DE102022205450B3 - Contactor arrangement for a traction network and traction network of an electric vehicle - Google Patents

Contactor arrangement for a traction network and traction network of an electric vehicle Download PDF

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Aaron Breitkopf
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schützanordnung (10) für ein Traktionsnetz (100) eines Elektrofahrzeugs, wobei die Schützanordnung (10) ein erstes Schütz (1) zwischen einem ersten feststehenden Kontakt (A) und einem vierten feststehenden Kontakt (D), ein zweites Schütz (2) zwischen dem ersten feststehenden Kontakt (A) und einem zweiten feststehenden Kontakt (B), ein drittes Schütz (3) zwischen dem vierten feststehenden Kontakt (D) und einem dritten feststehenden Kontakt (C), ein viertes Schütz (2v) mit mindestens einem Vorladewiderstand (RV) zwischen dem ersten feststehenden Kontakt (A) und dem zweiten feststehenden Kontakt (B) und ein fünftes Schütz (3v) mit mindestens einem Vorladewiderstand zwischen dem vierten feststehenden Kontakt (D) und dem dritten feststehenden Kontakt (C) aufweist, wobei die Schützanordnung (10) als ein Rotationsschütz (30) mit einem Antrieb (31) ausgebildet ist, sowie ein Traktionsnetz (100) mit einer solchen Schützanordnung (10).The invention relates to a contactor arrangement (10) for a traction network (100) of an electric vehicle, wherein the contactor arrangement (10) has a first contactor (1) between a first fixed contact (A) and a fourth fixed contact (D), a second contactor ( 2) between the first fixed contact (A) and a second fixed contact (B), a third contactor (3) between the fourth fixed contact (D) and a third fixed contact (C), a fourth contactor (2v) with at least a precharging resistor (RV) between the first fixed contact (A) and the second fixed contact (B) and a fifth contactor (3v) with at least one precharging resistor between the fourth fixed contact (D) and the third fixed contact (C), wherein the contactor arrangement (10) is designed as a rotary contactor (30) with a drive (31), and a traction network (100) with such a contactor arrangement (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schützanordnung für ein Traktionsnetz und ein Traktionsnetz für ein Elektrofahrzeug.The invention relates to a contactor arrangement for a traction network and a traction network for an electric vehicle.

Traktionsnetze für Elektrofahrzeuge dienen dazu, mittels elektrischer Energie eine Elektromaschine für den Antrieb anzusteuern. Dabei wird eine Gleichspannung mittels mindestens eines Wechselrichters in eine Wechselspannung für die Elektromaschine gewandelt bzw. umgekehrt eine induzierte Wechselspannung beim rekuperativen Bremsen in eine Gleichspannung gewandelt, mittels derer dann eine Batterieeinheit geladen werden kann. Die Nennspannung einer solchen Batterieeinheit liegt typischerweise zwischen 400 - 800 V. Dabei wird eine höhere Spannungslage bevorzugt, da dadurch die benötigten Ströme bei gleicher Leistung reduziert werden können. Andererseits erhöhen sich die Anforderungen an die verwendeten Bauelemente.Traction networks for electric vehicles are used to control an electric machine for propulsion using electrical energy. A direct voltage is converted into an alternating voltage for the electric machine using at least one inverter or, conversely, an induced alternating voltage during regenerative braking is converted into a direct voltage, which can then be used to charge a battery unit. The nominal voltage of such a battery unit is typically between 400 - 800 V. A higher voltage level is preferred because this allows the required currents to be reduced with the same power. On the other hand, the requirements for the components used are increasing.

Dabei sind Traktionsnetze vorgeschlagen worden, die zwei Batterieeinheiten gleicher Nennspannung aufweisen, die mittels einer Schützanordnung wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Die Umschaltbarkeit kann aus verschiedenen Gründen motiviert sein, beispielsweise um flexibler an Ladestationen mit 400 V oder 800 V laden zu können. Eine andere Motivation ist es, beispielsweise im Fahrbetrieb mit 400 V zu arbeiten und nur zum Schnellladen in Reihe auf 800 V umzuschalten. Ein solches Traktionsnetz bzw. eine solche Schützanordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2020 117 681 A1 bekannt.Traction networks have been proposed which have two battery units of the same nominal voltage, which can be connected either in parallel or in series using a contactor arrangement. The switchability can be motivated for various reasons, for example to be able to charge more flexibly at charging stations with 400 V or 800 V. Another motivation is, for example, to work at 400 V while driving and only switch to 800 V in series for quick charging. Such a traction network or such a contactor arrangement is, for example, from DE 10 2020 117 681 A1 known.

Zur Vermeidung großer Ausgleichsströme beim Parallelschalten aufgrund abweichender Spannungslagen werden die beiden Batterieeinheiten zunächst über Vorladerelais miteinander verbunden, bevor diese dann anschließend über die Hauptschütze vollständig parallel geschaltet werden. Dem Vorladerelais oder auch Vorladeschütz ist dabei mindestens ein Vorladewiderstand in Reihe geschaltet Somit benötigt man insgesamt fünf Schütze für eine solche wahlweise Umschaltung zwischen Reihen- und Parallelschaltung der beiden Batterieeinheiten. Bei einem Relais oder Schütz erfolgt das Öffnen und Schließen typischerweise durch eine lineare Hubbewegung einer beweglichen Kontaktbrücke.To avoid large compensating currents when connecting in parallel due to different voltage levels, the two battery units are first connected to each other via pre-charging relays before they are then completely connected in parallel via the main contactors. At least one pre-charging resistor is connected in series with the pre-charging relay or pre-charging contactor. This means that a total of five contactors are required for such an optional switch between series and parallel connection of the two battery units. With a relay or contactor, opening and closing typically occurs through a linear stroke movement of a movable contact bridge.

Aus der WO 2016/075039 A1 und der WO 2021/063616 A1 sind Rotationsschütze bekannt. Hier erfolgt das Öffnen und Schließen einer elektrischen Verbindung zwischen zwei feststehenden Kontakten durch eine Drehbewegung einer beweglichen Kontaktbrücke. Diese Art der Schaltung hat einige Vorteile, da ein derartiges Schütz weniger anfällig ist für Levitation oder Vibration. Die WO 2021/063616 A1 offenbart weiter, dass auch eine Mehrzahl von Paaren von feststehenden Kontakten vorgesehen sein können, die jeweils durch ein zugeordnetes elektrisch leitendes Element in der Rotationskontaktbrücke miteinander verschaltet werden können. Es ist dadurch möglich, mit einer einzigen Rotationsbewegung der Rotationskontaktbrücke gleichzeitig mehrere Paare von feststehenden Kontakten miteinander zu verschalten oder zu trennen, wobei die verschiedenen leitenden Elemente durch Isolatorelemente elektrisch isoliert sind. Der Antrieb kann dabei ein Schrittmotor oder ein Magnetantrieb sein.From the WO 2016/075039 A1 and the WO 2021/063616 A1 Rotary contactors are known. Here, an electrical connection between two fixed contacts is opened and closed by a rotary movement of a movable contact bridge. This type of circuit has some advantages as such a contactor is less susceptible to levitation or vibration. The WO 2021/063616 A1 further discloses that a plurality of pairs of fixed contacts can also be provided, each of which can be connected to one another by an associated electrically conductive element in the rotating contact bridge. This makes it possible to simultaneously interconnect or disconnect several pairs of fixed contacts with a single rotational movement of the rotational contact bridge, with the various conductive elements being electrically insulated by insulator elements. The drive can be a stepper motor or a magnetic drive.

Aus der DE 10 2017 123 184 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichersystems bekannt, welches zwei Energiespeicherbänke umfasst. Dabei ist zu beiden Energiespeicherbänken je ein Schütz parallel geschaltet, wobei ein drittes Schütz zwischen den beiden Energiespeicherbänken angeordnet ist, um beide in Reihe zu schalten. Mit Hilfe eines Steuerparameters wird die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Energiespeicherbänken dargestellt und diejenige mit der geringeren Spannung zuerst geladen. Ein paralleler Ladevorgang findet statt, wenn der Betrag der Spannungsdifferenz kleiner oder gleich einem bestimmten Schwellwert ist.From the DE 10 2017 123 184 A1 a device and a method for charging an electrical energy storage system is known, which includes two energy storage banks. A contactor is connected in parallel to each of the two energy storage banks, with a third contactor being arranged between the two energy storage banks in order to connect both in series. Using a control parameter, the voltage difference between the two energy storage banks is displayed and the one with the lower voltage is charged first. A parallel charging process takes place when the magnitude of the voltage difference is less than or equal to a certain threshold value.

Aus der CN 1 09 786 180 A ist en Rotationsrelais mit Motor bekannt, wobei die Kontakte auf einer Scheibe angeordnet sind.From the CN 1 09 786 180 A A rotary relay with a motor is known, with the contacts being arranged on a disk.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Schützanordnung für ein Traktionsnetz eines Elektrofahrzeugs zum wahlweisen Umschalten zwischen einer Reihen- und einer Parallelschaltung zweiter Batterieeinheiten zu verbessern. Ein weiteres technisches Problem ist die Schaffung eines entsprechenden Traktionsnetzes.The invention is based on the technical problem of improving a contactor arrangement for a traction network of an electric vehicle for selectively switching between a series and a parallel connection of second battery units. Another technical problem is the creation of an appropriate traction network.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schützanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from a contactor arrangement with the features of claim 1 and a traction network with the features of claim 10. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Die Schützanordnung für ein Traktionsnetz eines Elektrofahrzeugs weist ein erstes Schütz zwischen einem ersten feststehenden Kontakt und einen vierten feststehenden Kontakt auf. The contactor arrangement for a traction network of an electric vehicle has a first contactor between a first fixed contact and a fourth fixed contact.

Weiter weist die Schützanordnung ein zweites Schütz zwischen dem ersten feststehenden Kontakt und einem zweiten feststehenden Kontakt sowie ein drittes Schütz zwischen dem vierten feststehenden Kontakt und einem dritten feststehenden Kontakt auf. Ein viertes Schütz mit mindestens einem Vorladewiderstand ist zwischen dem ersten feststehenden Kontakt und dem zweiten feststehenden Kontakt angeordnet. Schließlich ist ein fünftes Schütz mit mindestens einem Vorladewiderstand zwischen dem vierten feststehenden Kontakt und dem dritten feststehenden Kontakt angeordnet. Weiter ist die Schützanordnung als ein Rotationsschütz mit einem Antrieb ausgebildet. Dies erlaubt eine sehr kompakte, wenig störanfällige Schützanordnung.The contactor arrangement further has a second contactor between the first fixed contact and a second fixed contact and a third contactor between the fourth fixed contact and a third fixed contact. A fourth contactor with at least one precharging resistor is between the first fixed contact and the second fixed contact Contact arranged. Finally, a fifth contactor with at least one precharging resistor is arranged between the fourth fixed contact and the third fixed contact. Furthermore, the contactor arrangement is designed as a rotary contactor with a drive. This allows for a very compact contactor arrangement that is less susceptible to failure.

In einer Ausführungsform ist der Antrieb als Schrittmotor ausgebildet, der einerseits sehr kompakt ausgebildet werden kann und sehr genau die Rotation steuern kann. In einer weiteren Ausführungsform ist der Schrittmotor als selbsthemmender Getriebeschrittmotor ausgebildet. Hierdurch kann der Antrieb sehr energieeffizient ausgebildet werden, da dieser nicht permanent bestromt werden muss, um die jeweilige Schaltkonfiguration zu halten.In one embodiment, the drive is designed as a stepper motor, which on the one hand can be made very compact and can control the rotation very precisely. In a further embodiment, the stepper motor is designed as a self-locking geared stepper motor. As a result, the drive can be designed to be very energy efficient, since it does not have to be permanently energized in order to maintain the respective switching configuration.

In einer weiteren Ausführungsform sind die beweglichen Kontakte der Schütze auf Zylinderscheiben angeordnet, die über eine gemeinsame Drehachse durch den Antrieb rotierbar gelagert sind, wobei Kontaktflächen der beweglichen Kontakte mit den feststehenden Kontakten auf der Mantelfläche der Zylinderscheiben angeordnet sind. Die feststehenden Kontakte können sich dann daneben befinden und sich in Längsrichtung der Zylinder erstrecken.In a further embodiment, the movable contacts of the contactors are arranged on cylindrical disks, which are rotatably mounted by the drive via a common axis of rotation, with contact surfaces of the movable contacts with the fixed contacts being arranged on the lateral surface of the cylindrical disks. The fixed contacts can then be located next to it and extend in the longitudinal direction of the cylinders.

Vorzugsweise weisen die beweglichen Kontakte integrierte Federelemente auf, die die beweglichen Kontakte radial nach außen drücken. Somit wird eine ausreichende Kontaktkraft erzeugt und gleichzeitig ein möglicher Abrieb kompensiert.The movable contacts preferably have integrated spring elements which press the movable contacts radially outwards. This creates sufficient contact force and at the same time compensates for possible abrasion.

In einer weiteren Ausführungsform sind die beweglichen Kontakte der Schütze mit dem mindestens einen Vorladewiderstand als Doppelkontakte ausgebildet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass unabhängig von der Drehrichtung zuerst die Schütze mit dem Vorladewiderstand schließen, bevor die Schütze für die Parallelschaltung schließen.In a further embodiment, the movable contacts of the contactors with the at least one precharging resistor are designed as double contacts. This can ensure that, regardless of the direction of rotation, the contactors with the precharging resistor close first before the contactors for the parallel connection close.

In einer weiteren Ausführungsform sind die beweglichen Kontakte der Schütze auf einer Zylinderscheibe angeordnet, die über den Antrieb rotierbar gelagert ist, wobei Kontaktflächen der beweglichen Kontakte zum Kontakt mit den feststehenden Kontakten auf einer Grundfläche der Zylinderscheibe angeordnet sind.In a further embodiment, the movable contacts of the contactors are arranged on a cylindrical disk which is rotatably mounted via the drive, with contact surfaces of the movable contacts for contact with the fixed contacts being arranged on a base surface of the cylindrical disk.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Zylinderscheibe von den feststehenden Kontakten beabstandet ist, wobei der Antrieb derart ausgebildet ist, die Zylinderscheibe zusätzlich axial zu verschieben. Hierdurch kann unnötiger Abrieb während der Drehung zum Ändern der Schaltposition reduziert werden.It can be provided that the cylindrical disk is spaced from the fixed contacts, with the drive being designed such that the cylindrical disk is additionally axially displaced. This can reduce unnecessary abrasion during rotation to change the switching position.

In einer alternativen Ausführungsform sind die beweglichen Kontakte an Dreharmen eines Rotors des Antriebs angeordnet.In an alternative embodiment, the movable contacts are arranged on rotating arms of a rotor of the drive.

Das Traktionsnetz eines Elektrofahrzeugs weist zwei Batterieeinheiten auf, die mittels einer Schützanordnung wahlweise in Reihe oder parallel schaltbar sind, wobei die Schützanordnung als ein Rotationsschütz mit Antrieb ausgebildet ist, wie zuvor beschrieben.The traction network of an electric vehicle has two battery units that can be switched either in series or in parallel by means of a contactor arrangement, the contactor arrangement being designed as a rotary contactor with a drive, as described above.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

  • 1a eine schematische Teildarstellung eines Traktionsnetzes,
  • 1b eine schematische Teildarstellung eines Traktionsnetzes,
  • 2 eine schematische Darstellung eines beweglichen Kontaktes eines Schützes auf einer Zylinderscheibe,
  • 3 eine schematische Darstellung eines beweglichen Kontaktes mit Vorladewiderstand auf einer Zylinderscheibe,
  • 4 eine Frontansicht auf ein Rotationsschütz,
  • 5 eine Seitenansicht auf das Rotationsschütz gemäß 4,
  • 6 eine Draufsicht auf das Rotationsschütz gemäß 4,
  • 7a, b eine schaltungstechnische Darstellung einer offenen Schützanordnung,
  • 8a, b eine schaltungstechnische Darstellung der Schützanordnung für eine Reihenschaltung der Batterieeinheiten,
  • 9a, b eine schaltungstechnische Darstellung der Schützanordnung für eine Vorladung,
  • 10a, b eine schaltungstechnische Darstellung einer alternativen Bauform,
  • 12 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Bauform,
  • 13 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform in einer ersten Schaltstellung,
  • 14 eine schematische Darstellung der Ausführungsform gemäß 13 in einer zweiten Schaltstellung und
  • 15 eine schematische Darstellung der Ausführungsform gemäß 13 in einer dritten Schaltstellung.
The invention is explained in more detail below using preferred exemplary embodiments. The figures show:
  • 1a a partial schematic representation of a traction network,
  • 1b a partial schematic representation of a traction network,
  • 2 a schematic representation of a movable contact of a contactor on a cylindrical disk,
  • 3 a schematic representation of a movable contact with a pre-charging resistor on a cylindrical disk,
  • 4 a front view of a rotary contactor,
  • 5 a side view of the rotary contactor 4 ,
  • 6 a top view of the rotary contactor 4 ,
  • 7a, b a circuit diagram of an open contactor arrangement,
  • 8a, b a circuit diagram of the contactor arrangement for a series connection of the battery units,
  • 9a, b a circuit diagram of the contactor arrangement for a pre-charge,
  • 10a, b a circuit diagram of an alternative design,
  • 12 a schematic representation of another alternative design,
  • 13 a schematic representation of a further alternative embodiment in a first switching position,
  • 14 a schematic representation of the embodiment according to 13 in a second switching position and
  • 15 a schematic representation of the embodiment according to 13 in a third switching position.

In der 1a ist ein Teil eines Traktionsnetzes 100 dargestellt. Dabei weist das Traktionsnetz 100 eine erste Batterieeinheit 11 und eine zweite Batterieeinheit 12 auf, die die gleiche Nennspannung aufweisen, im dargestellten Beispiel 400 V. Weiter dargestellt ist eine Schützanordnung 10, mittels derer die beiden Batterieeinheiten 11, 12 wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können, wobei die Ansteuerung der Schützanordnung 10 beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Batterie-Management-Steuergerät erfolgt. Die Schützanordnung 10 weist ein erstes Schütz 1 zwischen einem ersten feststehenden Kontakt A und einen vierten feststehenden Kontakt D auf. Dabei ist der erste feststehende Kontakt A mit dem negativen Pol der ersten Batterieeinheit 11 verbunden. Der vierte feststehende Kontakt D ist mit dem positiven Pol der zweiten Batterieeinheit 12 verbunden. Weiter weist die Schützanordnung 10 ein zweites Schütz 2 auf, das zwischen dem ersten feststehenden Kontakt A und einem zweiten feststehenden Kontakt B angeordnet ist, wobei der zweite feststehende Kontakt B mit dem negativen Pol der zweiten Batterieeinheit 12 verbunden ist. Ein drittes Schütz 3 ist zwischen dem vierten feststehenden Kontakt D und einem dritten feststehenden Kontakt C angeordnet, wobei der dritte feststehende Kontakt C mit dem positiven Pol der ersten Batterieeinheit 11 verbunden ist. Parallel zum zweiten Schütz 2 ist ein viertes Schütz 2v mit einem Vorladewiderstand Rv angeordnet. Parallel zum dritten Schütz 3 ist ein fünftes Schütz 3v mit einem Vorladewiderstand Rv angeordnet. Weiter sind zwei Hauptschütze 4, 5 dargestellt, mittels derer die Batterieeinheiten 11, 12 galvanisch vom übrigen Traktionsnetz 100 getrennt werden können. Zusätzlich kann noch mindestens eine Sicherung vorgesehen sein. Ist das erste Schütz 1 geschlossen und die übrigen Schütze 2, 3, 2v, 3v der Schützanordnung 10 offen, so sind die beiden Batterieeinheiten 11, 12 in Reihe geschaltet. Sind das zweite Schütz 2 und das dritte Schütz 3 geschlossen und die übrigen Schütze 1, 2v, 3v der Schützanordnung 10 offen, so sind die beiden Batterieeinheiten 11, 12 parallel geschaltet. Sind das vierte Schütz 2v und das fünfte Schütz 3v geschlossen und die übrigen Schütze 1, 2, 3 der Schützanordnung 10 offen, so sind die beiden Batterieeinheiten 11, 12 über die Vorladewiderstände RV miteinander parallel geschaltet. In der 1b ist nun die Schützanordnung 10 umgezeichnet, sodass optisch nunmehr die fünf Schütze 1, 2, 3, 2v, 3v nebeneinander angeordnet scheinen.In the 1a a part of a traction network 100 is shown. The traction network 100 has a first battery unit 11 and a second battery unit 12, which have the same nominal voltage, 400 V in the example shown. Also shown is a contactor arrangement 10, by means of which the two battery units 11, 12 can be connected either in parallel or in series can, with the contactor arrangement 10 being controlled, for example, by a battery management control unit (not shown). The contactor arrangement 10 has a first contactor 1 between a first fixed contact A and a fourth fixed contact D. The first fixed contact A is connected to the negative pole of the first battery unit 11. The fourth fixed contact D is connected to the positive pole of the second battery unit 12. Furthermore, the contactor arrangement 10 has a second contactor 2, which is arranged between the first fixed contact A and a second fixed contact B, the second fixed contact B being connected to the negative pole of the second battery unit 12. A third contactor 3 is arranged between the fourth fixed contact D and a third fixed contact C, the third fixed contact C being connected to the positive pole of the first battery unit 11. A fourth contactor 2v with a precharging resistor Rv is arranged parallel to the second contactor 2. A fifth contactor 3v with a precharging resistor Rv is arranged parallel to the third contactor 3. Two main contactors 4, 5 are also shown, by means of which the battery units 11, 12 can be electrically isolated from the rest of the traction network 100. In addition, at least one fuse can be provided. If the first contactor 1 is closed and the remaining contactors 2, 3, 2v, 3v of the contactor arrangement 10 are open, the two battery units 11, 12 are connected in series. If the second contactor 2 and the third contactor 3 are closed and the remaining contactors 1, 2v, 3v of the contactor arrangement 10 are open, the two battery units 11, 12 are connected in parallel. If the fourth contactor 2v and the fifth contactor 3v are closed and the remaining contactors 1, 2, 3 of the contactor arrangement 10 are open, the two battery units 11, 12 are connected in parallel with one another via the precharging resistors R V. In the 1b The contactor arrangement 10 is now redrawn so that visually the five contactors 1, 2, 3, 2v, 3v now appear to be arranged next to each other.

In der 2 ist eine Zylinderscheibe 20 dargestellt, die aus einem elektrischen Isolator besteht. Auf der Zylinderscheibe 20 ist ein elektrischer Kontakt 21 angeordnet, der den beweglichen Kontakt eines Schützes bildet, wobei die Bewegung durch eine Drehung der Zylinderscheibe 20 erfolgt. Dabei ist eine zentrale Öffnung 22 in der Zylinderscheibe 20 dargestellt, durch die eine Rotorachse eines nicht dargestellten Antriebs geht. Der elektrische Kontakt 21 weist integrierte Federelemente 23 auf, die den Kontakt 21 radial nach außen drücken. Auf einer Mantelfläche 24 der Zylinderscheibe 20 sind dann zwei Kontaktflächen 25 (die hintere Kontaktfläche 25 ist nicht sichtbar) angeordnet, die den elektrischen Kontakt mit den feststehenden Kontakten A-D herstellen. Die Zylinderscheibe 20 mit dem elektrischen Kontakt 21 ist eine Ausbildung für das erste Schütz 1, das zweite Schütz 2 und das dritte Schütz 3 der Schützanordnung 10.In the 2 a cylindrical disk 20 is shown, which consists of an electrical insulator. An electrical contact 21 is arranged on the cylindrical disk 20, which forms the movable contact of a contactor, the movement taking place by rotating the cylindrical disk 20. A central opening 22 is shown in the cylindrical disk 20, through which a rotor axis of a drive, not shown, passes. The electrical contact 21 has integrated spring elements 23 which press the contact 21 radially outwards. Two contact surfaces 25 (the rear contact surface 25 is not visible) are then arranged on a lateral surface 24 of the cylindrical disk 20, which establish electrical contact with the fixed contacts AD. The cylindrical disk 20 with the electrical contact 21 is a design for the first contactor 1, the second contactor 2 and the third contactor 3 of the contactor arrangement 10.

In der 3 ist wieder eine Zylinderscheibe 20 aus einem elektrischen Isolator dargestellt. Auf der Zylinderscheibe 20 ist ein Vorladewiderstand RV mit integrierten Federelementen 23 angeordnet. Von dem Vorladewiderstand Rv gehen jeweils von jeder Seite zwei Kontakte 26 ab, sodass an der Mantelfläche 24 jeweils die Kontaktflächen 25 einen Doppelkontakt bilden. Diese stellt eine Ausbildung des vierten Schützes 2v und fünften Schützes 3v dar. Dabei sei angemerkt, dass die Ausbildung auch analog 2 sein könnte, sodass nur je Anschlussseite eine Kontaktfläche 25 wäre.In the 3 A cylindrical disk 20 made of an electrical insulator is again shown. A precharging resistor R V with integrated spring elements 23 is arranged on the cylindrical disk 20. Two contacts 26 extend from each side of the precharging resistor Rv, so that the contact surfaces 25 form a double contact on the lateral surface 24. This represents training for the fourth shooter 2v and fifth shooter 3v. It should be noted that the training is also analogous 2 could be, so that there would only be one contact surface 25 on each connection side.

In der 4 ist nun die Schützanordnung 10 in Form eines Rotationsschützes 30 dargestellt. Dabei ist schematisch ein Antrieb 31 mit einer Rotorachse 32 dargestellt, wobei der Antrieb 31 vorzugsweise ein selbsthemmender Getriebeschrittmotor 33 ist. Der Rotationsschütz 30 besteht aus fünf Zylinderscheiben 20, wobei sich von oben nach unten die Ausführungen gemäß 2 und 3 abwechseln. Seitlich sind die feststehenden Kontakte A-D dargestellt. Zwischen den Zylinderscheiben 20 ist noch jeweils eine Isolationsscheibe 34 angeordnet. Die oberste Zylinderscheibe 20 stellt das zweite Schütz 2 dar. Die Zylinderscheibe 20 darunter ist das vierte Schütz 2v. Die mittlere Zylinderscheibe 20 ist das erste Schütz 1. Darunter ist das fünfte Schütz 3v und die unterste Zylinderscheibe 20 ist das dritte Schütz 3. Weiter erkennt man, dass die beiden Kontaktflächen 25 des Doppelkontaktes links und rechts versetzt zu der Kontaktfläche 25 des zugeordneten zweiten Schützes 2 bzw. dritten Schützes 3 sind. Dadurch ist sichergestellt, dass unabhängig von der Drehrichtung zuerst das vierte und fünfte Schütz 2v, 3v schließen, bevor das zweite und dritte Schütz 2, 3 schließen, also stets vor der Parallelschaltung der Batterieeinheiten 11, 12 eine Vorladung stattfindet. In 5 und 6 ist dann das Rotationsschütz 30 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht dargestellt.In the 4 The contactor arrangement 10 is now shown in the form of a rotary contactor 30. A drive 31 with a rotor axis 32 is shown schematically, the drive 31 preferably being a self-locking geared stepper motor 33. The rotary contactor 30 consists of five cylindrical disks 20, the explanations being from top to bottom 2 and 3 alternate. The fixed contacts AD are shown on the side. An insulating disk 34 is also arranged between the cylindrical disks 20. The top cylinder disk 20 represents the second contactor 2. The cylinder disk 20 below is the fourth contactor 2v. The middle cylindrical disk 20 is the first contactor 1. Below this is the fifth contactor 3v and the lowest cylindrical disk 20 is the third contactor 3. It can also be seen that the two contact surfaces 25 of the double contact on the left and right are offset from the contact surface 25 of the assigned second contactor 2 and third shooter 3 respectively. This ensures that, regardless of the direction of rotation, the fourth and fifth contactors 2v, 3v close first before the second and third contactors 2, 3 close, i.e. a pre-charging always takes place before the battery units 11, 12 are connected in parallel. In 5 and 6 The rotary contactor 30 is then shown in a side view and a top view.

In der 7a ist die umgezeichnete Schützanordnung 10 gemäß 1b dargestellt, wobei sämtliche Schütze 1, 2, 3, 2v, 3v der Schützanordnung offen sind. Auch die beiden Hauptschütze 4, 5 sind offen. In der 7b ist die dazugehörige Stellung des Rotationsschützes 30 dargestellt. Dabei sind die feststehenden Kontakte A-D mit keiner der Kontaktflächen 25 verbunden.In the 7a is the redrawn contactor arrangement 10 according to 1b shown, with all contactors 1, 2, 3, 2v, 3v of the contactor arrangement being open. The two main shooters 4 and 5 are also open. In the 7b the associated position of the rotary contactor 30 is shown. Included the fixed contacts AD are not connected to any of the contact surfaces 25.

In der 8a ist nun dargestellt, dass das erste Schütz 1 der Schützanordnung 10 geschlossen ist, wohingegen die anderen Schütze 2, 3, 2v, 3v offen sind. Die beiden Hauptschütze 4, 5 sind auch geschlossen, sodass am Ausgang eine Spannung von 800 V aufgrund der Reihenschaltung der beiden Batterieeinheiten 11, 12 anliegt. In der 8b ist die entsprechende Stellung des Rotationsschützes 30 gezeigt, wobei die Kontaktflächen 25 des ersten Schützes 1 mit den feststehenden Kontakten D und A verbunden sind.In the 8a It is now shown that the first contactor 1 of the contactor arrangement 10 is closed, whereas the other contactors 2, 3, 2v, 3v are open. The two main contactors 4, 5 are also closed, so that a voltage of 800 V is present at the output due to the series connection of the two battery units 11, 12. In the 8b the corresponding position of the rotary contactor 30 is shown, the contact surfaces 25 of the first contactor 1 being connected to the fixed contacts D and A.

In der 9a ist die Schützanordnung 10 dargestellt, wenn die beiden Batterieeinheiten 11, 12 über die Vorladewiderstände Rv parallel geschaltet sind, wobei die beiden Hauptschütze 4, 5 offen sind. In der 9b ist die entsprechende Rotationsstellung des Rotationsschützes 30 dargestellt. Dabei sind die feststehenden Kontakte A und B jeweils mit einer Kontaktfläche 25 des vierten Schützes 2v und die beiden feststehenden Kontakte C und D jeweils mit einer Kontaktfläche 25 des fünften Schützes 3v verbunden.In the 9a The contactor arrangement 10 is shown when the two battery units 11, 12 are connected in parallel via the pre-charging resistors Rv, with the two main contactors 4, 5 being open. In the 9b the corresponding rotational position of the rotary contactor 30 is shown. The fixed contacts A and B are each connected to a contact surface 25 of the fourth contactor 2v and the two fixed contacts C and D are each connected to a contact surface 25 of the fifth contactor 3v.

In der 10a ist dann die Schützanordnung 10 dargestellt, wobei das zweite Schütz 2 und das dritte Schütz 3 geschlossen sind, sodass die beiden Batterieeinheiten 11, 12 parallel geschaltet sind, wobei die übrigen Schütze 1, 2v, 3v der Schützanordnung 10 offen sind. Entsprechend sind die feststehenden Kontakte A, B mit den Kontaktflächen 25 des zweiten Schützes 2 und die feststehenden Kontakte C, D mit den Kontaktflächen 25 des dritten Schützes 3 verbunden. In the 10a The contactor arrangement 10 is then shown, with the second contactor 2 and the third contactor 3 being closed, so that the two battery units 11, 12 are connected in parallel, with the remaining contactors 1, 2v, 3v of the contactor arrangement 10 being open. Correspondingly, the fixed contacts A, B are connected to the contact surfaces 25 of the second contactor 2 and the fixed contacts C, D are connected to the contact surfaces 25 of the third contactor 3.

In 11a und b ist stark vereinfacht ein alternatives Konzept für ein Rotationsschütz 30 dargestellt, wobei auf einer Grundfläche einer drehbaren Zylinderscheibe 20 elektrische Kontakte 21 angeordnet sind, wobei je nach Drehrichtung die über der Zylinderscheibe 20 feststehenden Kontakte A-D miteinander verbunden werden. In der Schaltstellung gemäß 11a sind die Batterieeinheiten 11, 12 parallel geschaltet und in 11b sind die beiden Batterieeinheiten 11, 12 in Reihe geschaltet. Die Vorladewiderstände Rv sind hier aus Übersichtsgründen nicht dargestellt worden.In 11a and b, an alternative concept for a rotary contactor 30 is shown in a very simplified manner, with electrical contacts 21 being arranged on a base surface of a rotatable cylindrical disk 20, the contacts AD fixed above the cylindrical disk 20 being connected to one another depending on the direction of rotation. In the switching position according to 11a the battery units 11, 12 are connected in parallel and in 11b the two battery units 11, 12 are connected in series. The pre-charging resistors Rv have not been shown here for reasons of clarity.

In der 12 ist schematisch eine weitere alternative Ausführungsform eines Rotationsschützes 30 dargestellt. Dabei sind an einem Rotor 40 eines weiter nicht dargestellten Antriebs Dreharme 41 angeordnet, an deren Enden federnd gelagerte Kontaktplatten 42 angeordnet sind, die dann je nach Position des Rotors 40 die feststehenden Kontakte A und B sowie C und D oder A und D miteinander verbinden.In the 12 A further alternative embodiment of a rotary contactor 30 is shown schematically. Rotating arms 41 are arranged on a rotor 40 of a drive (not shown), at the ends of which spring-mounted contact plates 42 are arranged, which then, depending on the position of the rotor 40, connect the fixed contacts A and B as well as C and D or A and D to one another.

Anhand 13 bis 15 soll nun das Grundprinzip gemäß 11a und b anhand einer möglichen Ausführungsform näher erläutert werden. Das Rotationsschütz 30 weist einen feststehenden Teil 50 und einen beweglichen Teil 51 auf. Dabei sind zusätzlich die feststehenden Kontakte A und D gegenüber dem beweglichen Teil 51 dargestellt. Die feststehenden Kontakte B und C sind auf dem Zylinderdeckel 52 des feststehenden Teils 50 angeordnet, aber nicht sichtbar. Das feststehende Teil 50 weist Kontakte 53 auf, die fest mit den feststehenden Kontakten B und C elektrisch verbunden sind. Des Weiteren sind die Kontakte 53 fest mit den Vorladewiderständen Rv verbunden. Sollen die beiden Batterieeinheiten 11, 12 (siehe z.B. 1) in Reihe geschaltet werden, so wird ein Kontaktelement 54 über die beiden feststehenden Kontakte A und D gedreht und verbindet diese, was in 13 dargestellt ist. Eine elektrische Verbindung zum feststehenden Teil 50 besteht ansonsten in dieser Stellung nicht. Soll hingegen über die Vorladewiderstände Rv vorgeladen werden, so wird das Rotationsschütz in die Stellung gemäß 14 gedreht. Dann sind die feststehenden Kontakte A und D über Kontakte 55 über die Vorladewiderstände RV und die Kontakte 53 mit den feststehenden Kontakten B und C verbunden. Sollen dann die beiden Batterieeinheiten 11, 12 parallel geschaltet werden, so wird das Rotationsschütz 30 in die Position gemäß 15 gedreht, sodass Kontakte 56 in Kontakt kommen mit den Kontakten 53, sodass die feststehenden Kontakte A und B sowie C und D direkt miteinander verbunden sind. Dabei sei angemerkt, dass der feststehende Teil 50 nicht zylinderförmig ausgebildet sein muss.Based 13 until 15 should now follow the basic principle 11a and b will be explained in more detail using a possible embodiment. The rotary contactor 30 has a fixed part 50 and a movable part 51. The fixed contacts A and D are also shown relative to the movable part 51. The fixed contacts B and C are arranged on the cylinder cover 52 of the fixed part 50 but are not visible. The fixed part 50 has contacts 53 which are fixedly electrically connected to the fixed contacts B and C. Furthermore, the contacts 53 are firmly connected to the precharging resistors Rv. If the two battery units 11, 12 (see e.g 1 ) are connected in series, a contact element 54 is rotated over the two fixed contacts A and D and connects them, which in 13 is shown. There is otherwise no electrical connection to the fixed part 50 in this position. However, if pre-charging is to be carried out via the pre-charging resistors Rv, the rotary contactor is set to the position according to 14 turned. Then the fixed contacts A and D are connected to the fixed contacts B and C via contacts 55 via the precharging resistors R V and the contacts 53. If the two battery units 11, 12 are then to be connected in parallel, the rotary contactor 30 is moved to the position shown 15 rotated so that contacts 56 come into contact with contacts 53, so that the fixed contacts A and B and C and D are directly connected to one another. It should be noted that the fixed part 50 does not have to be cylindrical.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
erstes Schützfirst contactor
22
zweites Schützsecond contactor
33
drittes Schützthird contactor
44
HauptschützMain contactor
55
HauptschützMain contactor
2v2v
viertes Schützfourth contactor
3v3v
fünftes Schützfifth contactor
1010
SchützanordnungContactor arrangement
1111
BatterieeinheitBattery unit
1212
BatterieeinheitBattery unit
2020
ZylinderscheibeCylindrical disc
2121
KontaktContact
2222
Öffnungopening
2323
FederelementSpring element
2424
MantelflächeLateral surface
2525
KontaktflächeContact surface
2626
KontaktContact
3030
RotationsschützRotary contactor
3131
Antriebdrive
3232
RotorachseRotor axis
3333
GetriebeschrittmotorGeared stepper motor
3434
IsolationsscheibeInsulation disc
4040
Rotorrotor
4141
DreharmRotary arm
4242
Kontaktplattecontact plate
5050
feststehende Teilfixed part
5151
bewegliche Teilmoving part
5252
ZylinderdeckelCylinder cover
5353
KontaktContact
5454
KontaktelementContact element
5555
KontaktContact
100100
TraktionsnetzTraction network
RVRV
VorladewiderstandPrecharge resistor

Claims (10)

Schützanordnung (10) für ein Traktionsnetz (100) eines Elektrofahrzeugs, wobei die Schützanordnung (10) ein erstes Schütz (1) zwischen einem ersten feststehenden Kontakt (A) und einem vierten feststehenden Kontakt (D), ein zweites Schütz (2) zwischen dem ersten feststehenden Kontakt (A) und einem zweiten feststehenden Kontakt (B), ein drittes Schütz (3) zwischen dem vierten feststehenden Kontakt (D) und einem dritten feststehenden Kontakt (C), ein viertes Schütz (2v) mit mindestens einem Vorladewiderstand (RV) zwischen dem ersten feststehenden Kontakt (A) und dem zweiten feststehenden Kontakt (B) und ein fünftes Schütz (3v) mit mindestens einem Vorladewiderstand (RV) zwischen dem vierten feststehenden Kontakt (D) und dem dritten feststehenden Kontakt (C) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schützanordnung (10) als ein Rotationsschütz (30) mit einem Antrieb (31) ausgebildet ist.Contactor arrangement (10) for a traction network (100) of an electric vehicle, the contactor arrangement (10) having a first contactor (1) between a first fixed contact (A) and a fourth fixed contact (D), a second contactor (2) between the first fixed contact (A) and a second fixed contact (B), a third contactor (3) between the fourth fixed contact (D) and a third fixed contact (C), a fourth contactor (2v) with at least one precharging resistor (R V ) between the first fixed contact (A) and the second fixed contact (B) and a fifth contactor (3v) with at least one precharging resistor (R V ) between the fourth fixed contact (D) and the third fixed contact (C). , characterized in that the contactor arrangement (10) is designed as a rotary contactor (30) with a drive (31). Schützanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (31) als Schrittmotor ausgebildet ist.Contactor arrangement according to Claim 1 , characterized in that the drive (31) is designed as a stepper motor. Schützanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor als selbsthemmender Getriebeschrittmotor (33) ausgebildet ist.Contactor arrangement according to Claim 2 , characterized in that the stepper motor is designed as a self-locking geared stepper motor (33). Schützanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kontakte der Schütze (1-3, 2v, 3v) auf Zylinderscheiben (20) angeordnet sind, die über eine gemeinsame Drehachse durch den Antrieb (31) rotierbar gelagert sind, wobei Kontaktflächen (25) der beweglichen Kontakte zum Kontakt mit den feststehenden Kontakten (A-D) auf Mantelflächen (24) der Zylinderscheiben (20) angeordnet sind.Contactor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the movable contacts of the contactors (1-3, 2v, 3v) are arranged on cylindrical disks (20) which are rotatably mounted by the drive (31) via a common axis of rotation, with contact surfaces (25) of the movable contacts for contact with the fixed contacts (AD) are arranged on the lateral surfaces (24) of the cylindrical disks (20). Schützanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kontakte integrierte Federelemente (23) aufweisen.Contactor arrangement according to Claim 4 , characterized in that the movable contacts have integrated spring elements (23). Schützanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kontakte der Schütze (2v, 3v) mit dem mindestens einen Vorladewiderstand (Rv) als Doppelkontakte ausgebildet sind.Contactor arrangement according to Claim 4 or 5 , characterized in that the movable contacts of the contactors (2v, 3v) with the at least one precharging resistor (Rv) are designed as double contacts. Schützanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kontakte der Schütze (1-3, 2v, 3v) auf einer Zylinderscheibe (20) angeordnet sind, die über den Antrieb (31) rotierbar gelagert ist, wobei Kontaktflächen der beweglichen Kontakte zum Kontakt mit den feststehenden Kontakten (A-D) auf einer Grundfläche der Zylinderscheibe (20) angeordnet sind.Contactor arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the movable contacts of the contactors (1-3, 2v, 3v) are arranged on a cylindrical disk (20) which is rotatably mounted via the drive (31), with contact surfaces of the movable contacts for contact with the fixed contacts (AD) are arranged on a base surface of the cylindrical disk (20). Schützanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderscheibe von den feststehenden Kontakten beabstandet ist, wobei der Antrieb (31) derart ausgebildet ist, die Zylinderscheibe (20) zusätzlich axial zu verschieben.Contactor arrangement according to Claim 7 , characterized in that the cylindrical disk is spaced from the fixed contacts, the drive (31) being designed to additionally displace the cylindrical disk (20) axially. Schützanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Kontakte an Dreharmen (41) eines Rotors (40) des Antriebs (31) angeordnet sind.Contactor arrangement according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the movable contacts are arranged on rotating arms (41) of a rotor (40) of the drive (31). Traktionsnetz (100) eines Elektrofahrzeugs, wobei das Traktionsnetz (100) zwei Batterieeinheiten (11, 12) aufweist, die mittels einer Schützanordnung (10) wahlweise in Reihe oder parallel schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Traktionsnetz (100) eine Schützanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.Traction network (100) of an electric vehicle, wherein the traction network (100) has two battery units (11, 12) which can be switched either in series or in parallel by means of a contactor arrangement (10), characterized in that the traction network (100) has a contactor arrangement (10 ) after one of the Claims 1 until 9 having.
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