DE112010005389T5 - Hochspannungs-Verriegelungsschaltung, welche einen seriellen Kommunikationsbereich verwendet - Google Patents

Hochspannungs-Verriegelungsschaltung, welche einen seriellen Kommunikationsbereich verwendet Download PDF

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Abstract

Das System bietet eine Steuerung der Verbindung elektrischer Leistungsquellen mit elektrischen Lasten, die in einem Kraftfahrzeug installiert sind, und begrenzt das Aussetzen von Personal zu relativ hohen elektrischen Spannungen aus der elektrischen Leistungsquelle. Das System schließt eine serielle Kommunikations-Sammelschiene und ein Stromkabel ein, welche durch das Kraftfahrzeug geführt sind. Wenigstens ein erster Anschluss ist vorgesehen, durch welchen die serielle Kommunikations-Sammelschiene und das Stromkabel geführt sind, welcher ein zeitweiliges Trennen der seriellen Kommunikation-Sammelschiene und des Stromkabels ermöglicht. Das Stromkabel schließt einen Schaltkreisunterbrecher ein, welcher auf bestimmte Bedingungen auf der seriellen Kommunikations-Sammelschiene ansprechbar ist, einschließlich (allerdings nicht darauf beschränkt) der Beendigung des Datenverkehrs auf der seriellen Kommunikations-Sammelschiene.

Description

  • Hintergrund
  • Technisches Gebiet:
  • Das technische Gebiet bezieht sich ganz allgemein auf Verriegelungen zum Isolieren elektrischer Leistungsquellen und genauer auf ihre Anwendung bei Stromkabeln oder Kabelverbindern an Kraftfahrzeugen.
  • Beschreibung des Problems:
  • Hybridelektrische und elektrische Fahrzeuge stellen eine Speicherung von elektrischer Leistung in Batterien oder in Kondensatoren bereit. Solche Batterien oder Kondensatoren weisen von Klemme zu Klemme Spannungsdifferenzen auf, welche um mehr als eine Größenordnung größer sind als bei klassischen Batterien, welche in den meisten gegenwärtigen Lastkraftwagen oder Autos benutzt werden. Kabel, die an den Batterien angeschlossen sind, können diese relativ hohen Potenziale an Anschlussklemmen an Verbindungspunkten zu dem elektrischen System des Fahrzeugs aufweisen.
  • In Anwendungen, in denen Personen potentiell Hochspannungen ausgesetzt sind, sind Verriegelungsschaltungen verwendet worden, um die Hochspannungsquelle zu isolieren, wenn Anschlüsse geöffnet werden und eventuell Anschlussklemmen freiliegen können, welche Hochspannungen tragen. US Patent 5 949 806 (Ness et al.) lehrt solche Hochspannungs-Verriegelungsschaltungen. Zusätzlich wurden Anschlüsse, die in Hochspannungsanwendungen verwendet werden, modifiziert, um das Beifügen einer Verriegelungsschaltung zu unterstützen, welche unterbrochen wird, wenn die Anschlussbereiche nicht sicher befestigt sind. Für Kraftfahrzeuge werden solche Anschlüsse allgemein in einer 4- und 5-Drahtversion bereitgestellt. In einem 4-Drahtkabel werden zwei Drähte für den Hochspannungskreis verwendet und zwei Drähte werden für die Spannungs-Verriegelungsschaltung verwendet. In einem 5-Drahtanschluss werden drei Drähte für Hochspannung und zwei für die Verriegelungsschaltung verwendet. Beide Typen von Anschlüssen sehen eine Abschirmung vor.
  • Kurzfassung
  • Das System gewährleistet eine Steuerung der Verbindung einer elektrischen Leistungsquelle mit elektrischen Lasten, die an einem Motorfahrzeug installiert sind, durch Verriegelungen und begrenzt dadurch, dass Personen relativ hohen elektrischen Spannungen ausgesetzt werden. Das System weist ein Hochspannungsversorgungssystem auf, welches Stromkabel umfasst, die durch das Motorfahrzeug geführt sind, und wenigstens eine serielle Kommunikations-Sammelschiene, welche für einen Teil ihrer Länge physikalisch dem Stromkabel benachbart ist. Die Verriegelungsaktivierungsfunktionen können durch Verwenden der seriellen Kommunikations-Sammelschiene anstelle einer bestimmten Verriegelungsschaltung ausgeführt werden. Es ist wenigstens ein Anschluss vorgesehen, durch welchen die serielle Kommunikations-Sammelschiene und ein Stromkabel geführt sind, was ein zeitlich begrenztes Abtrennen der seriellen Kommunikations-Sammelschiene und des Stromkabels ermöglicht. Ein Stromkabelunterbrecher ist in dem Stromkabel angeordnet, um eine elektrische Isolierung der benachbarten Seite des Anschlusses von einer elektrischen Leistungsquelle zu ermöglichen. Ein Signalauswerter ist mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene verbunden. Der Signalauswerter spricht auf Änderungen in dem Kommunikationsverkehr oder der Sammelschienen-Impedanz an, was ein Öffnen des Anschlusses anzeigt. In Antwort auf den Status des Verkehrs oder der Sammelschienen-Impedanz steuert der Signalauswerter den Status des Stromkabelunterbrechers. Zusätzlich können spezifische Instruktionen zum Generieren eines Befehlssignals zur Steuerung des Status des Stromkabelunterbrechers auf die serielle Kommunikations-Sammelschiene oder eine andere serielle Kommunikations-Sammelschiene angewendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Steuersystems für ein hybridelektrisches Fahrzeug.
  • 2 ist ein mehr detailliertes Schaltbild für eine Verriegelungsschaltung für Stromkabel eines hybridelektrischen Fahrzeugs.
  • 3 ist ein Schaltkreisschema für eine Verriegelungsschaltung mit gemischten Quellen für eine Stromverkabelung in einem hybridelektrischen Fahrzeug.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung können Beispiele, Größen/Modelle/Werte/Bereiche in Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele angegeben werden, welche aber nicht beschränkend ausgelegt werden dürfen.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren und insbesondere auf 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild für ein Steuersystem 10 gezeigt, welches eine Steuerung eines Antriebsstrangs und eines Hochspannungs-Leistungsversorgungssystems 12 eines hybridelektrischen Fahrzeugs bereitstellt. Das Steuersystem 10 schließt einige serielle Kommunikations-Sammelschienen 18, 64, 68, 74 ein, welche Datenverbindungen über eine Auswahl von Steuerungen und Fahrzeugschaltern bereitstellen, einschließlich einer logischen/elektrischen Systemsteuerung 24, eine Art Bordcomputer, welche als eine Systemaufsicht arbeitet. Die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 wird geteilt von und erstreckt sich zwischen Hochspannungskomponenten des Steuersystems 10 und ist deshalb verfügbar für die Verwendung in einer schaltkreisintegrierten Überwachung des Hochspannungsversorgungssystems 12.
  • Die logische Steuerung 24 ist durch eine serielle Kommunikations-Sammelschiene 18 nach J1939 der Society of Automotive Engineers (SAE) mit einer Vielzahl von lokalen Steuerungen verbunden, einschließlich einer Antiblockier-Bremssystem(ABS-) Steuerung 50, einer Motorsteuerung 46 und einer Hybridsteuerung 48. Die Hybridsteuerung 48 ist weiterhin mit einer seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 (HEV CAN) verbunden, von der Bereiche in großer physikalischer Nähe zu dem Hochspannungs-Leistungsversorgungssystem 12 angeordnet sind. Die Hybridsteuerung 48 und die Motorsteuerung 46 können auch mit einer vierten Kommunikations-Sammelschiene 68 (einer SAE-J1587-Sammelschiene) kommunizieren. Ein Diagnoseanschluss 44 ist mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 18 und mit der Kommunikations-Sammelschiene 68 verbunden. Die Kommunikations-Sammelschiene 64 ermöglicht es der logischen Steuerung 24 Schaltstellungen von Kabinenschalterpaketen 56 abzufragen. Die Steuerungen, die mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 verbunden sind, schließen eine Antriebsmotorsteuerung 38, einen Batteriemonitor 40, eine Hilfsleistungs-(APG)Steuerung 30, eine Kupplungs-/Getriebesteuerung 42 und die Hybridsteuerung 48 ein.
  • Das Hochspannungs-Leistungsversorgungssystem 12 schließt eine Antriebsbatterie 34, eine Hochspannungs-Gleichspannungs-Leistungssammelschiene 82, einen Schaltkreisunterbrecher 76, einen Hybriddrehrichter 36, eine Dreiphasenstrom-Sammelschiene 84, einen Dreiphasen-Schaltkreisunterbrecher 78 und einen Antriebsmotor 32 ein. Die oben beschriebenen Anschlüsse können entweder in Verbindung mit der Hochspannung-Gleichspannungs-Leistungssammelschiene 82 oder der Dreiphasen-Leistungssammelschiene 84 und der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 verwendet werden. Das Hochspannungs-Leistungsversorgungssystem 12 ist für Inspektionen, Wartung und eine eventuelle Entnahme von Komponenten einschließlich der Antriebsbatterien 34 zugänglich.
  • Abhängig von dem Betriebsmodus des Fahrzeugs kann ein Leistungsfluss in beide Richtungen durch den Hybriddrehrichter 36, nämlich von dem Antriebsmotor 32 zur Antriebsbatterie 34 oder von der Antriebsbatterie 34 zu dem Antriebsmotor 32, auftreten. Mit anderen Worten, die Antriebsbatterie 34 kann eine Last oder eine Quelle für Leistung sein. In ähnlicher Weise kann der Antriebsmotor 32 eine Last sein, wenn er während einer Beschleunigung angesteuert wird, oder eine Quelle für Leistung, wenn er während des regenerativen Bremsens des Fahrzeugs angetrieben wird. Der Hybriddrehrichter 36 kann als eine Quelle oder als eine Last aus der Perspektive entweder des Antriebsmotors 32 oder der Antriebsbatterie 34 auftreten.
  • Da die Antriebsbatterien 34 und der Antriebsmotor 32 die Rollen als Quelle oder als Last abhängig vom Betriebsmodus des Fahrzeugs tauschen können, bezieht sich die 2 auf generische elektrische ”Quellen 66” und ”Lasten 70”. Das Entfernen der generischen elektrischen Quellen 66 und der generischen elektrischen Lasten 70 ist durch das Vorsehen von elektrischen Anschlüssen zu den Komponenten einfacher, die durch die Verwendung von Anschlusssteckern 14A und 14B in den Stromleitern repräsentiert werden. Die Anschlussstecker 14A und 14B können von Hand geöffnet und geschlossen werden. Das eventuelle Aussetzen von Personal zu Spannungen von 300 V oder höher, welche durch die Antriebsbatterie 34 gespeist sein können, ist durch Unterbrechen des Stromkabels zwischen der elektrischen Quelle 66 und dem Anschlussstecker 14A bevor die Anschlussstecker 14A und B vollständig getrennt sind, begrenzt.
  • Entweder die Hochspannung-Gleichspannungs-Sammelschiene 82 oder die Dreiphasen-Stromsammelschiene 84 können zum Isolieren der Anschlüsse 14A, 14B von der elektrischen Leistungsquelle 66 unterbrochen werden. 2 zeigt eine Maßnahme eines Verriegelungsrelais 16 zum Steuern des offenen und des geschlossenen Status einer Gleichspannungs-Schaltkreisverriegelung 76, welche in der Hochspannungs-Gleichspannungs-Leistungssammelschiene 82 angeordnet ist. Der Schaltkreisunterbrecher ist zwischen der Untergrundanschlussklemme der generischen elektrischen Quelle 66 (typischerweise korrespondierend zu der Antriebsbatterie 34) und der generischen elektrischen Last 70 (hier dem Hybriddrehrichter 36 entsprechend) angeordnet. Das Verriegelungsrelais 16 kann auch zum Steuern der offenen und der geschlossenen Stellung des Dreiphasen-Schaltkreisunterbrechers 78 verwendet werden, der in der Dreiphasen-Stromsammelschiene 84 angeordnet ist, welche die Dreiphasen-Wechselspannungsanschlussklemme des Hybriddrehrichters 36 mit dem Antriebsmotor 32 verbindet. Der Schaltkreisunterbrecher 76 oder der Dreiphasen-Schaltkreisunterbrecher 78 können auf verschiedene Weise realisiert werden, zum Beispiel als Strom-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS FETs), NPN-Transistoren mit offenem Kollektor, Vakuumtrioden, Solenoid aktivierten Relais und so weiter.
  • Das Verriegelungsrelais 16 arbeitet in Antwort auf ein Signal, welches in Antwort auf ein Ausbleiben von Datenverkehr an der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 oder möglicherweise auf ein Ausbleiben einer Erkennung einer Sammelschienen-Endimpedanz nach Aufbringen eines Impedanz-Ermittlungssignals generiert wird. Der Datenverkehr an der Kommunikations-Sammelschiene 74 endet und eine der Sammelschienen-Endimpedanzen wird abgeschaltet, wenn die Anschlüsse 14A und 14B getrennt werden, durch welche die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 verbunden wird. Es ist ein Signalauswerter zum Generieren eines Signals, welches auf das Verriegelungsrelais 16 angewendet wird, vorgesehen. Der Signalauswerter kann eine Anzahl unterschiedlicher Formen haben. Zum Bespiel kann der Signalauswerter ein Verkehrsdetektor 20 für die serielle Kommunikations-Sammelschiene sein. Der Signalauswerter kann eine Sammelschienenbrücke, einschließlich eines CAN-Kommunikationsinterface, zum Erhalten von Befehlen über eine zweite serielle Kommunikationssammelschiene hinzufügen. In diesem Fall wird ein Mikroprozessor hinzugefügt und programmiert, um Befehle zu dekodieren, welche den Betrieb des Verriegelungsrelais 16 und dadurch die Stellung des Schaltkreisunterbrechers 76 oder des Dreiphasen-Schaltkreisunterbrechers 78 steuern. Eine solche Antwort ist softwarebasiert und kann dadurch in Antwort auf die Stellung von verschiedenen Sensoren im Fahrzeug arbeiten, wie beispielsweise das Öffnen einer Zugangsklappe in einem Bereich der elektrischen Leistungsquelle oder Erfassen eines Unfalls (zum Beispiel Einsatz des Airbags).
  • Der Verkehrsdetektor 20 für die serielle Kommunikations-Sammelschiene ist als Hardware implementiert. Ein Paar von Lesedrähten 80 ist vorgesehen, um mit jedem Draht in der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 verbunden zu werden. Wenn die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 aktiv ist, also wenn sie Datenverkehr trägt, unterliegt sie ständigen Spannungsänderungen. Für eine serielle J1939-CAN-Kommunikations-Sammelschiene betragen die Spannungsänderungen typischerweise zwischen negativen 50 mV und positiven 2,5 V.
  • Der Verkehrsdetektor 20 für die serielle Kommunikation-Sammelschiene spricht auf Spannungsdifferenzen an, die mit Datenverkehr einhergehen, die zwischen den Drähten der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 zum Generieren eines Signals auftreten, welche, wenn sie auf das Verriegelungsrelais 16 angewendet werden, in der Erzeugung eines Signals durch das Verriegelungsrelais resultieren, was den Schaltkreisunterbrecher 76 geschlossen hält. Ein Ausbleiben von Datenverkehr an der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 resultiert in einer Änderung im Status des Signals von dem Verriegelungsrelais 16, was den Schaltkreisunterbrecher 76 öffnet. Das Ausbleiben von Daten muss für einen minimalen Zeitschwellwert anhalten, um einen Keinen-Verkehr-Status anzuzeigen.
  • Die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 ist dicht benachbart zu Hochspannungsleitungen des Hochspannungs-Leistungsversorgungssystems 12 geführt und ist durch die Verriegelungsschaltungsleiter von konventionellen Vierdrahtanschlüssen 14A und 14B geführt, welche eine konventionelle Verriegelungsschaltung ersetzen, oder durch einen 5-Drahtanschluss, falls sie für eine Dreiphasen-Stromsammelschiene 84 verwendet wird.
  • Zusätzlich zum Überwachen der Unterbrechung der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 können die Schaltkreisunterbrecher 76, 78 in Antwort auf einen Befehl, dieses zu tun, einer anderen seriellen Kommunikations-Sammelschiene geöffnet werden, beispielsweise der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 18. 3 zeigt eine Ergänzung der Überwachung von logischen Steuersignalen für eine Datenverkehrsüberwachung. Wie zuvor ist die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 durch ein Paar von Lesedrähten 80 mit dem Kommunikation-Sammelschienenverkehrsdetektor 20 verbunden, welcher ein Signal an eine Eingabeklemme eines UND-Gatters 90 liefert. Zum Erfassen und Dekodieren eines logischen Steuersignals ist ein CAN-Interface 86 mit einer zweiten seriellen Kommunikations-Sammelschiene 18 verbunden, welche Hilfssignale trägt, welche das Öffnen oder Schließen des Verriegelungsrelais 16 für eine Übertragung über die serielle Kommunikations-Sammelschiene 74 anordnen. Ein Mikroprozessor 88 ist mit dem CAN-Interface 86 verbunden, welches Steuersignale identifizierte, welche für den Knoten vorgesehen sind, und welches aufgrund des Signals arbeitet, um ein Signal für zwei Stellungen für die Anwendung auf eine zweite Anschlussklemme des UND-Gatters 90 zu generieren. Deshalb muss sowohl Verkehr an der seriellen Kommunikations-Sammelschiene 74 vorliegen als auch ein Spannungs-Steuerwert, welcher über die serielle Kommunikations-Sammelschiene 18 erhalten wird, anzeigen, dass die Schaltkreisunterbrecher 76 oder 78 geschlossen bleiben sollen, damit die Schaltkreisunterbrecher geschlossen bleiben. Das Befehlssignal zum Anordnen des Verbindens der Hochspannungs-Sammelschiene wird zu dem Mikroprozessor 88 in regelmäßigen Intervallen gesendet und, falls das Befehlssignal nicht mehr erhalten wird, gibt der Mikroprozessor 88 einen dekodierten Befehl an das UND-Gatter 90 und anschließend an den logischen Gatterausgabeverstärker 92 aus, um die Hochspannungs-Sammelschiene durch das Verriegelungsrelais 16 zu unterbrechen. Die Ausgabe des UND-Gatters 90 kann durch den logischen Gatterausgabeverstärker 92 geführt werden, bevor sie auf das Verriegelungsrelais 16 angewendet wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5949806 [0003]

Claims (10)

  1. Verriegelungssystem für eine elektrische Stromverkabelung umfassend: eine serielle Kommunikations-Sammelschiene; einen Schaltkreisunterbrecher, welcher in der elektrischen Stromverkabelung angeschlossen ist und eine offene und eine geschlosse Stellung aufweist; einen Anschluss, welcher Kontakte für die elektrische Stromverkabelung und Kontakte für eine Verriegelungsschaltung aufweist; die serielle Kommunikations-Sammelschiene, welche durch die Kontakte der Verriegelungsschaltung des Anschlusses geführt ist; Mittel, die mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene zum Zuführen von Signalen über die serielle Kommunikations-Sammelschiene verbunden sind; einen Signalauswerter, welcher mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene verbunden ist und auf Signalpegel auf der seriellen Kommunikations-Sammelschiene anspricht, um ein Statussignal zu generieren, welches einen ersten und einen zweiten Status aufweist; und Mittel, die auf den Status des Signalauswerters zum Öffnen und Schließen der Schaltkreisverriegelungen ansprechen.
  2. Verriegelungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: den Signalauswerter, der einen Signalverkehrsdetektor aufweist, der durch Lesedrähte mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene verbunden ist, wobei der Signalverkehrsdetektor für ein Generieren eines Statussignals vorgesehen ist, wobei der erste Status den Schaltkreisunterbrecher öffnet und der zweite Status dem Schaltkreisunterbrecher ermöglicht, zu schließen.
  3. Verriegelungssystem nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: den Signalauswerter, welcher eine Kommunikationsbrücke aufweist, welche auf einen Befehl anspricht, der über eine Kommunikationsverbindung erhalten wird und welche ein Signal für zwei Stellungen generiert, welches einen ersten und einen zweiten Status hat, wobei der erste Status den Schaltkreisunterbrecher öffnet und der zweite Status dem Schaltkreisunterbrecher ermöglicht, zu schließen; und ein UND-Gatter, welches angeschlossen ist, das Statussignal und das Signal für zwei Stellungen zu erhalten.
  4. Das Verriegelungssystem nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: die serielle Kommunikations-Sammelschiene, die Teile eines Fahrzeug-Steuerungsbereichsnetzwerks (Controller area network – CAN) ist.
  5. Verfahren zum Generieren eines Verriegelungssignals, welches folgende Schritte umfasst: Führen einer seriellen Kommunikations-Sammelschiene durch ein Verriegelungsrelais eines Mehrfachanschlusssteckers und einer Stromverkabelung durch Stromleiter des Mehrfachanschlusssteckers; Überwachen eines Signalpegels, welcher einen laufenden Kommunikationsverkehr auf der seriellen Kommunikations-Sammelschiene anzeigt; Generieren einer Unterbrechung der Stromübertragung über das Stromkabel in Antwort auf eine Beendigung des Kommunikationsverkehrs auf der seriellen Kommunikations-Sammelschiene.
  6. System zum Steuern der Verbindung einer elektrischen Leistungsquelle mit einer elektrischen Last, die an einem Kraftfahrzeug installiert ist, wobei das System umfasst: eine serielle Kommunikations-Sammelschiene, die durch das Kraftfahrzeug geführt ist; Stromkabel, die durch das Kraftfahrzeug geführt sind; wenigstens einen ersten Anschluss, durch welchen die serielle Kommunikations-Sammelschiene und das Stromkabel geführt sind, welcher ein zeitweiliges Abtrennen der seriellen Kommunikations-Sammelschienen und des Stromkabels ermöglicht; einen Stromkabelunterbrecher, der in dem Stromkabel angeordnet ist, um eine elektrische Isolierung des Anschlusses von der elektrischen Leistungsquelle zu ermöglichen; einen Signalauswerter, der mit der seriellen Kommunikations-Sammelschiene verbunden ist, wobei der Signalauswerter auf einen Kommunikationsverkehr, eine Sammelschienenimpedanz oder speziellen Anweisungen zum Generieren eines Befehlssignals zum Steuern der Stellung des Stromkabelunterbrechers ansprechbar ist.
  7. System nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: die serielle Kommunikations-Sammelschiene, die Teil eines Steuerungsbereichsnetzwerks (Controller area network – CAN) ist.
  8. System nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: den Signalauswerter, der ein Kommunikationsverkehrsdetektor ist.
  9. System nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: das Stromkabel, welches die Übertragung von Dreiphasen-Drehstrom ermöglicht.
  10. System nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: die Stromkabel, welche zwei Kabel einschließen.
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