DE102022126639A1

DE102022126639A1 - Nottrennschaltung für hochspannungsbatterie, elektrisches system und kraftfahrzeug, das sie enthält

Info

Publication number: DE102022126639A1
Application number: DE102022126639.7A
Authority: DE
Inventors: Li-Pen Johne Ho; Calvin Goodman; Rajesh Nagappala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-10-12
Also published as: CN116923101A; US20230322088A1; US11858354B2

Abstract

Eine Nottrennschaltung zur Verwendung mit einem Hochspannungsbus (HV-Bus) eines batterieelektrischen Systems, z. B. an Bord eines mobilen Systems, enthält einen pyrotechnischen Schalter und einen manuellen Schalter. Der pyrotechnische Schalter ist dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal irreversibel zu öffnen, um eine HV-Batteriebaugruppe auf eine erste Weise von dem HV-Bus zu trennen. Der manuelle Schalter ist an einem Niederspannungsbus (LV-Bus) in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und eine LV-Leistungsversorgung geschaltet. Ein Übergang des manuellen Schalters aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position verbindet die LV-Leistungsversorgung mit dem pyrotechnischen Schalter. Dies veranlasst, dass die LV-Leistungsversorgung das Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter entlädt. Wenn sie an Bord eines mobilen Systems verwendet wird, erzeugt eine elektronische Überwachungseinheit das Auslösesignal in Ansprechen auf ein Schwellenwert-Stoßereignis auf eine zweite Weise.

Description

EINLEITUNG
Als Gleichstrom-Leistungsquellen an Bord eines weiten Bereichs von batterieelektrischen Systemen werden üblicherweise Mehrzellenbatterien verwendet. Zum Beispiel kann in einem Elektrofahrzeug eine Antriebsbatteriebaugruppe mit einer für die Anwendung geeigneten Anzahl zylindrischer Batteriezellen, prismatischer Batteriezellen oder Batteriezellen vom Pouch-Typ mit einer elektrischen Hochspannungslast verbunden sein. Die gemeinsame elektrische HV-Last kann einen oder mehrere Mehrphasen/Wechselstrom-Traktionselektromotoren, ein dazwischenliegendes Leistungsstromrichtermodul und einen Spannungsumsetzer enthalten, wobei der Letztere in dem Gebiet auch als ein Zusatzleistungsmodul bezeichnet wird. Mit einem Zusatzspannungsbus auf einer Seite des Spannungsumsetzers sind wiederum Niederspannungskomponenten wie etwa eine 12-Volt-Bleibatterie verbunden. Ebenso sind die verschiedenen Hochspannungskomponenten auf einer getrennten Hochspannungsbusseite davon mit dem Spannungsumsetzer verbunden.
Reine Elektrofahrzeuge, Hybridelektrofahrzeuge und andere mobile Systeme mit einem elektrifizierten Antriebsstrang können mit einem oder mehreren schnell wirkenden pyrotechnischen Schaltern ausgestattet sein, die in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal auf irreversible Weise sofort öffnen. Zu diesem Zweck kann ein mobiles System mit Sensoren ausgestattet sein, die dafür konfiguriert sind, das elektronische Auslösesignal, üblicherweise als ein Strom- oder Spannungssignal, auszugeben. Diese Aktion findet in Ansprechen auf die Detektion von Bedingungen, die Schwellenwert-Kollisions-/Stoßkräfte, z. B. gemessene Beschleunigungen, Verzögerungen und/oder g-Kräfte angeben, statt. Das strategische Positionieren eines oder mehrerer pyrotechnischer Schalter innerhalb der Schaltungsanordnung der Antriebsbatteriebaugruppe soll somit sicherstellen helfen, dass die Batteriebaugruppe in Ansprechen auf Ereignisse, die im Voraus definierte Beschleunigungs/Verzögerungs-Grenzwerte übersteigen, schnell von dem Hochspannungsbus trennt.
KURZDARSTELLUNG
Es wird hier eine Nottrennschaltung zur Verwendung mit einem batterieelektrischen Hochspannungssystem (batterieelektrischen HV-System), z. B. für ein reines Elektrofahrzeug, für ein Hybridelektrofahrzeug, für einen Roboter oder für ein anderes mobiles System, wie hier beispielhaft erläutert ist, offenbart. Die Nottrennschaltung, wie sie hier betrachtet ist, schafft eine manuelle Lösung, um sicherzustellen, dass eine HV-Antriebsbatteriebaugruppe des batterieelektrischen Systems nach einem Schwellenwert-Stoßereignis vollständig von dem HV-Bus getrennt worden ist. Wie in dem Gebiet gewürdigt werden wird, sind Kraftfahrzeuge mit modernen Konstruktionen üblicherweise mit mehreren entfaltbaren Airbags ausgestattet. Unter Verwendung einer Sensoreingabe von der Stoßdetektion von sensorgestützten Kollisionsüberwachungssensoren ähnlich jenen, die verwendet werden, um genau zu bestimmen, wann die Airbags aufgeblasen werden müssen, können pyrotechnischen Schalter, die in der oben erwähnten Antriebsbatteriebaugruppe angeordnet sind, automatisch ausgelöst werden, um einen leitfähigen Weg zwischen der Batteriebaugruppe und dem HV-Bus schnell zu trennen.
Vorteile der betrachteten Nottrennschaltung können in einem beispielhaften Verwendungsszenarium verwirklicht werden, das eine Gruppe von Ersthelfern umfasst. Während bestimmter Fahrzeugereignisse können Stoßkräfte, die auf das Fahrzeug wirken, durch einen Satz von Sensoren einer zugeordneten elektronische Überwachungseinheit (EMU) eines Bordsteuersystems registriert werden, wobei die EMU wiederum wie oben erwähnt den bzw. die pyrotechnischen Schalter auslöst. Wenn die EMU wie programmiert und beabsichtigt arbeitet, wird die Antriebsbatteriebaugruppe schnell von dem HV-Bus getrennt. Die vorliegende Hardwarelösung fügt zu der typischen EMU-Pyrotechnik-Schalterfunktion eine manuelle Steuerung hinzu und ermöglicht somit, dass in diesem beispielhaften Verwendungsfall Ersthelfer sicherstellen, dass die Batteriebaugruppe wie erwartet tatsächlich von dem HV-Bus getrennt worden ist.
Zu diesem Zweck enthält die Nottrennschaltung einen manuellen Schalter, der zwischen einer Niederspannungs-Leistungsversorgung (LV-Leistungsversorgung) und dem pyrotechnischen Schalter in Reihe geschaltet ist, wobei die LV-Leistungsversorgung gemäß verschiedenen Implementierungen möglicherweise eine Zusatz/12-Volt-Batterie, einen Kondensator und/oder eine externe Batterie enthält. Um einen Mechanismus zum manuellen Auslösen des pyrotechnischen Schalters bereitzustellen oder als eine Sicherungsvorgehensweise, um sicherzustellen, dass die EMU diese Aufgabe ausgeführt hat, ist der manuelle Schalter an einem zugänglichen Ort positioniert. Gleichfalls stellt die Nottrennschaltung unter Bedingungen, unter denen eigentlich nicht erwartet würde, dass die EMU den pyrotechnischen Schalter auslöst, immer noch einen Mechanismus bereit, durch den ein Ersthelfer, ein Zweithelfer oder ein Bergungshelfer wählen können, die HV-Batteriebaugruppe als eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme zu trennen, bevor sie verschiedene Aktionen ausführen.
Insbesondere enthält ein Aspekt der Offenbarung eine Nottrennschaltung für ein batterieelektrisches System mit einer HV-Batteriebaugruppe, die mit dem HV-Bus verbunden ist, und mit einer LV-Leistungsversorgung, die mit einem LV-Bus verbunden ist. Die Nottrennschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält einen pyrotechnischen Schalter und einen manuellen Schalter. Der pyrotechnische Schalter ist dafür konfiguriert, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal zu öffnen, um dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen. Der manuelle Schalter ist an dem LV-Bus in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und die LV-Leistungsversorgung geschaltet. Ein Übergang des manuellen Schalters aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position verbindet die LV-Leistungsversorgung mit dem pyrotechnischen Schalter und veranlasst dadurch, dass die LV-Leistungsversorgung das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter entlädt.
In einigen Konfigurationen ist zwischen der LV-Leistungsversorgung und dem manuellen Schalter eine Diode angeordnet.
Die LV-Leistungsversorgung kann eine 12-Volt-Zusatzbatterie eines mobilen Systems enthalten, wobei die HV-Batteriebaugruppe eine Antriebsbatteriebaugruppe des mobilen Systems ist. Gemäß einer derartigen Implementierung enthält die Nottrennschaltung eine EMU, die dafür betreibbar ist, ein Schwellenwert-Stoßereignis des mobilen Systems zu detektieren und das elektronische Auslösesignal in Ansprechen auf das Schwellenwert-Stoßereignis an den pyrotechnischen Schalter zu senden. Zu der 12-Volt-Zusatzbatterie kann ein Kondensator parallelgeschaltet sein, wobei der Kondensator dafür betreibbar ist, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn der manuelle Schalter in der geschlossenen Position ist.
Gemäß einigen Konfigurationen ist die Nottrennschaltung dafür konfiguriert, mit einer externen Batterie zu verbinden. Die externe Batterie ist dafür betreibbar, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn der manuelle Schalter in der geschlossenen Position ist.
Außerdem wird hier ein batterieelektrisches System zur Verwendung an Bord eines mobilen Systems offenbart. In einer möglichen Konstruktion enthält das batterieelektrische System eine LV-Leistungsversorgung, einen HV-Bus und eine HV-Batteriebaugruppe, die mit dem HV-Bus verbunden ist. Die HV-Batteriebaugruppe enthält den pyrotechnischen Schalter, der wiederum dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal zu öffnen, um dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen. Außerdem enthält das batterieelektrische System eine Nottrennschaltung, die mit dem pyrotechnischen Schalter verbunden ist und einen manuellen Schalter enthält. Der manuelle Schalter ist in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und die LV-Leistungsversorgung geschaltet und dafür konfiguriert, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn er aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position überführt wird. Gemäß dieser Ausführungsform enthält das batterieelektrische System eine EMU, die dafür betreibbar ist, das elektronische Auslösesignal in Ansprechen auf das Detektieren eines Schwellenwert-Stoßereignisses des mobilen Systems an den pyrotechnischen Schalter zu senden, wobei der pyrotechnischen Schalter dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf das elektronische Auslösesignal zu öffnen, um dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen.
Außerdem ist hier ein Kraftfahrzeug beschrieben. Eine repräsentative Ausführungsform des Kraftfahrzeugs enthält eine Fahrzeugkarosserie, eine 12-Volt-Batterie, die an einem LV-Bus positioniert ist, und eine HV-Antriebsbatteriebaugruppe, die an einem HV-Bus positioniert ist. Die HV-Antriebsbatteriebaugruppe enthält einen pyrotechnischen Schalter, der dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal zu aktivieren und dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen. Mit dem pyrotechnischen Schalter ist eine Nottrennschaltung verbunden, die einen manuellen Schalter, der an dem LV-Bus in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und die 12-Volt-Batterie geschaltet ist, enthält. Wenn der manuelle Schalter aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position überführt wird, verbindet er die 12-Volt-Batterie mit dem pyrotechnischen Schalter und veranlasst er dadurch, dass die 12-Volt-Batterie das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter entlädt.
Die EMU ist in dieser Konfiguration dafür betreibbar, in Ansprechen auf ein Schwellenwert-Stoßereignis des Kraftfahrzeugs das elektronische Auslösesignal zu erzeugen, wobei die EMU mehrere Inertialsensoren enthält, die dafür konfiguriert sind, ein Schwellenwert-Stoßereignis der Fahrzeugkarosserie zu detektieren und das elektronische Auslösesignal in Ansprechen auf das Schwellenwert-Stoßereignis an den pyrotechnischen Schalter zu senden.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und begleitende Vorteile dieser Offenbarung gehen leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Beispiele und Ausführungsarten der vorliegenden Offenbarung, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen und mit den angefügten Ansprüchen genommen wird, hervor. Darüber hinaus enthält diese Offenbarung explizit Kombinationen und Teilkombinationen der oben und im Folgenden dargestellten Elemente und Merkmale.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Patentschrift integriert sind und einen Bestandteil von ihr bilden, stellen Implementierungen der Offenbarung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Offenbarung; es zeigen:

1 ein beispielhaftes Kraftfahrzeug mit einem batterieelektrischen System, das mit einer Hochspannungs-Batteriebaugruppe (HV-Batteriebaugruppe) und mit einer wie hier dargestellt konstruierten Nottrennschaltung ausgestattet ist; und
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltungstopologie zum Implementieren der vorliegenden Lehren an Bord eines batterieelektrischen Fahrzeugs wie etwa des Kraftfahrzeugs aus 1.

Die beigefügten Zeichnungen sind nicht notwendig maßstabsgerecht und können eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hier offenbart ist, einschließlich z. B. spezifischer Dimensionen, Orientierungen, Orte und Formen, darstellen. Derartigen Merkmalen zugeordnete Einzelheiten werden teilweise durch die bestimmte beabsichtigte Anwendung und Verwendungsumgebung bestimmt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung lässt eine Ausführungsform in vielen verschiedenen Formen zu. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen gezeigt und hier ausführlich als nicht einschränkende Beispiele der offenbarten Prinzipien beschrieben. Zu diesem Zweck sollen Elemente und Beschränkungen, die z. B. in den Abschnitten Zusammenfassung, Einleitung, Kurzdarstellung und ausführliche Beschreibung beschrieben sind, aber nicht explizit in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht einzeln oder zusammen durch Implikation, Folgerung oder auf andere Weise in die Ansprüche aufgenommen sein.
Sofern dem nicht spezifisch widersprochen ist, enthält für die vorliegende Beschreibung die Verwendung des Singular den Plural und umgekehrt und sollen die Ausdrücke „und“ und „oder“ sowohl konjunktiv als auch disjunktiv sein, sollen die Wörter „enthaltend“, „beinhaltend“, „umfassend“, „aufweisend“ und dergleichen „ohne Beschränkung enthaltend“ bedeuten. Darüber hinaus können Wörter der Näherung wie etwa „etwa“, „fast“, „im Wesentlichen“, „allgemein“, „näherungsweise“ usw. hier in dem Sinn von „bei, nahe, oder nahezu bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder logischer Kombinationen davon verwendet sein.
Wie es verwendet ist, ist eine Komponente, die „dafür konfiguriert ist“, eine spezifizierte Funktion auszuführen, anstatt lediglich die Möglichkeit zu besitzen, die spezifizierte Funktion nach weiterer Änderung auszuführen, in der Lage, die spezifizierte Funktion ohne Änderung auszuführen. Mit anderen Worten, wenn die beschriebene Hardware explizit dafür konfiguriert ist, die spezifizierte Funktion auszuführen, ist sie speziell dafür ausgewählt, erzeugt, implementiert, genutzt, programmiert und/oder entworfen, die spezifizierte Funktion auszuführen.
Anhand der Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten auf gleiche Merkmale beziehen, zeigt 1 ein mobiles System 10 mit einem batterieelektrischen System 12. Das batterieelektrische System 12 enthält wiederum eine Hochspannungs-Batteriebaugruppe (HV-B_HV) 13 wie etwa eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriebaugruppen oder Baugruppen, die gemäß einer anderen für die Anwendung geeigneten Hochspannungsbatteriechemie konstruiert sind. Die HV-Batteriebaugruppe 13 ist mit einer Nottrennschaltung 14 ausgestattet, für die eine repräsentative Ausführungsform in 2 gezeigt ist. Die Nottrennschaltung 14, wie sie hier ausführlich beschrieben ist, ist dafür konfiguriert, die HV-Batteriebaugruppe 13 in Ansprechen auf die Detektion eines Schwellenwert-Stoßereignisses des oben zusammengefassten Typs, das angibt, dass das mobile System 10 mit einem anderen Objekt zusammengestoßen ist oder durch es gestoßen worden ist, schnell zu trennen. Die Trennung der HV-Batteriebaugruppe 13 findet unter derartigen Bedingungen über einen oder mehrere pyrotechnische Schalter 40 und den Betrieb einer elektronischen Überwachungseinheit 30 unter normalen Bedingungen automatisch statt. Zusätzlich enthält das batterieelektrische System 12 eine Nottrennschaltung 14 mit einer manuellen Trennschaltung 42, um Aktionen von Erst- oder Zweithelfern, Bergungsoperationen und dergleichen zu ermöglichen.
In der beispielhaften Konfiguration aus 1 ist das mobile System 10 als ein Kraftfahrzeug verkörpert, wobei das Kraftfahrzeug im Folgenden zur Veranschaulichungskonsistenz und Klarheit als das Kraftfahrzeug 10 bezeichnet ist. Das Kraftfahrzeug 10 enthält einen Innenraum 11 sowie eine Fahrzeugkarosserie 100 und Straßenräder 18, die damit verbunden sind. Gemäß einigen Ausführungsformen enthält das Kraftfahrzeug 100 eine herausdrückbare Platte 100P, deren Funktion im Folgenden anhand von 2 beschrieben ist. Gemäß der nicht einschränkenden Ausführungsform aus 1 ist das batterieelektrische System 12 dafür betreibbar, über einen oder mehrere Traktionselektromotoren (M_E) 16 ein Motorausgangsdrehmoment (Pfeil To) zu erzeugen und das Motorausgangsdrehmoment (Pfeil To) an eine gekoppelte Last (L) 180 zu liefern. Gemäß der repräsentativen Ausführungsform aus 1 enthält eine derartige Last 180 die Straßenräder 18 und ein oder mehrere Ausgangselemente 160, die die Last 180 drehbar mit dem einen bzw. den mehreren Traktionselektromotoren 16 verbinden.
Gemäß einer typischen Ausführungsform kann der schematisch in 1 gezeigte Traktionselektromotor 16 als eine rotierende Mehrphasen/Wechselstrom-Elektromaschine (AC-Elektromaschine) verkörpert sein. Dementsprechend kann elektrische Leistung, die notwendig ist, um einzelne Phasenwicklungen 17 des Traktionselektromotors 16 unter Strom zu setzen, durch ein Leistungsstromrichtermodul (PIM) 19 bereitgestellt werden, das selbst über einen Hochspannungs-Gleichstrom-Bus (HV-DC-Bus) 20 mit einer positiven (+) und einer negativen (-) Spannungsschiene mit der Antriebsbatteriebaugruppe 13 elektrisch verbunden ist. Wie in dem Gebiet gewürdigt werden wird, findet der Betrieb des PIM 19 über interne Halbleiterschaltung, üblicherweise z. B. unter Verwendung von Pulsbreite- oder Pulsdichtemodulationstechniken, statt. Eine schnelle Schaltsteuerung von IGBTs oder anderen geeignet konstruierten Halbleiterschaltern (nicht gezeigt), die in dem PIM 19 aufgenommen sind, wandelt eine DC-Spannung von der HV-Batteriebaugruppe 13, die in diesem Fall als eine Antriebsbatteriebaugruppe arbeitet, in eine Mehrphasen/AC-Spannungs-Signalform um, die geeignet ist, die Phasenwicklungen 17 des Traktionselektromotors 16 unter Strom zu setzen, wenn die Straßenräder 18 mit Leistung versorgt werden.
Im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung enthält das batterieelektrische System 12 aus 1 zusätzlich elektrische Komponenten, von denen einige in 1 gezeigt sind und von denen andere zur Veranschaulichungsklarheit weggelassen sind. Zum Beispiel kann mit dem HV-Bus 20 ein Zusatzleistungsmodul (APM) 22 verbunden sein. Das APM 22 ist als ein DC-DC-Spannungsumsetzer konfiguriert, der gemäß der dargestellten Ausführungsform dafür betreibbar ist, von dem HV-Bus 20 eine Eingangsspannung auf einem Hochspannungspegel, z. B. 300 Volt bis 400 Volt oder mehr, zu empfangen und eine niedrigere Zusatzspannung von 12 Volt auszugeben. Mit dem APM 22 ist über einen LV-Bus 120 eine Zusatzbatterie (B_AUX) 24, hier auch als eine Niederspannung-Leistungsversorgung (LV-Leistungsversorgung) 24 bezeichnet, verbunden, sodass das APM 22 verwendet werden kann, um nach Bedarf einen Ladepegel der Zusatzbatterie 24 aufrechtzuerhalten. Wenn die Zusatzbatterie 24 in der beispielhaften Ausführungsform aus 1 eine 12-Volt-Bleibatterie ist, bezieht sich der Begriff „Niederspannung“, wie er hier verwendet ist, auf den Pegel von 12 Volt, wobei sich „Hochspannung“ in einer möglichen Implementierung auf Spannungspegel über den Zusatzpegeln oder mit einem Nennwert von 300 Volt oder mehr bezieht.
Als Teil des batterieelektrischen Systems 12 kann außerdem eine elektronische Steuereinheit (ECU) 50 verwendet sein. Die in 1 schematisch gezeigte ECU 50 kann als ein oder mehrere Computer oder Computerknoten, der bzw. die auf Eingangssignale (der Pfeil CC_I) ansprechen, verkörpert sein, wobei wenigstens einige der Eingangssignale (der Pfeil CC_I) gemessene dynamische oder Trägheitskräfte an dem Kraftfahrzeug 10 wie etwa Beschleunigung oder Verzögerung, Nick-, Wank- und/oder Gierrate, Reisegeschwindigkeit usw. sind.
Die oben erwähnte EMU 30, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine residente Komponente der ECU 50 oder einteilig mit dem pyrotechnischen Schalter 40 sein kann, spricht auf Kräfte, die einen kalibrierten Schwellenwert übersteigen, durch Senden eines elektronischen Auslösesignals (Pfeil T₄₀) an den pyrotechnischen Schalter 40 an. Wie in dem Gebiet gewürdigt werden wird, sind pyrotechnische Schalter, Sicherungen und andere pyrotechnische Vorrichtungen der hier betrachteten Typen dafür konfiguriert, irreversibel auszufallen, wenn sie durch ein LV-Strom- oder LV-Spannungssignal, d. h. durch das elektronische Auslösesignal (Pfeil T₄₀), aktiviert werden. Im Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung wird durch den Betrieb der manuellen Trennschaltung 42 ebenfalls wahlweise ein elektronisches Auslösesignal (Pfeil T₄₀*) an den pyrotechnischen Schalter 40 entladen. Die Aktivierung des pyrotechnischen Schalters 40 erzeugt auf dem HV-Bus 20 wie etwa durch Trennen eines oder mehrerer dazwischenliegender Übertragungsleiter eine sofortige Bedingung eines offenen Stromkreises und trennt dadurch wirksam die HV-Batteriebaugruppe 13 von dem HV-Bus 20. Mit anderen Worten, der pyrotechnischen Schalter 40 ist kein rücksetzbarer Schalter, sondern soll vielmehr ersetzt werden, nachdem er gezündet, explodiert oder auf andere Weise pyrotechnisch ausgelöst worden ist.
Bestimmte programmierte Steuerfunktionen der ECU 50, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegen, können z. B. Antriebsbetriebsart-Steueraktionen, thermisches Management des batterieelektrischen Systems 12, Batterie-Lade/Entlade-Steueraktionen über ein entsprechendes Batteriesteuersignal (Pfeil CC₁₃) usw. enthalten. Somit können z. B. die Eingangssignale (der Pfeil CC_I) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen über die oben erwähnten Kraftmessungen, die zum Informieren der EMU 30 verwendet werden, hinausgehen. Um diese und andere programmierte Funktionen auszuführen, enthält die ECU 50 anwendungsspezifische Mengen des Speichers (M) 52 und einen oder mehrere Prozessoren (P) 54, z. B. Mikroprozessoren, Zentraleinheiten oder anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) sowie andere zugeordnete Hardware und Software, z. B. einen digitalen Taktgeber oder Zeitgeber, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen 56, Pufferschaltungen usw. Der Speicher 52 kann ausreichende Mengen Nur-Lese-Speicher, z. B. magnetischen oder optischen Speicher, enthalten. Die Signalübertragung kann gemäß den verschiedenen Ausführungsformen über physikalische Übertragungsleiter wie etwa Kupferverdrahtung oder gemäß anderen Ausführungsformen drahtlos stattfinden.
Anhand von 2 ermöglicht die Nottrennschaltung 14 die wahlweise manuelle Trennung der HV-Batteriegruppe 13 aus 1 über die manuelle Trennschaltung 42. Eine derartige Option würde Bemühungen der Notfallpannenhilfe wie etwa dadurch, dass sie Ersthelfer, Zweithelfer oder Bergungsgruppen vor versehentlichem Kontakt mit dem HV-Bus 20 schützt, wenn der HV-Bus 20 unter Strom bleibt, nutzen. Die manuelle Trennschaltung 42 arbeitet getrennt von dem üblichen automatischen Auslösen des pyrotechnischen Schalters (PS) 40. Das heißt, durch die EMU 30 werden unter Verwendung des Satzes von Inertialsensoren 130 wie etwa eines Geschwindigkeitssensors, der zum Messen der Reisegeschwindigkeit betreibbar ist, und eines oder mehrere Beschleunigungsmesser, die zum Messen der Nick-, Wank- und Rollrate, der Querbeschleunigung, der Lage usw. betreibbar sind, Schwellenwert-Kraftereignisse oder Schwellenwert-Stoßereignisse detektiert. Wie in dem Gebiet gewürdigt werden wird, spricht die EMU 30 durch Ausgeben des elektronischen Auslösesignals T₄₀ an den pyrotechnischen Schalter 40 als ein kleines Strom- oder Spannungssignal an. Obwohl die EMU 30 zur Veranschaulichungsklarheit als Teil der ECU 50 aus 1 gezeigt ist, kann sie optional als ein Mikrochip oder Mikroprozessor verkörpert sein, der gemäß einer möglichen Implementierung mit dem pyrotechnischen Schalter 40 ortsgleich oder einteilig ist. Wie in dem Gebiet gewürdigt werden wird, veranlasst die Ankunft des elektronischen Auslösesignals T₄₀ bei dem pyrotechnischen Schalter 40 eine interne pyrotechnisch aktivierte Zerstörung, z. B. über Miniatursprengladungen. Im Ergebnis werden Übertragungsleiter zwischen dem HV-Bus 20 und der HV-Batteriebaugruppe 13 schnell und irreversibel getrennt, was somit die nahezu sofortige Trennung der HV-Batteriebaugruppe 13 veranlasst.
Obwohl die Aufnahme des pyrotechnischen Schalters 40 in die Nottrennschaltung 14 aus 2, wie oben erwähnt wurde, eine automatische und schnelle Trennung der HV-Batteriebaugruppe 13 sicherstellen hilft, kann ein gegebenes Stoßereignis keine ausreichende Größe zum Auslösen des pyrotechnischen Schalters 40 aufweisen. Alternativ könnte das detektierte Stoßereignis zu der Auslösung des pyrotechnischen Schalters 40 führen und zur Trennung der HV-Batteriebaugruppe 13 führen. Allerdings könnte ein Helfer ohne weitere Tests nicht in der Lage sein, schnell zu unterscheiden, ob der pyrotechnischen Schalter 40 und die EMU 30 wie erwartet gearbeitet haben, und dass die HV-Batteriebaugruppe 13 nicht mehr mit dem HV-Bus 20 verbunden bleibt. Somit bietet die manuelle Trennschaltung 42 aus 2 eine weitere zuverlässige Art und Weise, um sicherzustellen, dass der pyrotechnischen Schalter 40 tatsächlich auf die erwartete Weise ausgelöst hat.
Zu diesem Zweck kann die manuelle Trennschaltung 42 ein Schaltergehäuse 420 enthalten, in dem ein manueller Schalter 45 positioniert ist. Gemäß einigen Implementierungen kann das Schaltergehäuse 420 ein Aluminiumbehälter, ein Kunststoffbehälter oder ein anderer leichter wettergeschützter Behälter sein, wobei über einen entsprechenden elektrischen Verbinder 60A und 60B externe elektrische Verbindungen zu der Zusatzbatterie 24 und zu dem pyrotechnischen Schalter 40 bereitgestellt sind. Obwohl der manuelle Schalter 45 in 2 zur Veranschaulichungseinfachheit schematisch gezeigt ist, kann er in einer tatsächlichen Implementierung als ein zweistufiger Schalter, z. B. als ein Zug-Druck- oder als ein Zug-Dreh-Mechanismus, verkörpert sein. Eine derartige Konfiguration würde Möglichkeiten zum versehentlichen Schließen des manuellen Schalters 45, z. B. während Routinewartungsoperationen, minimieren helfen. Auf ähnliche Weise könnte die optionale herausdrückbare Platte 100P aus 1 verwendet werden, um den manuellen Schalter 45 vor der Alltagsansicht zu verbergen und somit versehentlichen Zugriff zu verhindern.
Gemäß einem beispielhaften Verwendungsszenarium kann ein Ersthelfer bei der Szene eines Ereignisses ankommen, in dem der Ersthelfer mit einem hohen Grad an Vertrauen sicherstellen möchte, dass die HV-Batteriebaugruppe 13 von dem HV-Bus 30 getrennt worden ist. Um dieses Ergebnis sicherzustellen, kann der Ersthelfer, z. B. durch Entfernen der optionalen herausdrückbaren Platte 100P, den manuellen Schalter 45 ermitteln. Daraufhin kann der Ersthelfer den manuellen Schalter 45 schließen. Wie gewürdigt werden wird, bildet der manuelle Schalter 45 zwischen der Zusatzbatterie 24 und dem pyrotechnischen Schalter 40 einen offenen Stromkreis, sodass der pyrotechnischen Schalter 40 allein durch normalen Betrieb der EMU 30 aktivierbar ist, wenn der manuelle Schalter 45 in einer geöffneten Position, d. h. in der bestimmten in 2 gezeigten Position, ist.
Allerdings verbindet der Schließen des manuellen Schalters 45 die Zusatzbatterie 24 mit dem pyrotechnischen Schalter 40, wodurch das elektronische Auslösesignal T₄₀* an den pyrotechnischen Schalter 40 entladen wird. Diese Aktion veranlasst wiederum, dass der pyrotechnischen Schalter 40 sofort ausfällt, wodurch die HV-Batteriebaugruppe 13 aus 1 auf derselben Weise wie durch das elektronische Auslösesignal T₄₀ von der EMU 30 von dem HV-Bus 20 getrennt wird. Im Fall eines detektierten Kraftereignisses, das zu einer früheren Aktivierung des pyrotechnischen Schalters 40 geführt hat, wie etwa durch Störung der EMU 30, hat die nachfolgende Verwendung des manuellen Schalters 45 keine Wirkung. In diesem Fall sieht das elektronische Auslösesignal T₄₀* einfach einen offenen Stromkreis. In dem unwahrscheinlichen Fall, dass der pyrotechnischen Schalter 40 in Ansprechen auf das elektronische Auslösesignal T₄₀ von der EMU 30 nicht aktivieren sollte, löst die nachfolgende Verwendung des manuellen Schalters 45 den pyrotechnischen Schalter 40 aus und führt somit zu der schnellen Trennung der HV-Batteriebaugruppe 13.
Weiter anhand von 2 kann zwischen der Zusatzbatterie 24 oder einer anderen Hauptzusatzleistungsversorgung und dem manuellen Schalter 45 eine Diode D1 angeordnet sein. Die Diode D1 kann so vorgespannt sein, dass sie ein versehentliches Zurückfließen eines elektrischen Stroms zu der Zusatzbatterie 24 verhindert. Gleichzeitig kann zu der Zusatzbatterie 24 ein Kondensator C1 parallelgeschaltet sein, um die vorübergehende Speicherung einer Kondensatorspannung Vc zu ermöglichen. Falls die Zusatzbatterie 24 während des oben erwähnten Stoßereignisses aus irgendeinem Grund getrennt oder funktionsunfähig wird, bleibt die Kondensatorspannung Vc für eine kurze Zeitdauer verfügbar. In einem derartigen Fall, d. h., wenn die Kondensatorspannung Vc verfügbar ist, würde die Betätigung des manuellen Schalters 45 somit weiterhin, in diesem Fall wegen Entladung des elektronischen Auslösesignal T₄₀* an den pyrotechnischen Schalter 40, zur Aktivierung des pyrotechnischen Schalters führen.
Gemäß einer möglichen Konfiguration kann das Schaltergehäuse 420 mit einem weiteren elektrischen Verbinder 60C ausgestattet sein. Falls ein Helfer entdecken sollte, dass die Zusatzbatterie 24 erschöpft ist oder funktionsunfähig gemacht worden ist und dass der Kondensator C1 gleichfalls erschöpft oder beschädigt ist, ermöglicht die Existenz des elektrischen Verbinders 60C, dass der Helfer mit der manuelle Trennschaltung 42 schnell eine externe Batterie (B_EXT) 124 verbindet. Wenn die externe Batterie 124 über den elektrischen Verbinder 60C, z. B. eine einfache Einsteck-Anschluss-Anschluss-Verbindung, verbunden worden ist, kann der manuelle Schalter 45 in der oben beschriebenen Weise geschlossen werden, um den pyrotechnischen Schalter 40 auszulösen. In diesem Fall wird das elektronische Auslösesignal T₄₀* über einen weiteren elektrischen Verbinder 60D durch die externe Batterie 124 an den pyrotechnischen Schalter 40 entladen. Somit ist die externe Batterie 124 zum Entladen des elektronischen Auslösesignals T₄₀* an den pyrotechnischen Schalter 40 betreibbar, wenn der manuelle Schalter 45 in die geschlossene Position überführt wird.
Gemäß einer möglichen Implementierung kann die Nottrennschaltung 14 aus 2 mit einer Leuchtdiode (LED) D2 ausgestattet sein. Die optionale LED D2 ist zu dem LV-Bus 120 parallelgeschaltet und unterstromig des manuellen Schalters 45 verbunden. In einer derartigen Position würde das elektronische Auslösesignal T₄₀*, das durch die LED D2 geht, veranlassen, dass die LED D2 leuchtet, sodass die LED D2 dafür betreibbar ist anzugeben, ob der manuelle Schalter 45 in der geschlossenen Position ist, wobei elektrische Leistung durch ihn fließt. Die LED D2 kann benachbart zu dem manuellen Schalter 45 oder an einem anderen leicht sichtbaren Ort positioniert sein. Eine solche Parallelschaltung wäre gegenüber einer Reihenschaltung vorteilhaft, da die Letztere nicht aufleuchten würde, falls der pyrotechnischen Schalter bereits eingesetzt oder aktiviert worden ist und somit einen offenen Stromkreis gebildet hat.
Die Verwirklichung der verschiedenen Vorteile der vorliegenden Lehren würde durch strategische Platzierung der Nottrennschaltung 14 an einem leicht zugänglichen Ort an Bord des Kraftfahrzeugs 10 aus 1 erleichtert. In Abhängigkeit von der Konstruktion des Kraftfahrzeugs 10 kann die Nottrennschaltung 14 und insbesondere das Schaltergehäuse 420 z. B. hinter der wie oben erwähnten herausdrückbaren Platte 100P an der Fahrzeugkarosserie 100 aus 1 positioniert sein. Eine derartige herausdrückbare Platte 100P kann Teil einer Außenoberfläche der Fahrzeugkarosserie 100, z. B. unter der Motorhaube oder dem Kofferraumdeckel oder an einem anderen geeigneten Ort, sein. Auf diese Weise kann eine ankommende Helfergruppe die herausdrückbare Platte 100P vorsichtig entfernen, um den manuellen Schalter 45 freizulegen, den manuellen Schalter 45 in Übereinstimmung mit seiner vorgegebenen Schließfolge schließen und danach Insassen, die in dem Innenraum 11 sitzen, zu helfen beginnen und/oder an dem Kraftfahrzeug 10 Rettungs- oder Bergungsoperationen ausführen.
Wie der Fachmann auf dem Gebiet angesichts dieser Offenbarung würdigen wird, bieten die oben dargelegten Lösungen nach Ereignissen, in denen normalerweise erwartet würde, dass der pyrotechnische Schalter 40 aktiviert wird, sowie in Fällen, in denen es erwünscht wäre, die Trennung der HV-Batteriegruppe 13 aus 1 von dem HB-Bus 20 sicherzustellen, einen verbesserten Schutz vor HV-Gefährdungen. Obwohl Ersthelfer wie etwa Polizei, Feuerwehr und Bergungspersonal, Sanitäter und dergleichen von der Implementierung der vorliegenden Lehren direkt profitieren, profitieren Zweithelfer wie etwa Abschleppdienstbetreiber, Reparaturpersonal und Entsorgungspersonal gleichfalls von der bereitgestellten Nottrennschaltung 14. Zusätzlich stellt die Fähigkeit zum Verbinden verschiedener Leistungsversorgungen mit dem pyrotechnischen Schalter 40 über die dazwischenliegende manuelle Trennschaltung 42 eine zuverlässigere Lösung sicher, falls die Zusatzbatterie 24 erschöpft, getrennt oder auf andere Weise nicht verfügbar ist. Diese und andere begleitende Vorteile gehen für den Fachmann auf dem Gebiet der vorstehenden Offenbarung leicht hervor.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren dienen zur Unterstützung und Beschreibung der vorliegenden Lehren, wobei der Schutzumfang der vorliegenden Lehren aber allein durch die Ansprüche definiert ist. Obwohl einige der besten Ausführungsarten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der Lehren ausführlich beschrieben worden sind, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen, um die in den beigefügten Ansprüchen definierten vorliegenden Lehren zu verwirklichen. Darüber hinaus enthält diese Offenbarung explizit Kombinationen und Teilkombinationen der oben und im Folgenden dargestellten Elemente und Merkmale.

Claims

Nottrennschaltung für ein batterieelektrisches System mit einem Hochspannungsbus (HV-Bus), einem Niederspannungsbus (LV-Bus), einer HV-Batteriebaugruppe, die mit dem HV-Bus verbunden ist, und mit einer LV-Leistungsversorgung, die mit dem LV-Bus verbunden ist, wobei die Nottrennschaltung umfasst: einen pyrotechnischen Schalter, der dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal zu aktivieren, um dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen; und einen manuellen Schalter, der an dem LV-Bus in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und die LV-Leistungsversorgung geschaltet ist, wobei ein Übergang des manuellen Schalters aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position die LV-Leistungsversorgung mit dem pyrotechnischen Schalter verbindet und dadurch veranlasst, dass die LV-Leistungsversorgung das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter entlädt.
Nottrennschaltung nach Anspruch 1, wobei die LV-Leistungsversorgung eine 12-Volt-Zusatzbatterie enthält, wobei sie ferner eine Diode umfasst, die zwischen der 12-Volt-Zusatzbatterie und dem manuellen Schalter angeordnet ist.
Nottrennschaltung nach Anspruch 2, wobei die HV-Batteriebaugruppe eine Antriebsbatteriebaugruppe eines mobilen Systems ist.
Nottrennschaltung nach Anspruch 3, wobei die Nottrennschaltung eine elektronische Überwachungseinheit (EMU) enthält, die zum Detektieren eines Schwellenwert-Stoßereignisses des mobilen Systems und zum Senden des elektronischen Auslösesignals an den pyrotechnischen Schalter in Ansprechen auf das Detektieren des Schwellenwert-Stoßereignisses betreibbar ist.
Nottrennschaltung nach Anspruch 3, die ferner einen Kondensator umfasst, der zu der 12-Volt-Zusatzbatterie parallelgeschaltet ist, wobei der Kondensator zum Entladen des elektronischen Auslösesignals an den pyrotechnischen Schalter betreibbar ist, wenn der manuelle Schalter in der geschlossenen Position ist.
Nottrennschaltung nach Anspruch 1, wobei die Nottrennschaltung dafür konfiguriert ist, mit einer externen Batterie zu verbinden, sodass die externe Batterie dafür konfiguriert ist, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn der manuelle Schalter in der geschlossenen Position ist.
Kraftfahrzeug, das umfasst: eine Fahrzeugkarosserie; eine 12-Volt-Batterie, die an einem Niederspannungsbus (LV-Bus) positioniert ist; eine Hochspannungs-Antriebsbatteriebaugruppe (HV-Antriebsbatteriebaugruppe), die an einem HV-Bus positioniert ist und einen pyrotechnischen Schalter aufweist, der dafür konfiguriert ist, in Ansprechen auf ein elektronisches Auslösesignal zu aktivieren und dadurch die HV-Batteriebaugruppe von dem HV-Bus zu trennen; eine Nottrennschaltung, die mit dem pyrotechnischen Schalter verbunden ist, die einen manuellen Schalter, der an dem LV-Bus in Reihe mit und zwischen den pyrotechnischen Schalter und die 12-Volt-Batterie geschaltet ist, enthält, wobei der manuelle Schalter, wenn er aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position überführt wird, die 12-Volt-Batterie mit dem pyrotechnischen Schalter verbindet und dadurch veranlasst, dass die 12-Volt-Batterie das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter entlädt; und eine elektronische Überwachungseinheit (EMU), die dafür betreibbar ist, in Ansprechen auf ein Schwellenwert-Stoßereignis des Kraftfahrzeugs das elektronische Auslösesignal zu erzeugen, wobei die EMU einen Satz von Inertialsensoren enthält, die dafür konfiguriert sind, ein Schwellenwert-Stoßereignis der Fahrzeugkarosserie zu detektieren und das elektronische Auslösesignal in Ansprechen auf das Schwellenwert-Stoßereignis an den pyrotechnischen Schalter zu senden.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Nottrennschaltung eine Diode, die in Reihe mit und zwischen die 12-Volt-Batterie und den manuellen Schalter geschaltet ist, und einen Kondensator, der zu der 12-Volt-Batterie parallelgeschaltet ist, enthält, wobei der Kondensator dafür betreibbar ist, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn der manuelle Schalter in die geschlossene Position überführt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Nottrennschaltung dafür konfiguriert ist, mit einer externen Batterie zu verbinden, und wobei die externe Batterie dafür betreibbar ist, das elektronische Auslösesignal an den pyrotechnischen Schalter zu entladen, wenn der manuelle Schalter in die geschlossene Position überführt wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Nottrennschaltung eine Leuchtdiode (LED) enthält, die unterstromig des manuellen Schalters mit dem LV-Bus verbunden ist und dafür betreibbar ist anzugeben, ob der manuelle Schalter in der geschlossenen Position ist, wobei Leistung dadurch fließt.