DE102022210654A1

DE102022210654A1 - Elektrische Schaltung für ein Hochvoltnetz eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022210654A1
Application number: DE102022210654.7A
Authority: DE
Inventors: Samuel Vasconcelos Araujo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-04-11
Also published as: CN117879080A

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Schaltung 3 für ein Hochvoltnetz aufweisend eine erste und eine zweite Anschlussstelle 4, 5, die zur elektrischen Verbindung mit einem Verbraucher 19 und/oder einem Ladegerät 21 ausgebildet sind, eine erste Schalteinheit 6 zwischen einem ersten Polverbinder 13, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols 17a eines ersten elektrischen Energiespeichers 17, und der ersten Anschlussstelle 4, eine zweite Schalteinheit 7 zwischen einem zweiten Polverbinder 15, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols 18b eines zweiten elektrischen Energiespeichers 18 und der zweiten Anschlussstelle 5, eine dritte Schalteinheit 8 zwischen dem ersten Polverbinder 13 und einem dritten Polverbinder 14, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols 18a des zweiten elektrischen Energiespeichers 18, eine vierte Schalteinheit 9 zwischen dem zweiten Polverbinder 15 und einem vierten Polverbinder 16, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols 17b des ersten elektrischen Energiespeichers 17, einen Ladeanschluss 20 zur Verbindung mit einer Ladeinheit 21, eine sechste Schalteinheit 11 zwischen dem Ladeanschluss 20 und dem ersten Polverbinder 13, und eine siebte Schalteinheit 12 zwischen dem Ladeanschluss 20 und dem zweiten Polverbinder 15, wobei die Schalteinheiten zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sind, wobei die erste und/oder zweite und/oder sechste und/oder die siebte Schalteinheit 6, 7, 11, 12 im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt sind, und wobei die dritte und/oder vierte Schalteinheit 8, 9 als Halbleiterbauelemente ausgeführt sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für ein Hochvoltnetz eines Fahrzeugs. Das Hochvoltnetz kann hierbei elektrische Energiespeicher und eine Leistungselektronik, wie etwa eine Traktionsmaschine und einen Inverter, umfassen. Die elektrische Schaltung ermöglicht ein Trennen und Schließen einer elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Energiespeichern und dem restlichen Hochvoltnetz.
Aktuelle Hochvoltnetze für Elektrofahrzeuge, umfassen einen oder mehrere Energiespeicher, zumindest eine Traktionsmaschine, einen Ladeanschluss, einen oder mehrere Nebenverbraucher wie z. B. Kühlmittelverdichter oder Durchlauferhitzer und einen oder mehrere Inverter. Weist das Elektrofahrzeug einen Energiespeicher auf, so ist dieser über zwei Schalteinheiten mit dem restlichen Hochvoltnetz verbunden. Umfasst das Elektrofahrzeug mehrere Energiespeicher ist eine komplexe Verschaltung der elektrischen Energiespeicher mit dem Hochvoltnetz nötig. Bisher wurde diese elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Energiespeichern und dem restlichen Hochvoltnetz durch Hochspannungsrelais realisiert. Diese Hochspannungsrelais erlauben eine galvanische Trennung der elektrischen Energiespeicher vom restlichen Hochvoltnetz und wurden daher aus Sicherheitsgründen eingesetzt.
Die EP 2 418 750 A2 beschreibt eine Struktur einer Batterietrenneinheit für ein Elektrofahrzeug. Die Struktur umfasst ein erstes Hochspannungsrelais, das in eine Position zum Zuführen von DC-Energie, die von der Batterie zugeführt wird, an einen Wechselrichter oder in eine Position zum Unterbrechen der Zufuhr der entsprechenden DC-Energie schaltet; ein zweites Hochspannungsrelais, das in eine Position zum Zuführen von DC-Energie, die von einem Ladegerät geliefert wird, zu der Batterie oder in eine Position zum Unterbrechen der Zufuhr der entsprechenden DC-Energie schaltet; eine PCB, die eine gedruckte Schaltung enthält, die elektrisch mit dem zweiten Hochspannungsrelais verbunden ist und einen Gleichstromversorgungspfad zwischen dem Ladegerät und der Batterie bereitstellt, indem sie einen Eingangsanschluss hat, der mit dem Ladegerät verbunden ist, und einen Ausgangsanschluss, der mit der Batterie verbunden ist; ein Substrat, das an einem oberen Abschnitt der PCB installiert ist, um das erste und das zweite Hochspannungsrelais zu stützen; und eine Metallhalterung, die die PCB und das Substrat an einer unteren Seite trägt und als eine Wärme abstrahlende Wärmesenke arbeitet.
Die JP 2012 034535 A offenbart eine Energiespeichervorrichtung umfassend ein Batteriemodul, das durch paralleles oder in Reihe und paralleles Verbinden mehrerer Zellengruppen hergestellt wird, in denen Schalter und eine oder mehrere Einzelbatterien in Reihe geschaltet sind, und eine Batteriesteuerung, die das Batteriemodul steuert und die Abnormalitäten eines Verbindungswegs der einzelnen Batterie und der Zellengruppe in dem Batteriemodul erfasst. Die Batteriesteuerung umfasst einen Schaltersteuerabschnitt, der den Schalter schaltet, um eine Zellengruppe auszuwählen, und eine erste Spannungserfassungsschaltung, die die Spannung der durch den Schaltersteuerabschnitt ausgewählten Zellengruppe erfasst. Die Steuerung umfasst auch eine Diagnoseeinrichtung, die eine Anomalie des Batteriemoduls und eine Verbindungsanomalie des Batteriemoduls durch Erfassen der Spannung der durch den Schaltersteuerabschnitt ausgewählten Zellengruppe durch einen ersten Spannungserfassungsabschnitt diagnostiziert.
Offenbarung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung für ein Hochvoltnetz eines Fahrzeuges umfasst zumindest zwei Anschlussstellen und vier Schalteinheiten, wobei das Hochvoltnetz zumindest zwei elektrische Energiespeicher aufweist. Eine erste Anschlussstelle und eine zweite Anschlussstelle sind dazu ausgebildet eine elektrische Verbindung mit einem elektrischen Verbraucher und/oder einem elektrischen Ladegerät auszubilden.
Eine erste Schalteinheit ist zwischen einem ersten Polverbinder und der ersten Anschlussstelle angeordnet. Der erste Polverbinder ist zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols eines elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Eine zweite Schalteinheit ist zwischen einem zweiten Polverbinder und der zweiten Anschlussstelle angeordnet. Der zweite Polverbinder ist zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols eines zweiten elektrischen Energiespeichers angeordnet.
Eine dritte Schalteinheit ist zwischen dem ersten Polverbinder und einem dritten Polverbinder angeordnet. Der dritte Polverbinder ist zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols des zweiten elektrischen Energiespeichers ausgebildet. Eine vierte Schalteinheit ist zwischen dem zweiten Polverbinder und einem vierten Polverbinder angeordnet. Der vierte Polverbinder ist zur elektrischen Kontaktierung mit einem zweiten Pol des ersten elektrischen Energiespeichers ausgebildet.
Die elektrische Schaltung umfasst außerdem einen Ladeanschluss zur Verbindung mit einer Ladeinheit zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers. Zusätzlich umfasst die elektrische Schaltung eine sechste Schalteinheit und eine siebte Schalteinheit. Die sechste Schalteinheit ist zwischen dem Ladeanschluss und dem ersten Polverbinder angeordnet. Die siebte Schalteinheit ist zwischen dem Ladeanschluss und dem zweiten Polverbinder angeordnet. Die erste Schalteinheit, die dritte Schalteinheit, die sechste Schalteinheit und der erste Polverbinder sind somit an einer ersten Kontaktstelle gemeinsam verbunden. Ebenso sind die zweite Schalteinheit, die vierte Schalteinheit, die siebte Schalteinheit und der zweite Polverbinder somit an einer zweiten Kontaktstelle gemeinsam verbunden.
Die Schalteinheiten sind zwischen einem elektrisch kontaktierenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar. Hierdurch lassen sich der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher parallel und seriell zueinander schalten. Durch das Schließen der ersten Schalteinheit, der zweiten Schalteinheit, der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit werden jeweils die gleichnamigen Pole des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers mit einer Anschlussstelle elektrisch verbunden und der erste Energiespeicher und der zweite Energiespeicher sind parallel zueinander geschaltet. Durch das Öffnen der vierten Schalteinheit wird der Stromkreis des ersten elektrischen Energiespeichers unterbrochen und somit auch die parallele Schaltung des ersten elektrischen Energiespeichers mit dem zweiten elektrischen Energiespeicher. Durch das Öffnen der dritten Schalteinheit wird der Stromkreis des zweiten elektrischen Energiespeichers unterbrochen und somit auch die parallele Schaltung des zweiten elektrischen Energiespeichers mit dem ersten elektrischen Energiespeicher. Durch die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit lassen sich die beiden elektrischen Energiespeicher von den Anschlussstellen trennen.
Durch diese Anordnung der Schalteinheiten, kann entweder der erste elektrische Energiespeicher oder der zweite elektrische Energiespeicher mit dem Hochvoltnetz elektrisch verbunden werden. Ebenso können beide elektrischen Energiespeicher parallel zueinander mit dem Hochvoltnetz elektrisch verbunden werden. Des Weiteren sind die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit und/oder die sechste Schalteinheit und/oder die siebte Schalteinheit so ausgelegt, dass diese in einem elektrisch trennenden Zustand auch galvanisch trennend sind. Die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit sind bevorzugt als Halbleiterbauelemente ausgeführt.
Somit sind der erste elektrische Energiespeicher und der zweite elektrische Energiespeicher jeweils über eine Schalteinheit, die als Halbleiterbauelemente ausgeführt ist, und über eine Schalteinheit, die im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt ist, mit dem Hochvoltnetz verbunden. Durch die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit, kann eine galvanische Trennung des Stromkreislaufs des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers erfolgen. Hierdurch können die Vorteile des Hochspannungsrelais in dieser elektrischen Schaltung übernommen werden. Halbleiterbauelemente besitzen eine deutlich höhere Dynamik in ihrem Umschaltverhalten, eine höhere Lebensdauer, können kleiner gefertigt werden als Hochspannungsrelais und können einfacher und kostengünstiger auf höhere Spannungen angepasst werden.
Durch die Ausführung der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit als Halbleiterbauelemente kann die elektrischen Verbindung des ersten Pols des zweiten Energiespeichers und die elektrische Verbindung des zweiten Pols des ersten Energiespeichers deutlich schneller als mit einem Hochspannungsrelais unterbrochen werden. Hierdurch können Kurzschlussströme schneller als mit einem Hochspannungsrelais unterbrochen werden.
Durch die bisher beschriebene Anordnung der ersten Schalteinheit, der zweiten Schalteinheit, der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit können in einem Ruhezustand des Fahrzeugs, in dem kein Strom in den oder aus dem ersten Energiespeicher und/oder zweiten Energiespeicher fließt, die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit geöffnet werden. Durch die galvanische Trennung fällt sämtliche Spannungsdifferenz zwischen den gleichnamigen Polen des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers an der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit ab und liegt nicht mehr an den Halbleiterbauelementen der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit an. Hierdurch wird eine Belastung der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit in einem ruhenden Zustand des Fahrzeugs verringert und somit die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente verlängert.
Eine externe Ladeinheit kann mit dem Ladeanschluss verbunden werden, wobei über die sechste Schalteinheit und die siebte Schalteinheit eine elektrische Verbindung zu der ersten Kontaktstelle und damit dem ersten Polverbinder und zu der zweiten Kontaktstelle und damit dem zweiten Polverbinder herstellbar ist. Befinden sich die die sechste Schalteinheit und die siebte Schalteinheit in einem elektrisch verbindenden Zustand, dann besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Ladegerät und dem ersten elektrischen Energiespeicher und dem zweiten elektrischen Energiespeicher. Befinden sich zusätzlich die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit in einem elektrisch verbindenden, und insbesondere eine zwischen dem dritten Polverbinder und dem vierten Polverbinder angeordnete fünfte Schalteinheit in einem elektrisch trennenden Zustand, sind der erste elektrische Energiespeicher und der zweite elektrische Energiespeicher parallel mit der Ladeeinheit verschaltet. Befinden sich stattdessen die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit in einem elektrisch trennenden und eine fünfte Schalteinheit zwischen dem dritten Polverbinder und dem vierten Polverbinder in einem elektrisch verbindenden Zustand, dann sind der erste elektrische Energiespeicher und der zweite elektrische Energiespeicher seriell mit der Ladeeinheit verschaltet. Dies ist besonders von Vorteil, um die Gesamtspannung des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers an die Ladespannung unterschiedlicher Ladeeinheit anzupassen. So kann durch eine parallele Verschaltung des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers mit der Ladeeinheit zum Laden der beiden elektrischen Energiespeicher genutzt werden, deren Ladespannung nicht unterhalb einer Spannung einer der beiden elektrischen Energiespeicher liegt. Durch eine serielle Verschaltung des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers können Ladeeinheiten mit höheren Ladespannungen zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers verwendet werden. Ist eine fünfte Schalteinheit wie zuvor beschrieben nicht vorhanden, so lassen sich die Energiespeicher parallel zueinander oder einzeln mit dem Ladeanschluss und damit der Ladeeinheit verbinden.
Die sechste Schalteinheit und die siebte Schalteinheit sind ohne elektrische Last schaltbar, sodass die Gefahr von Funkenbildung während des Schaltvorgangs vermieden ist. Außerdem ist eine Schaltgeschwindigkeit der sechsten Schalteinheit und der siebten Schalteinheit nicht relevant. Daher sind insbesondere galvanisch trennende Einheiten wie Schütze und/oder Relais vorteilhaft für die sechste Schalteinheit und die siebte Schalteinheit.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt weisen die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit der elektrischen Schaltung einen oder mehrere Transistoren auf. Transistoren ermöglichen es gegenüber einfachen Dioden, durch eine Steuerspannung einen Stromfluss auch gegen dessen Sperrrichtung fließen zu lassen. Hierdurch kann mit einem Transistor ein Stromfluss in beide Richtungen ermöglicht werden, was mit einer einfachen Diode nicht möglich wäre.
Besonders bevorzugt weisen die dritte Schalteinheit und die vierte Schalteinheit der elektrischen Schaltung jeweils zwei Transistoren auf, die jeweils so angeordnet sind, dass ihre Sperrrichtungen entgegengesetzt sind. Somit sperrt zunächst immer einer der beiden Transistoren der dritten Schalteinheit und/oder der vierten Schalteinheit einen Ladestrom oder einen Entladestrom des ersten elektrischen Energiespeichers und/oder des zweiten elektrischen Energiespeichers. Nur durch Umschalten des gegen seine Sperrrichtung betriebenen Transistors in einen elektrisch verbindenden Zustand kann ein Ladestrom oder Entladestrom fließen und somit der erste elektrische Energiespeicher und/oder der zweite elektrische Energiespeicher geladen oder entladen werden. Insbesondere sind die Transistoren der dritten Schalteinheit und der vierten Schalteinheit über ihre Source-Seite oder ihre Drain-Seite miteinander verbunden.
Bevorzugt umfasst die elektrische Schaltung zumindest eine fünfte Schalteinheit, die zwischen dem dritten Polverbinder und dem vierten Polverbinder angeordnet ist. Insbesondere ist die fünfte Schalteinheit zwischen einem elektrisch trennenden und elektrisch verbindenden Zustand schaltbar und als Halbleiterbauelement ausgeführt. Die fünfte Schalteinheit ermöglicht eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Pol des ersten elektrischen Energiespeichers und dem ersten Pol des zweiten elektrischen Energiespeichers. Befindet sich die fünfte Schalteinheit in einem elektrisch verbindenden Zustand, sind der erste elektrische Energiespeicher und der zweite Energiespeicher seriell verschaltet. Durch die Ausführung der fünften Schalteinheit als Halbleiterbauelement kann die elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher und dem zweiten elektrischen Energiespeicher schneller als mit einem Hochspannungsrelais unterbrochen werden. Hierdurch kann die fünfte Schalteinheit auch Kurzschlussströme während des Betriebs des ersten elektrischen Energiespeichers und des zweiten elektrischen Energiespeichers in einer Reihenschaltung unterbinden. Durch die kleinere Bauform der Halbleiterbauelemente können komplexere Schaltungen, wie für den Wechsel zwischen einer seriellen und parallelen Verschaltung des ersten elektrischen Energiespeichers mit dem zweiten elektrischen Energiespeicher benötigt, mit einem geringeren Bauraumzuwachs umgesetzt werden als mit Hochspannungsrelais. Eine solche Verschaltung erlaubt es sowohl Leistungen an dem elektrischen Verbraucher mit geringeren Verlusten, als dies bei einer parallelen Verschaltung der beiden elektrischen Energiespeicher der Fall wäre, als auch den ersten elektrischen Energiespeicher und den zweiten elektrischen Energiespeicher mit Ladequellen, die über niedrige Ladespannungen als die Gesamtspannung der beiden seriell Verschalteten elektrischen Energiespeichers verfügen, zu laden. Bevorzugt weist die fünfte Schalteinheit einen oder mehrere Transistoren auf. Insbesondere ist lediglich ein einzelner Transistor vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, einen Entladestrom aus den Energiespeichern zu sperren, wenn die Energiespeicher in Serie geschaltet sind. In diesem Fall lassen sich insbesondere Ladeströme oder Rekuperationsströme durch die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit unterbrechen. DC-Ladeströme lassen sich durch die sechste Schalteinheit und die siebte Schalteinheit unterbrechen. Die fünfte Schalteinheit ist in diesem Fall einfach und kostengünstig ausgelegt.
Besonders bevorzugt weist die fünfte Schalteinheit der elektrischen Schaltung zwei Transistoren auf, die jeweils so angeordnet sind, dass ihre Sperrrichtungen entgegengesetzt sind. Hierdurch fließt sowohl ein Ladestrom als auch ein Entladestrom immer gegen die Sperrrichtung einer der beiden Transistoren der fünften Schalteinheit. Nur durch das Umschalten des Transistors, gegen dessen Sperrrichtung ein Strom fließen soll, in einen elektrisch verbindenden Zustand, kann ein Ladestrom oder Entladestrom fließen und der erste elektrische Energiespeicher und der zweite elektrische Energiespeicher in einer seriellen Verschaltung geladen oder entladen werden. Insbesondere sind die Transistoren der fünften Schalteinheit über ihre Source-Seite oder ihre Drain-Seite miteinander verbunden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltnetz eines Fahrzeuges mit einer ersten Batterie und einer zweiten Batterie als erster elektrischer Energiespeicher und zweiter elektrischen Energiespeicher. Die erste Batterie und die zweite Batterie verfügen jeweils über zwei ungleichnamige Pole. Hierbei ist der erste Pol der ersten Batterie mit dem ersten Polverbinder elektrisch verbunden und der zweite Pol der ersten Batterie ist mit dem vierten Polverbinder elektrisch verbunden. Der erste Pol der zweiten Batterie ist mit dem dritten Polverbinder elektrischen verbunden und der zweite Pol der zweiten Batterie ist mit dem zweiten Polverbinder elektrisch verbunden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug mit einem Hochvoltnetz, einer elektrischen Schaltung und zumindest einem elektrischen Verbraucher. Insbesondere handelt es sich beim elektrischen Verbraucher um einen elektrischen Fahrzeugantrieb, der zwei ungleichnamige Pole aufweist. Hierbei ist der erste Pol des elektrischen Fahrzeugantriebs mit der ersten Anschlussstelle und ein zweiter Pol des elektrischen Fahrzeugantriebs mit der zweiten Anschlussstelle elektrisch verbunden.
Bevorzugt weist das Fahrzeug zumindest ein Nebenaggregat mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss auf. Der erste elektrische Anschluss ist mit der ersten Anschlussstelle elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Anschluss ist über eine achte Schalteinheit mit der zweiten Anschlussstelle elektrisch verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass die achte Schalteinheit zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sowie als Halbleiterbauelement ausgeführt ist. In dieser Anordnung ist das Nebenaggregat gemeinsam mit dem elektrischen Verbraucher, der insbesondere der Fahrzeugantrieb ist, von den elektrischen Energiespeichern über die erste Schalteinheit und die zweite Schalteinheit trennbar. Die achte Schalteinheit dient besonders vorteilhaft als elektronische Sicherung zum Schutz des Nebenaggregats.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste elektrische Anschluss des Nebenaggregats über eine neunte Schalteinheit mit dem ersten Polverbinder und der zweite elektrische Anschluss des Nebenaggregats über eine achte Schalteinheit mit dem zweiten Polverbinder elektrisch verbunden ist. Dabei sind die achte Schalteinheit und die neunte Schalteinheit zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar. Weiterhin ist vorgesehen, dass die achte Schalteinheit als Halbleiterbauelement ausgeführt und die neunte Schalteinheit im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt ist. Durch diese Anordnung des Nebenaggregats ist dieses unabhängig von dem Verbraucher, d.h. insbesondere dem Fahrzeugantrieb, mit elektrischer Energie versorgbar. So ist beispielsweise ermöglicht, den Verbraucher mittels der ersten Schalteinheit und der zweiten Schalteinheit von den Energiespeichern galvanisch zu trennen, während die Energiespeicher über den Ladeanschluss geladen werden. Das Nebenaggregat kann dabei dennoch mit den Energiespeichern verbunden bleiben. Wiederum ist bevorzugt vorgesehen, dass die achte Schalteinheit vorteilhaft als elektronische Sicherung zum Schutz des Nebenaggregats ausgebildet ist. Über die neunte Schalteinheit ist zusätzlich eine galvanische Trennung des Nebenaggregats von den Energiespeichern ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Abbildung eines Fahrzeugs mit einem Hochvoltnetz und einer elektrischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbespiel der Erfindung,
2 eine schematische Ansicht der elektrischen Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel mit einem Hochvoltnetz und einer Ladeinheit, und
3 eine schematische Ansicht der elektrischen Schaltung gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel mit einem Hochvoltnetz und einer Ladeinheit.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Fahrzeug 1 welches ein Hochvoltnetz 2 und eine elektrische Schaltung 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Hierbei sind das Hochvoltnetz 2 und die elektrische Schaltung 3 elektrisch miteinander verbunden.
2 zeigt schematisch ein Hochvoltnetz 2 und die elektrische Schaltung 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die elektrisch mit dem Hochvoltnetz 2 verbunden ist. Das Hochvoltnetz 2 umfasst eine erste Batterie 17 als ersten elektrischen Energiespeicher mit einem ersten Pol 17a und einem zweiten Pol 17b und eine zweite Batterie 18 als zweiten elektrischen Energiespeicher mit einem ersten Pol 18a und einem zweiten Pol 18b. Die Pole 17a, 17b, 18a, 18b der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 sind ungleichnamig.
Eine erste Anschlussstelle 4 ist zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols 19a eines elektrischen Verbrauchers 19, der insbesondere ein Fahrzeugantrieb ist, oder eines elektrischen Ladegerätes 21, insbesondere Gleichstromladegeräts, ausgebildet. Eine zweite Anschlussstelle 5 ist zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols 19b eines elektrischen Verbrauchers 19 oder eines elektrischen Ladegeräts 21 ausgebildet.
Eine erste Schalteinheit 6 ist mit einem ersten Polverbinder 13 und der ersten Anschlussstelle 4 elektrisch verbunden. Der erste Polverbinder 13 ist mit dem ersten Pol 17a der ersten Batterie 17 elektrisch verbunden. Eine zweite Schalteinheit 7 ist mit einem zweiten Polverbinder 15 und der zweiten Anschlussstelle 5 elektrisch verbunden. Der zweite Polverbinder 15 ist mit dem zweiten Pol 18b der zweiten Batterie 18 elektrisch verbunden. Die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 sind zwischen einem elektrisch trennenden und einem elektrisch verbindenden Zustand umschaltbar. Insbesondere sind die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 in einem elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt. Hierdurch wird eine sichere Trennung zwischen der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 und weiteren an die erste Anschlussstelle 4 und die zweite Anschlussstelle 5 angeschlossenen elektrischen Verbrauchern 19 oder elektrischen Ladegeräten 21 ermöglicht.
Eine dritte Schalteinheit 8 ist mit einem dritten Polverbinder 14 und dem ersten Polverbinder 13 elektrisch verbunden. Der dritte Polverbinder 14 ist zur elektrischen Kontaktierung des ersten Pols 18a der zweiten Batterie 18 ausgebildet. Eine vierte Schalteinheit 9 ist mit einem vierten Polverbinder 16 und dem zweiten Polverbinder 15 elektrisch verbunden. Der vierte Polverbinder 16 ist zur elektrischen Kontaktierung des zweiten Pols 17a der ersten Batterie 17 ausgebildet. Eine fünfte Schalteinheit 10 ist mit dem dritten Polverbinder 14 und dem vierten Polverbinder 16 elektrisch verbunden. Die dritte Schalteinheit 8, die vierte Schalteinheit 9 und die fünfte Schalteinheit 10 sind als jeweils zwei, gegen ihre Sperrrichtungen angeordnete, Transistoren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b ausgelegt und sind zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar.
Die erste Schalteinheit 6, der erste Polverbinder 13 und die dritte Schalteinheit 8 sind somit an einer ersten Kontaktstelle 4a gemeinsam verbunden. Ebenso sind die zweite Schalteinheit 7, der zweite Polverbinder 15 und die vierte Schalteinheit 9 an einer zweiten Kontaktstelle 5b gemeinsam verbunden. Die erste Schalteinheit 6 ist somit zwischen der ersten Kontaktstelle 4a und der ersten Anschlussstelle 4 vorgesehen. Die zweite Schalteinheit 7 ist insbesondere zwischen der zweiten Kontaktstelle 5a und der zweiten Anschlussstelle 5 vorgesehen.
Transistoren können gegenüber Hochspannungsrelais deutlich kleiner ausgeführt werden und benötigen daher weniger Raum in der elektrischen Schaltung.
Zudem weisen Transistoren keine mechanischen Komponenten auf, die für eine Umschaltung von einem elektrisch verbindenden in einen elektrisch trennenden Zustand bewegt werden müssen, und zeigen daher eine deutlich höhere Umschaltdynamik als Hochspannungsrelais. Dies ist besonders wichtig, wenn auftretende Kurzschlüsse oder Überspannungen an der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 vermieden werden sollen, um eine Schädigung der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 zu unterbinden. Hierzu kann der Stromkreislauf, durch das Umschalten der Transistoren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b der dritten Schalteinheit 8, der vierten Schalteinheit 9 und der fünften Schalteinheit 10 in einen elektrisch trennenden Zustand, unterbrochen werden. Da die Transistoren 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b der dritten Schalteinheit 8, der vierten Schalteinheit 9 und der fünften Schaleinheit 10 entgegen ihren Sperrrichtungen angeordnet sind, wird von jeweils einem der beiden Transistoren einer der Schalteinheiten 8, 9, 10 ein Strom in seiner Flussrichtung blockiert. So können die Schalteinheiten 8, 9, 10 sowohl einen Ladestrom als auch einen Entladestrom unterbrechen. Erst durch das Umschalten des Transistors, gegen dessen Sperrrichtung ein Strom fließen soll, in einen elektrisch verbindenden Zustand kann ein Strom fließen.
Befinden sich die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 in einem elektrisch verbinden Zustand, erfolgt eine parallele Verschaltung der ersten Batterie 17 mit der zweiten Batterie 18, indem sich die dritte Schalteinheit 8 und die vierte Schalteinheit 9 in einem elektrisch verbindenden Zustand befinden und sich die fünfte Schalteinheit 10 in einem elektrisch trennenden Zustand befindet. Durch das Umschalten der dritten Schalteinheit 8 und der vierten Schalteinheit 9 in einen elektrisch trennenden Zustand und der fünften Schalteinheit 10 in einen elektrisch verbindenden Zustand können die erste Batterie 17 und die zweite Batterie 18 seriell verschaltet werden.
Wie in 2 dargestellt weist das Hochvoltnetz 2 einen elektrischen Verbraucher 19 mit zwei ungleichnamigen Polen 19a, 19b auf. Hierbei ist der erste Pol 19a des elektrischen Verbrauchers 19 mit der ersten Anschlussstelle 4 und der zweite Pol 5 des elektrischen Verbrauchers 19 mit der zweiten Anschlussstelle 5 elektrisch verbunden. Befinden sich die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 in einem elektrisch verbindenden Zustand ist der elektrische Verbraucher 19 mit der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 elektrisch verbunden und kann hierrüber mit Strom versorgt werden. Insbesondere können die erste Batterie 17 und die zweite Batterie 18 bei der Versorgung des ersten elektrischen Verbrauchers 19 seriell miteinander verschaltet sein, um eine höhere Leistung bei geringeren Verlusten an den elektrischen Verbraucher 19 abzugeben.
Über einen Ladeanschluss 20 kann ein Ladegerät 21 zum Laden der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 angeschlossen werden. Der Ladeanschluss 20 kann über eine sechste Schalteinheit 11 mit der ersten Kontaktstelle 4a - dadurch mit dem ersten Polverbinder 13 - und über eine siebte Schalteinheit 12 mit der zweiten Kontaktstelle 5a - dadurch mit dem zweiten Polverbinder 15 - elektrisch verbunden werden. Die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12 sind zwischen einem elektrisch trennenden und einem elektrisch verbindenden Zustand umschaltbar. Insbesondere sind die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12 in einem elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend.
Befinden sich die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12 in einem elektrisch verbindenden Zustand, besteht eine elektrische Verbindung zwischen dem Ladegerät 21 und der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18. Die erste Batterie 17 und die zweite Batterie 18 können sowohl in einer seriellen Verschaltung als auch in einer parallelen Verschaltung durch das Ladegerät 21 geladen werden. Die Verschaltung der ersten Batterie 17 mit der zweiten Batterie 18 kann an die vom Ladegerät 21 zur Verfügung gestellten Ladespannung angepasst werden. So ist die Gesamtspannung der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 bei einer seriellen Verschaltung höher als bei einer parallelen Verschaltung.
Die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12 sind ohne elektrische Last schaltbar, sodass die Gefahr von Funkenbildung während des Schaltvorgangs vermieden ist. Außerdem ist eine Schaltgeschwindigkeit der sechsten Schalteinheit 11 und der siebten Schalteinheit 12 nicht relevant. Daher sind insbesondere galvanisch trennende Einheiten wie Schütze und/oder Relais vorteilhaft für die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12.
Bevorzugt weist das Fahrzeug 1 weiterhin zumindest ein Nebenaggregat 22 mit einem ersten elektrischen Anschluss 22a und einem zweiten elektrischen Anschluss 22b auf. Der erste elektrische Anschluss 22a ist mit der ersten Anschlussstelle 4 elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Anschluss 22b ist über eine achte Schalteinheit 23 mit der zweiten Anschlussstelle 5 elektrisch verbunden. Somit ist das Nebenaggregat 22 parallel zu dem Verbraucher 19, d.h. insbesondere dem Antrieb, mit den Anschlussstellen 4, 5 elektrisch verbunden. In dieser Anordnung ist das Nebenaggregat 22 gemeinsam mit dem elektrischen Verbraucher 19 über die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 von der ersten Batterie 17 sowie der zweiten Batterie 18 trennbar.
Die achte Schalteinheit 23 ist zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sowie als Halbleiterbauelement ausgeführt. Die achte Schalteinheit 23 dient besonders vorteilhaft als elektronische Sicherung zum Schutz des Nebenaggregats 22.
Eine alternative Ausgestaltung ist in 3 gezeigt. Der einzige Unterschied zu 2 ist die Anbindung des Nebenaggregats 22. In der in 3 gezeigten Ausgestaltung ist der erste elektrische Anschluss 22a des Nebenaggregats 22 über eine neunte Schalteinheit 24 mit der ersten Kontaktstelle 4a - dadurch mit dem ersten Polverbinder 13 - elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Anschluss 22b des Nebenaggregats 22 ist über eine achte Schalteinheit 23 mit der zweiten Kontaktstelle 5b - dadurch mit dem zweiten Polverbinder 15 - elektrisch verbunden. Die achte Schalteinheit 23 ist dabei identisch zu der zuvor beschriebenen achten Schalteinheit 23.
Die neunte Schalteinheit 24 ist zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar. Weiterhin ist vorgesehen, dass die neunte Schalteinheit 24 im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt ist.
Durch diese Anordnung des Nebenaggregats 22 ist dieses unabhängig von dem Verbraucher 19, d.h. insbesondere dem Fahrzeugantrieb, mit elektrischer Energie versorgbar. So ist beispielsweise ermöglicht, den Verbraucher 19 mittels der ersten Schalteinheit 6 und der zweiten Schalteinheit 7 von der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 galvanisch zu trennen, während die Batterien 17, 18 über den Ladeanschluss 20 geladen werden. Das Nebenaggregat 22 kann dabei dennoch mit der ersten Batterie 17 und der zweiten Batterie 18 verbunden bleiben. Über die neunte Schalteinheit 24 ist eine galvanische Trennung des Nebenaggregats 22 von den Batterien 17, 18 ermöglicht.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die fünfte Schalteinheit 8 lediglich einen einzelnen Transistor 8a, 8b aufweist, d.h. bezüglich der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen wird auf einen der beiden Transistoren 8a, 8b verzichtet. Die fünfte Schalteinheit 8 ist in diesem Fall ausgebildet, einen Entladestrom aus den Energiespeichern 17, 18 zu sperren, wenn die Batterien 17, 18 in Serie geschaltet sind. In diesem Fall lassen sich insbesondere Ladeströme oder Rekuperationsströme durch die erste Schalteinheit 6 und die zweite Schalteinheit 7 unterbrechen. DC-Ladeströme lassen sich durch die sechste Schalteinheit 11 und die siebte Schalteinheit 12 unterbrechen. Die fünfte Schalteinheit 8 ist in diesem Fall einfacher und kostengünstiger ausgelegt, als wenn beide Transistoren 8a, 8b verwendet werden.
Das Nebenaggregat 22 kann in allen Ausgestaltungen wie zuvor beschrieben ein oder mehrere Geräte aufweisen. Auch können insbesondere mehrere Nebenaggregate 22 wie zuvor beschrieben vorgesehen sein.
Zusammengefasst umfasst die vorliegende Erfindung eine Schaltung 3 für ein Hochvoltnetz aufweisend eine erste und eine zweite Anschlussstelle 4, 5, die zur elektrischen Verbindung mit einem Verbraucher 19 und/oder einem Ladegerät 21 ausgebildet sind, eine erste Schalteinheit 6 zwischen einem ersten Polverbinder 13, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols 17a eines ersten elektrischen Energiespeichers 17, und der ersten Anschlussstelle 4, eine zweite Schalteinheit 7 zwischen einem zweiten Polverbinder 15, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols 18b eines zweiten elektrischen Energiespeichers 18 und der zweiten Anschlussstelle 5, eine dritte Schalteinheit 8 zwischen dem ersten Polverbinder 13 und einem dritten Polverbinder 14, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols 18a des zweiten elektrischen Energiespeichers 18, eine vierte Schalteinheit 9 zwischen dem zweiten Polverbinder 15 und einem vierten Polverbinder 16, ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols 17b des ersten elektrischen Energiespeichers 17, einen Ladeanschluss 20 zur Verbindung mit einer Ladeinheit 21, eine sechste Schalteinheit 11 zwischen dem Ladeanschluss 20 und dem ersten Polverbinder 13, und eine siebte Schalteinheit 12 zwischen dem Ladeanschluss 20 und dem zweiten Polverbinder 15, wobei die Schalteinheiten zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sind, wobei die erste und/oder zweite und/oder sechste und/oder die siebte Schalteinheit 6, 7, 11, 12 im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt sind, und wobei die dritte und/oder vierte Schalteinheit 8, 9 als Halbleiterbauelemente ausgeführt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2418750 A2 [0003]
JP 2012034535 A [0004]

Claims

Elektrische Schaltung (3) für ein Hochvoltnetz (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Hochvoltnetz (2) zumindest zwei elektrische Energiespeicher (17, 18) aufweist, die elektrische Schaltung (3) aufweisend: - zumindest eine erste Anschlussstelle (4) und eine zweite Anschlussstelle (5), die zur elektrischen Verbindung mit einem Verbraucher (19) und/oder einem Ladegerät (21) ausgebildet sind, - zumindest eine erste Schalteinheit (6), die zwischen einem ersten Polverbinder (13), ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols (17a) eines ersten elektrischen Energiespeichers (17), und der ersten Anschlussstelle (4) angeordnet ist, - zumindest eine zweite Schalteinheit (7), die zwischen einem zweiten Polverbinder (15), ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols (18b) eines zweiten elektrischen Energiespeichers (18), und der zweiten Anschlussstelle (5) angeordnet ist, - zumindest eine dritte Schalteinheit (8), die zwischen dem ersten Polverbinder (13) und einem dritten Polverbinder (14), ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines ersten Pols (18a) des zweiten elektrischen Energiespeichers (18), angeordnet ist, - zumindest eine vierte Schalteinheit (9), die zwischen dem zweiten Polverbinder (15) und einem vierten Polverbinder (16), ausgebildet zur elektrischen Kontaktierung eines zweiten Pols (17b) des ersten elektrischen Energiespeichers (17), angeordnet ist, - einen Ladeanschluss (20) zur Verbindung mit einer Ladeinheit (21), - zumindest eine sechste Schalteinheit (11), die zwischen dem Ladeanschluss (20) und dem ersten Polverbinder (13) angeordnet ist, und - zumindest eine siebte Schalteinheit (12), die zwischen dem Ladeanschluss (20) und dem zweiten Polverbinder (15) angeordnet ist, - wobei die Schalteinheiten (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sind, - wobei die erste Schalteinheit (6) und/oder die zweite Schalteinheit (7) und/oder die sechste Schalteinheit (11) und/oder die siebte Schalteinheit (12) im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt sind, und - wobei die dritte Schalteinheit (8) und/oder die vierte Schalteinheit (9) als Halbleiterbauelemente ausgeführt sind.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schalteinheit (8) und/oder die vierte Schalteinheit (9) einen oder mehrere Transistoren (8a, 8b, 9a, 9b) aufweisen.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schalteinheit (8) und/oder die vierte Schalteinheit (9) jeweils zwei Transistoren (8a, 8b, 9a, 9b) aufweisen, die jeweils so angeordnet sind, dass deren Sperrrichtungen entgegengesetzt sind, wobei bevorzugt die Transistoren (8a, 8b, 9a, 9b) der dritten Schalteinheit (8) und/oder der vierten Schalteinheit (9) jeweils über ihre Source-Seite miteinander elektrisch verbunden sind.
Elektrische Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine fünfte Schalteinheit (10) die zwischen dem dritten Polverbinder (14) und dem vierten Polverbinder (16) angeordnet ist, wobei bevorzugt die fünfte Schalteinheit (10) als Halbleiterbauelement ausgeführt ist und zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar ist.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Schalteinheit (10) zwei Transistoren (10a, 10b) aufweist, die jeweils so angeordnet sind, dass deren Sperrrichtungen entgegengesetzt sind, wobei bevorzugt die Transistoren (10a, 10b) der fünften Schalteinheit (10) über ihre Source-Seite miteinander elektrisch verbunden sind.
Hochvoltnetz (2) eines Fahrzeuges (1) umfassend eine elektrische Schaltung (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, eine erste Batterie (17) mit zwei ungleichnamigen Polen (17a, 17b) als ersten elektrischen Energiespeicher (17) und eine zweite Batterie (18) mit zwei ungleichnamigen Polen (18a, 18b) als zweiten elektrischen Energiespeicher (18), wobei der erste Pol (17a) der ersten Batterie (17) mit dem ersten Polverbinder (13) elektrisch verbunden ist und der zweite Pol (17b) der ersten Batterie (17) mit dem vierten Polverbinder (16) elektrisch verbunden ist und der erste Pol (18a) der zweiten Batterie (18) mit dem dritten Polverbinder (14) elektrisch verbunden ist und der zweite Pol (18b) der zweiten Batterie (18) mit der zweiten Polverbinder (15) elektrisch verbunden ist.
Fahrzeug (1) umfassend eine elektrische Schaltung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder ein Hochvoltnetz (2) nach dem Anspruch 6, sowie zumindest einen elektrischen Verbraucher (19), insbesondere einen elektrischen Fahrzeugantrieb (19), der zwei ungleichnamige Pole (19a, 19b) aufweist, wobei ein erster Pol (19a) eines elektrischen Fahrzeugantriebs (19) mit der ersten Anschlussstelle (4) und ein zweiter Pol (19b) eines elektrischen Fahrzeugantriebs (1) mit der zweiten Anschlussstelle (5) elektrisch verbunden ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 7 aufweisend zumindest ein Nebenaggregat (22) mit einem ersten elektrischen Anschluss (22a) und einem zweiten elektrischen Anschluss (22b), wobei der erste elektrische Anschluss (22a) mit der ersten Anschlussstelle (4) und der zweite elektrische Anschluss (22b) über eine achte Schalteinheit (23) mit der zweiten Anschlussstelle (5) elektrisch verbunden ist, und wobei die achte Schalteinheit (23) zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sowie als Halbleiterbauelement ausgeführt ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 7 aufweisend zumindest ein Nebenaggregat (22) mit einem ersten elektrischen Anschluss (22a) und einem zweiten elektrischen Anschluss (22b), wobei der erste elektrische Anschluss (22a) über eine neunte Schalteinheit (24) mit dem ersten Polverbinder (13) und der zweite elektrische Anschluss (22b) über eine achte Schalteinheit (23) mit dem zweiten Polverbinder (15) elektrisch verbunden ist, wobei die achte Schalteinheit (23) und die neunte Schalteinheit (24) zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umschaltbar sind, wobei die achte Schalteinheit (23) als Halbleiterbauelement ausgeführt und die neunte Schalteinheit (24) im elektrisch trennenden Zustand galvanisch trennend ausgelegt ist.