antriebsinverters 90. Das Schütz 95 schaltet bei Normalbetrieb lastlos und trennt im Fall einer Störung den Durchgang.
Den Vorladebypass 140 bilden in Reihe angeordnet ein den Vorladestrom schaltender Schalttransistor 141, ein Relais oder Schütz 142, und mindestens ein Widerstand 143, beim Ausführungsbeispiel drei parallel geschaltete Widerstände 143. Die Widerstände 143 begrenzen den Vorladestrom.
Das Relais oder Schütz 142 dient der Sicherstellung der galvanischen Trennung des Vorladekreises. Es schaltet lastlos und ist dazu ausgebildet, zeitlich vor dem Schalttransistor 141 den Vorladebypass 140 zu schließen.
Innerhalb der Verteilerbox 31 ist außerdem eine Vorrichtung, vorzugsweise ein Voltmeter 137, zur Erfassung der Spannung an dem zweiten Hochvoltanschluss 72.4 angeordnet. Spannungswerte werden sowohl beim Vorladen als auch im Betrieb erfasst: Die Auswertung der Spannungswerte des Voltmeters 137 erfolgt in der zentralen Kontroll- und Steuereinheit.
Das Gehäuse 33 der Verteilerbox 31 ist durch einen Deckel 42 verschlossen ist, der von dem Gehäuse 33 abnehmbar oder gegenüber dem übrigen Gehäuse verschiebbar, schwenkbar oder aufstellbar ist. Die Verteilerbox 31 ist mit einer durch ein Lösen oder ein Bewegen des Deckels 42 aktivierbaren Sicherheitsschleife versehen, deren Aktivierung den schaltbaren Halbleiter 86 auf Durchgang schaltet.
Es folgt nun eine Beschreibung der Funktion:

Die Anforderungen für sämtliche Schaltbefehle und die Steuersignale für die elektronischen Komponenten kommen von der Kontroll- und Steuereinheit, die sich außerhalb der Verteilerbox im Fahrzeug befindet. Das Ausführen eines Befehls der Kontroll- und Steuereinheit wird mittels einer Statusmeldung an diese Einheit zurückgemeldet.

Das Vorladen (4) ist erforderlich, um starke elektrische Verbraucher mit dem Hochvoltsystem zu verbinden. Die durch die Kontroll- und Steuereinheit gesteuerten Schritte beim Vorladen sind:

Der Entladestromkreis ist geöffnet, d. h. es fließt kein Entladestrom. Das Schütz 95 ist ausgeschaltet.

Das Relais 142 und anschließend der Schalttransistor 141 werden eingeschaltet. Der dadurch freigegebene Vorladestrom fließt von der Batterie 30 über den Schalttransistor 141, das Relais 142, den Widerstand 143 und eine Sicherung 138 zum Inverter 90.
Infolgedessen lädt der Kondensator 130 auf. Der Ladeprozess wird anhand der Spannungssignale überwacht, die das Voltmeter 137 an die Kontroll- und Steuereinheit liefert.
Bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes des von dem Voltmeter 137 gelieferten Spannungssignals wird das Schütz 95 eingeschaltet und der Schalttransistor 141 und das Relais 142 abgeschaltet. Der Inverter 90 ist nun mit ausreichend Spannung versorgt und betriebsbereit.
Um eine elektrische Gefährdung und einen undefinierten Zustand der elektrischen Verbraucher auszuschließen, werden diese aktiv und kontrolliert entladen. Für das Entladen gibt es situationsabhängig zwei unterschiedliche Mechanismen, nämlich die reguläre, betriebsmäßige Entladung und die für außergewöhnliche Fälle vorgesehene Notentladung.
Die betriebsmäßige Entladung erfolgt entweder automatisch oder durch Betätigung eines Manual-Service-Disconnect (MSD). Zunächst wird, aufgrund der Steuerbefehle der Kontroll- und Steuereinheit, der Antriebsinverter 90 heruntergefahren. Die Relais 95 und 142 und der Schalttransistor 141 sind abgeschaltet. Der Halbleiter 86 wird eingeschaltet, wodurch der Entladestromkreis geschlossen ist. Entladestrom fließt vom Kondensator 130 über die Sicherung 138, den ohmschen Widerstand 84 und den schaltbaren Halbleiter 86 zum Minuspfad.
Überwacht wird der Entladeprozess anhand der Spannungssignale, die das Voltmeter 137 an die Kontroll- und Steuereinheit liefert. Beim Erreichen einer ausreichend geringen Entladespannung wird der Halbleiter 86 abgeschaltet, das Teilsystem ist entladen.
Anders als die betriebsmäßige Entladung ist die Notentladung ein Mechanismus, der automatisch im Fall eines vollständigen Wegfalls der Niedervolt-Steuerspannung ausgelöst wird, insbesondere bei einem akuten Funktionsausfall des Niedervoltnetzes. Fällt die Niedervolt-Steuerspannung und damit jegliche Steuerung durch die Kontroll- und Steuereinheit weg, werden zunächst selbsttätig alle Batterien 30 abgeschaltet. Das Hochvoltnetz jedoch steht weiterhin unter Starkstrom. Es muss daher, unabhängig vom Abschalten der Batterien 30, bis auf ungefährliche Spannungswerte heruntergefahren werden.
Im Fall der vollständigen Stromunterbrechung im Niedervoltnetz kommt es zu einer Stromunterbrechung auch an dem Schütz 105, welches als Öffnerschütz ausgebildet ist. Das Schütz 105 schließt den Entladekreis, wodurch Entladeströme von allen elektrischen Verbrauchern und Speicherelementen zum Minuspfad HV- strömen. Vom Kondensator 130 erfolgt ein Stromabfluss über die Sicherung 138, den Widerstand 84, den Gleichrichter 102 und das auf Durchgang geschaltete Schütz 105 zum Minuspfad.
Der dadurch erreichte Entladungszustand bleibt dauerhaft aufrechterhalten. Eine neue Initiierung des Systems ist erst im Rahmen einer Instandsetzung möglich.
Für die Notentladung umfasst das Hochvoltnetz noch die weiteren Bypässe 110, 120, die ebenfalls jeweils zwischen einem Widerstand und einem schaltbaren Halbleiter einer Halbleiterbrücke angeschlossen sind und zu dem Minuspfad HV- führen. Alle Bypässe 100, 110, 120 sind auf einem Teil ihrer Leitungsabschnitte in einem gemeinsamen, in 3 rechts wiedergegebenen Strang zusammengeführt. Das Schütz bzw. Öffnerschütz 105 ist in dem gemeinsamen Strang angeordnet und daher nur einmal vorhanden.
Bezugszeichenliste

10: Chassis
11: Vorderachse
12: Hinterachse
13: Fahrerkabine
13A: Rückwand Fahrerkabine
15: Antriebsmotor
16: Fahrzeugrad
17: Radnabe
19: Fahrzeugfederung
21: Längsträger
22: Längsträger
23: Innenseite
24: Außenseite
25: Oberseite
26: Unterseite
30: Batterie
31: Verteilerbox
33: Gehäuse
41: Boden
42: Deckel
43: Wand
44: Wand
46: Wand
47: Wand
48: Lasche
71: Niedervoltanschlüsse
72.1: Hochvoltanschluss zur Batterie
72.2: Hochvoltanschluss zur Batterie
72.3: Hochvoltanschluss zur Batterie
72.4: Hochvoltanschluss zum Inverter
80: Massekontakt
81: Leitungsabschnitt
84: Widerstand
85: Halbleiterbrücke
86: schaltbarer Halbleiter
90: Inverter, Antriebsinverter
95: Schütz
100: Bypass
102: Gleichrichter
105: Schütz
110: Bypass
120: Bypass
130: Kondensator
131: Leitungsstrang
137: Voltmeter
138: Sicherung
140: Vorladebypass
141: Schalttransistor
142: Relais, Schütz
143: Widerstand
A: Achse
HV-: Minuspfad im Hochvoltnetz
HV+: Pluspfad im Hochvoltnetz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012020019 A1 [0004]
DE 102019122726 A1 [0005]
DE 202014102609 U1 [0006]

Claims

Hochvoltversorgung für Antriebsmotoren (15) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer elektrische Komponenten der Hochvoltversorgung aufnehmenden Verteilerbox (31), mit aus einem geschlossenen Gehäuse (33) der Verteilerbox (31) herausführenden Hochvoltanschlüssen (72.1 - 72.4), die in elektrischer Verbindung mit innerhalb der Verteilerbox (31) verlaufenden Pluspfaden (HV+) und Minuspfaden (HV-) stehen, wobei über mindestens einen ersten Hochvoltanschluss (72.1, 72.2, 72.3) eine elektrische Verbindung zu einer Hochvoltbatterie (30) besteht und über einen zweiten Hochvoltanschluss (72.4) die Spannungsversorgung eines den Antriebsmotoren (15) vorgeschalteten Inverters (90) erfolgt, wobei in dem die ersten und zweiten Hochvoltanschlüsse verbindenden Pluspfad (HV+) ein Schütz (95) angeordnet ist, und wobei an den von dem zweiten Hochvoltanschluss (72.4) zu dem Schütz (95) führenden Leitungsabschnitt (81) des Pluspfads (HV+) eine Halbleiterbrücke (85) angeschlossen ist, die zu dem Minuspfad (HV-) führt und in Hintereinanderschaltung einen Widerstand (84) und einen schaltbaren Halbleiter (86) aufweist, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Widerstand (84) und dem schaltbaren Halbleiter (86) an die Halbleiterbrücke (85) angeschlossenen und zu dem Minuspfad (HV-) führenden Bypass (100), in dem in Reihe ein Gleichrichter (102) und ein weiteres Schütz (105) angeordnet sind, wobei das weitere Schütz als Öffnerschütz (105) dazu ausgebildet ist, ohne Schaltstrom zu schließen und dadurch den Bypass (100) als einen Entladeweg freizugeben.
Hochvoltversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verteilerbox (31) zusätzlich zu dem Hochvoltnetz ein Niedervoltnetz ausgebildet ist, wobei der Halbleiter (86), das Schütz (95) und das weitere Schütz (105) mittels der Niedervoltspannung schaltbar sind.
Hochvoltversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (102) eine Stromfluss vom Minuspfad (HV-) zum Pluspfad (HV+) sperrende Diode ist.
Hochvoltversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltnetz weitere Bypässe (110, 120) umfasst, die ebenfalls jeweils zwischen einem Widerstand und einem schaltbaren Halbleiter einer Halbleiterbrücke angeschlossen sind und zu dem Minuspfad (HV-) führen, wobei alle Bypässe (100, 110, 120) zumindest abschnittsweise in einem gemeinsamen Strang zusammengeführt sind, und das Öffnerschütz (105) in dem gemeinsamen Strang angeordnet ist.
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in der Verteilerbox (31) angeordnete Vorrichtung (131) zur Erfassung der Spannung an dem zweiten Hochvoltanschluss (72.4).
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteil der Hochvoltversorgung außerdem ein außerhalb der Verteilerbox (31) angeordneter Kondensator (130) ist, und dass der Kondensator (130) zwischen dem Plus- und dem Minuspfad eines den Inverter (90) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (72.4) verbindenden Leitungsstrangs (131) angeschlossen ist.
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteil der Hochvoltversorgung, für ein Vorladen des Kondensators (130), ein das Schütz (95) überbrückender Vorladebypass ist, und dass der Vorladebypass in Reihe angeordnet einen Schalttransistor (141), ein Relais oder Schütz (142) und mindestens einen Widerstand (143) umfasst.
Hochvoltversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais oder Schütz ausgebildet ist, zeitlich vor dem Schalttransistor den Vorladebypass zu schließen.
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltanschlüsse (72.1 - 72.4) aus einer in Fahrzeugrichtung rückwärtigen Wand (47) des Gehäuses (33) herausführen.
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (33) der Verteilerbox (31) durch einen Deckel (42) verschlossen ist, der von dem Gehäuse (33) abnehmbar oder gegenüber dem übrigen Gehäuse verschiebbar, schwenkbar oder aufstellbar ist, dass die Verteilerbox (31) mit einer durch ein Lösen oder ein Bewegen des Deckels (42) aktivierbaren Sicherheitsschleife versehen ist, deren Aktivierung den schaltbaren Halbleiter (86) auf Durchgang schaltet.
Hochvoltversorgung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine unter dem Deckel (42) angeordnete, das Innere der Verteilerbox (31) vollständig nach oben hin abdeckende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material.
Hochvoltversorgung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in der Verteilerbox (31) angeordnete Hochvoltplatine, auf der die elektrischen Bauteile des Hochvoltnetzes verbaut sind.
Hochvoltversorgung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hochvoltplatine mindestens eine Niedervoltplatine verbaut ist, auf der Komponenten eines CAN-Bus verbaut sind, wie z. B. ein CAN-Controller oder ein Microcontroller.