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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Offenbarung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr.
62/760,858 , eingereicht am 13. November 2018, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen ist.
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EINFÜHRUNG
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Elektrofahrzeuge schließen üblicherweise eine Hochleistungsbatterie ein, die mit einer Last, wie einer elektrischen Antriebseinheit, verbunden ist. Die Spannung über die Anschlüsse solcher Batterien können 300 V übersteigen, wobei ein Betriebsstrom 500 A übersteigen kann. Da ein Kurzschluss an den Anschlüssen zu einer Gefährdung der Insassen des Elektrofahrzeugs und/oder einer Beschädigung der Fahrzeugkomponenten führen kann, schließen herkömmliche Elektrofahrzeuge eine Sicherung in Reihe mit der Batterie und der Last ein, um den Kurzschluss zu unterbrechen. Üblicherweise wird eine Nennstromkapazität der Sicherung basierend auf einem maximal erwarteten Betriebsstrom des Elektrofahrzeugs ausgewählt. Aufgrund der thermischen, nichtlinearen Natur herkömmlicher Sicherungen nimmt die Nennstromkapazität einer Sicherung zu, ebenso wie eine Zeitdauer, die erforderlich ist, um zu bewirken, dass die Sicherung die Schaltung unterbricht. Folglich kann eine herkömmliche Sicherung eine Schaltung nicht schnell genug unterbrechen, um eine Beschädigung der Schaltung zu verhindern.
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KURZDARSTELLUNG
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In manchen Ausführungsformen wird ein Batteriesystem bereitgestellt. Das Batteriesystem umfasst zwei Sicherungen, zwei Schütze und eine oder mehrere Batteriezellen. Die zwei Sicherungen, die zwei Schütze und die eine oder die mehreren Batteriezellen weisen jeweils zwei Anschlüsse auf. Ein erster Anschluss der einen oder mehreren Batteriezellen ist elektrisch parallel mit einem ersten elektrischen Anschluss der ersten Sicherung und der zweiten Sicherung gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der ersten Sicherung ist elektrisch mit einem ersten Anschluss eines ersten Schützes gekoppelt, und ein zweiter Anschluss der zweiten Sicherung ist elektrisch mit einem ersten Anschluss des zweiten Schützes gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des ersten Schützes und ein zweiter Anschluss des zweiten Schützes sind elektrisch parallel gekoppelt (z. B. über eine Sammelschiene). Die erste Sicherung und die zweite Sicherung umfassen jeweils eine lokal minimale Querschnittsfläche, die konfiguriert ist, um bei einem vorbestimmten Strom zu schmelzen, wodurch eine Schaltung unterbrochen wird, wenn der Strom überschritten wird.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Batteriesystem ferner ein Schützsteuermodul, das konfiguriert ist, um mindestens eines von einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand des ersten Schützes und des zweiten Schützes einzustellen. In solchen Ausführungsformen kann das Schützsteuermodul den Zustand des ersten Schützes und des zweiten Schützes über Steueranschlüsse der jeweiligen Schütze steuern. In manchen Ausführungsformen ist das Schützsteuermodul konfiguriert, um eines von dem ersten Schütz und dem zweiten Schütz basierend auf einem Erfassen eines Stroms innerhalb eines vorbestimmten Stromstärkebereichs in den offenen Zustand zu versetzen. In solchen Ausführungsformen kann der vorbestimmte Stromstärkebereich innerhalb von 2.400 bis 5.000 Ampere liegen. In manchen Ausführungsformen ist das Schützsteuermodul konfiguriert, um sowohl das erste Schütz als auch das zweite Schütz basierend auf dem Erfassen eines Stroms, der größer als eine vorbestimmte Stromstärke ist, in dem geschlossenen Zustand zu halten. Zum Beispiel kann in solchen Ausführungsformen der vorbestimmte Stromstärkebereich mindestens 5.000 Ampere betragen.
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In manchen Ausführungsformen befindet sich das Batteriesystem in einem Elektrofahrzeug. In solchen Ausführungsformen ist das Schützsteuermodul ferner konfiguriert, um einen Fahrzeugfehlerzustand zu erfassen. In Reaktion auf das Erfassen des Fahrzeugfehlerzustands versetzt das Schützsteuermodul das erste Schütz in den offenen Zustand und versetzt das zweite Schütz in den geschlossenen Zustand. Während der Fahrzeugfehlerzustand vorliegt, kann das Elektrofahrzeug in einem reduzierten Leistungsmodus betrieben werden.
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In manchen Ausführungsformen stellt eine Sammelschiene, welche die zweiten Anschlüsse des ersten und des zweiten Schützes elektrisch koppelt, dem Elektrofahrzeug geschalteten Strom bereit. In manchen Ausführungsformen ist ein drittes Schütz über einen ersten Schützanschluss elektrisch mit der Sammelschiene gekoppelt. Der zweite Schützanschluss ist elektrisch mit einem Ladeanschluss gekoppelt.
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In manchen Ausführungsformen ist jeder von einem ersten Schützanschluss eines vierten und eines fünften Schützes elektrisch parallel (z. B. über eine Sammelschiene) mit einem zweiten Batteriemodulanschluss (z. B. einem negativ geladenen Anschluss) gekoppelt. Eine Sammelschiene kann die zweiten Schützanschlüsse des vierten und fünften Schützes elektrisch parallel koppeln und dem Elektrofahrzeug geschalteten Strom bereitstellen.
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In manchen Ausführungsformen ist ein erster Batteriemodulanschluss elektrisch mit einem positiven Anschluss der einen oder mehreren Batteriezellen gekoppelt, und ein zweiter Batteriemodulanschluss ist elektrisch mit einem negativen Anschluss der einen oder mehreren Batteriezellen gekoppelt. Der erste Batteriemodulanschluss und der zweite Batteriemodulanschluss können nicht geschaltete Anschlüsse sein. In manchen Ausführungsformen ist die Spannung über dem ersten Batteriemodulanschluss und dem zweiten Batteriemodulanschluss größer als 300 Volt. Das Batteriesystem kann einen maximalen Betriebsstrom aufweisen, der innerhalb von 1.000 Ampere und 2.500 Ampere liegt.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird gemäß einer oder mehreren verschiedenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren ausführlich beschrieben. Die Zeichnungen werden zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt und stellen lediglich übliche oder beispielhafte Ausführungsformen dar. Diese Zeichnungen werden bereitgestellt, um das Verständnis der hierin offenbarten Konzepte zu erleichtern, und sind nicht als Einschränkung der Breite, des Umfangs oder der Anwendbarkeit dieser Konzepte zu verstehen. Es sollte beachtet werden, dass diese Zeichnungen aus Gründen der Klarheit und zur Vereinfachung der Veranschaulichung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
- 1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration von Schützen, Sicherungen und Batteriezellen gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
- 2 zeigt eine zusätzliche beispielhafte Konfiguration von Schützen, Sicherungen und Batteriezellen gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
- 3 zeigt veranschaulichende Schütze und Sicherungen, die gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angeordnet sind; und
- 4 zeigt eine beispielhafte Schützsteuerungskonfiguration gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Mit fortgeschrittener Batterietechnik hat sich die Spannung und der Betriebsstrom von Elektrofahrzeugbatteriemodulen erhöht. Ein Kurzschluss über die Anschlüsse eines Hochleistungsbatteriemoduls eines Elektrofahrzeugs kann zu einer Gefährdung der Insassen des Fahrzeugs und/oder einer Beschädigung der Fahrzeugkomponenten führen. Um die Insassen und die elektrischen Komponenten zu schützen, schließen Elektrofahrzeuge eine Batterietrennkomponente ein, oft eine Sicherung, die konfiguriert ist, um während eines Überstromereignisses Strom von der Batterie zu trennen. Üblicherweise wird eine Nennstromkapazität der Sicherung basierend auf einem maximal erwarteten Betriebsstrom des Elektrofahrzeugs ausgewählt. Aufgrund der thermischen, nichtlinearen Natur herkömmlicher Sicherungen nimmt die Nennstromkapazität einer Sicherung zu, ebenso wie eine Zeitdauer, die erforderlich ist, um zu bewirken, dass die Sicherung die Schaltung unterbricht. Da Schäden, die durch ein Kurzschlussereignis verursacht werden, proportional zur Dauer des Ereignisses sein können, kann die erhöhte Unterbrechungszeit zu Schäden an dem Elektrofahrzeug führen, die sonst mit schnellerer Trennung verhindert werden könnten.
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Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf ein System zum schnellen Trennen eines Batteriesatzes von einer Schaltung, falls die Schaltung ein Überstromereignis erfährt. Zum Beispiel kann eine elektrische Schaltung, wie eine elektrische Schaltung in einem Elektrofahrzeug, einen Hochleistungsbatteriesatz umfassen, der mit einer Vielzahl von Elektronik, wie einem oder mehreren Motoren, Steuerungen, Klimaanlagen, Beleuchtungsschaltungsanordnungen, Infotainmentsystemen usw., verbunden ist, wobei ein Kabelbaum die verschiedenen Elektroniken elektrisch mit der Batterie koppelt. Wenn eine oder mehrere der Komponenten in der Schaltung einen elektrischen Fehler erfahren (z. B. einen Kurzschluss in dem Kabelbaum, der durch einen Fahrzeugaufprall oder eine Fehlfunktion einer der Elektroniken verursacht wird), kann das hierin beschriebene Batterietrennsystem die Batterie schnell von der Schaltung trennen, um das Ausmaß der Beschädigung der Schaltungskomponenten aufgrund des elektrischen Fehlers zu verhindern oder zu reduzieren.
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1 stellt eine beispielhafte Konfiguration von Schützen, Sicherungen und Batteriezellen gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Konfiguration 100 stellt Schütze 104A, 104B und 110, Schützsteuermodul 102, Sicherungen 106A und 106B und Batteriemodul 108 dar, die angeordnet sind, um die Zeitdauer zu reduzieren, die erforderlich ist, um eine Batterie unter verschiedenen Schaltungsströmen von einer Last zu trennen. Das in der Konfiguration 100 dargestellte beispielhafte System umfasst mindestens zwei parallele Sicherungspfade (z. B. einen ersten Pfad, der durch das Schütz 104A und die Sicherung 106A gebildet wird, und einen zweiten Pfad, der durch das Schütz 104B und die Sicherung 106B gebildet wird), die mit einem Batterieanschluss (z. B. einem Batterieanschluss des Batteriemoduls 108) verbunden sind. Der Parallelpfad wird durch elektrisches Koppeln (z. B. über eine Sammelschiene) eines ersten Sicherungsanschlusses der Sicherung 106A und eines ersten Sicherungsanschlusses der Sicherung 106B mit einem ersten Batterieanschluss des Batteriemoduls 108 (z. B. einem positiv geladenen Anschluss) gebildet.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Batteriemodul 108 eine Vielzahl von Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, und Parallelschaltungen, die ein Gesamtpotential aufweisen, das 300 Volt übersteigt. In manchen Ausführungsformen kann ein Gesamtschaltungsstrom, der von dem Batteriemodul 108 geliefert wird, zwischen 600 Ampere bis 1.000 Ampere variieren. Da der Strom ungefähr gleichmäßig auf die parallelen Sicherungspfade aufgeteilt wird (z. B. den ersten Pfad, der durch das Schütz 104A und die Sicherung 106A gebildet wird, und den zweiten Pfad, der durch das Schütz 104B und die Sicherung 106B gebildet wird), wird der Nennstrom jeder Sicherung so ausgewählt, dass der Nennstrom kleiner als ein gewünschter maximaler Betriebsschaltungsstrom ist (z. B. 600-1.000 Ampere). Zum Beispiel kann in einer Doppelsicherungskonfiguration, die in 1 dargestellt ist, jede der Sicherungen 106A und 106B so ausgewählt werden, dass sie einen Nennstrom von etwa einer Hälfte (z. B. 300-500 Ampere) des gewünschten maximalen Betriebsschaltungsstroms (z. B. 600-1.000 Ampere) aufweist. Aufgrund der thermischen Eigenschaften herkömmlicher Sicherungen weist jede der Sicherungen 106A und 106B in der Doppelsicherungskonfiguration (z. B. Sicherungen mit einem Nennstrom von etwa 300-500 Ampere) eine deutlich geringere Unterbrechungszeit auf als eine herkömmliche Sicherung mit doppeltem Nennstrom (z. B. eine Sicherung mit einem Nennstrom zwischen 600-1.000 Ampere) haben würde. Daher würden doppelte 500-Ampere-Sicherungen bei einem Überstromereignis, das 1.000 Ampere übersteigt, eine Schaltung schneller unterbrechen als eine einzelne Sicherung von 1.000 Ampere.
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Jeder der gesicherten Parallelpfade umfasst ein jeweiliges Schütz, das in Reihe mit der Sicherung verbunden ist. Zum Beispiel ist ein erster Schützanschluss des Schützes 104A elektrisch in Reihe mit einem zweiten Sicherungsanschluss der Sicherung 106A gekoppelt, und ein erster Schützanschluss des Schützes 104B ist elektrisch mit einem zweiten Sicherungsanschluss der Sicherung 106B gekoppelt. Ein jeweiliger zweiter Schützanschluss des Schützes 104A und des Schützes 104B kann elektrisch parallel (z. B. über eine Sammelschiene) mit einer Last (z. B. einem positiven Anschluss der Last) gekoppelt sein.
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In manchen Ausführungsformen ist ein zweiter Satz von Schützen elektrisch mit der Last und dem Batteriemodul gekoppelt. Zum Beispiel kann ein erster Schützanschluss jedes der Schütze 110 mit einem zweiten Anschluss des Batteriemoduls 108 (z. B. einem negativ geladenen Anschluss) elektrisch gekoppelt sein (z. B. über eine Sammelschiene). Ein zweiter Schützanschluss jedes der Schütze 110 kann elektrisch parallel mit der Last (z. B. einem negativen Anschluss der Last) gekoppelt sein.
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In manchen Ausführungsformen ist jedes der Schütze 104A, 104B und 110 konfigurierbar, um die Schaltung elektrisch mit dem Batterieanschluss zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln (z. B. basierend auf einem Signal, das von dem Schützsteuermodul 102 empfangen wird). Jeder der Schütze (z. B. Schütze 104A, 104B und 110) hat einen jeweiligen maximalen Trennstrom und kann eine elektrische Schaltung sicher koppeln und entkoppeln, während sie unter einer Last steht, die kleiner als der maximale Trennstrom ist. Wenn die Last den maximalen Trennstrom übersteigt, kann ein Schütz beschädigt werden, wenn eine Entkopplung stattfindet. In manchen Ausführungsformen umfasst jedes Schütz (z. B. Schütze 104A, 104B und 110) einen Schützsteueranschluss, der elektrisch mit dem Schützsteuermodul 102 gekoppelt ist. In solchen Ausführungsformen steuert das Schützsteuermodul 102 einen offenen Zustand und einen geschlossenen des Schützes.
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In manchen Ausführungsformen kann, wenn das Batteriesystem ein Überstromereignis der Schaltung erfasst, das kleiner als der maximale Trennstrom jedes Schützes ist, das Schützsteuermodul 102 bewirken, dass sich die Schütze 104A, 104B und 110 öffnen, wodurch die Schaltung schnell von der Batterie entkoppelt wird, ohne die Sicherungen durchzubrennen. In manchen Ausführungsformen kann das Schützsteuermodul als Reaktion auf das Erfassen des Überstromereignisses unterhalb des maximalen Trennstroms jedes Schützes eines der Schütze 110 oder der Schütze 104A und 104B anweisen, sich zu öffnen, wodurch entweder der erste Batterieanschluss oder der zweite Batterieanschluss des Batteriemoduls 108 von der Schaltung entkoppelt wird.
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In manchen Ausführungsformen, wenn das Batteriesystem ein Überstromereignis der Schaltung erfasst, das größer als der maximale Trennstrom jedes Schützes, aber kleiner als das Doppelte des maximalen Trennstroms ist, kann das System einen Parallelpfad von dem Batterieanschluss (z. B. den Parallelpfad, der durch das Schütz 104A und 106A gebildet wird) entkoppeln, was dazu führt, dass die Sicherung in dem zweiten Parallelpfad (z. B. Sicherung 106B) den Nennstrom übersteigt und die Sicherung durchbrennt, wodurch die Schaltung getrennt wird. In manchen Ausführungsformen kann der Nennstrom der Sicherungen so ausgewählt werden, dass er dem maximalen Trennstrom der Schützen ähnlich ist. Aufgrund des geringeren Nennstroms der Sicherung (bezogen auf eine Sicherung, die den doppelten Nennstrom benötigt) ist das System in der Lage, eine der parallelen Sicherungen schneller durchzubrennen, als dies für eine einzelne Sicherung erforderlich wäre, die den doppelten Unterbrechungsstrom benötigt. Da Schäden, die durch ein Kurzschlussereignis verursacht werden, proportional zu der Dauer des Ereignisses sein können, kann die Verringerung der Unterbrechungszeit zu einer verringerten Beschädigung der Schaltung führen. Da jedoch das Überstromereignis der Schaltung den maximalen Trennstrom für das Schütz (z. B. Schütz 104A) übersteigt, wird das Schütz während der Entkopplung beschädigt. In manchen Ausführungsformen wird, wenn sich das Batteriesystem in einem Elektrofahrzeug befindet, das Batteriesystem eine Aufzeichnung führen, die anzeigt, dass eines der Schütze beschädigt ist, und einen Bediener des Elektrofahrzeugs benachrichtigen. In manchen Ausführungsformen wird das Elektrofahrzeug in einem Modus mit reduzierter Leistung arbeiten (z. B. die Hälfte eines Stroms für den Normalbetrieb). Beim Austausch der beschädigten Komponenten wird das System den normalen Betrieb wiederaufnehmen.
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In manchen Ausführungsformen, wenn das Batteriesystem ein Überstromereignis erfasst, das größer als das Doppelte des maximalen Trennstroms ist, wird das Batteriesystem über das Schützsteuermodul 102 die Schütze 104A, 104B, und 110 in einem geschlossenen Zustand halten, wodurch bewirkt wird, dass die Sicherungen 106A und 106B in den Parallelpfaden durchbrennen (z. B. weil der Nennstrom für die Sicherung so gewählt ist, dass er kleiner oder gleich dem maximalen Trennstrom des Schützes ist).
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Obwohl die gesicherten Parallelpfade in Bezug auf eine Verbindung mit einem positiven Anschluss der Batterie erörtert werden, können die gesicherten Parallelpfade stattdessen mit einem negativen Anschluss der Batterie verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann ein erster Satz der Parallelpfade mit dem positiven Anschluss der Batterie verbunden sein, und ein zweiter Parallelpfad kann mit einem negativen Anschluss der Batterie verbunden sein.
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2 stellt eine zusätzliche beispielhafte Konfiguration von Schützen, Sicherungen und Batteriezellen gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar . In manchen Ausführungsformen sind die Schütze (z. B. Schütze 104A, 104B und 110), Sicherungen (z. B. Sicherungen 106A und 106B), Schützsteuermodul (z. B. Schützsteuermodul 102) und Batteriemodul (z. B. Batteriemodul 108), die in Bezug auf 1 beschrieben sind, elektrisch äquivalent zu den entsprechenden Komponenten, die in 2 dargestellt sind. In der Konfiguration 200 ist anstelle des positiven Anschlusses des Batteriemoduls wie in Konfiguration 100 ein gesicherter Parallelpfad mit einem negativen Anschluss des Batteriemoduls verbunden. Ein erster Anschluss einer ersten Sicherung (z. B. Sicherung 206A) und einer zweiten Sicherung (z. B. Sicherung 206 B) sind elektrisch parallel mit einem negativen Anschluss der Batterie (z. B. Batteriemodul 208) gekoppelt.
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Batteriemodul 208 kann eine Vielzahl von Batteriezellen umfassen, die parallel geschaltet sind, und Reihenschaltungen, die ein elektrisches Gesamtpotenzial aufweisen, das 300 Volt übersteigt, über einen am meisten positiv geladenen Anschluss des Batteriemoduls und einen am meisten negativ geladenen Anschluss des Batteriemoduls. Ein zweiter Anschluss der ersten Sicherung (z. B. Sicherung 206A) ist elektrisch mit einem ersten Anschluss eines ersten Schützes (z. B. Schütz 210A) gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der zweiten Sicherung (z. B. Sicherung 206 B) ist elektrisch mit einem ersten Anschluss eines zweiten Schützes (z. B. Schütz 210 B) gekoppelt. Die zweiten Anschlüsse des ersten und des zweiten Schützes sind elektrisch parallel gekoppelt. In manchen Ausführungsformen sind die zweiten Anschlüsse des ersten und des zweiten Schützes elektrisch parallel mit einer Sammelschiene gekoppelt, die einem Elektrofahrzeug geschalteten Strom bereitstellt. In manchen Ausführungsformen ist die Sammelschiene elektrisch mit einem dritten Schütz gekoppelt, das konfiguriert ist, um eine Ladeschaltung der Batterie zu steuern (weiter unten in Bezug auf 3 erörtert).
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Ein zweiter, nicht gesicherter Parallelpfad ist mit einem positiven Anschluss des Batteriemoduls 208 verbunden. Ein jeweiliger erster Schützanschluss des Schützes 204 ist elektrisch parallel (z. B. über eine Sammelschiene) mit einem positiv geladenen Anschluss der Batterie 208 gekoppelt. Obwohl Konfiguration 200 zwei Schütze in dem zweiten Parallelpfad (z. B. Schütze 204) darstellt, können ein oder mehrere Schütze verwendet werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Ein jeweiliger zweiter Schützanschluss jedes Schützes kann elektrisch parallel gekoppelt sein (z. B. über eine Sammelschiene). In manchen Ausführungsformen sind die zweiten Schützanschlüsse elektrisch mit einer Last und/oder einem dritten Schütz gekoppelt, das konfiguriert ist, um eine Ladeschaltung der Batterie zu steuern.
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Obwohl die Konfigurationen 100 und 200 die gesicherten Parallelpfade darstellen, bei denen ein Anschluss der Sicherung elektrisch mit einer Batterie in Reihe mit einem Schütz gekoppelt ist, kann sich die Reihenfolge der Sicherung und des Schützes in Reihe ändern, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann ein erster Schützanschluss eines ersten Schützes (z. B. Schütz 104A oder Schütz 210A) elektrisch mit einem positiven Anschluss eines Batteriemoduls (z. B. Batteriemodul 108 oder 208) gekoppelt sein. Ein zweiter Schützanschluss des ersten Schützes (z. B. Schütz 104A oder Schütz 210A) kann mit einem ersten Sicherungsanschluss einer ersten Sicherung (z. B. Sicherung 106A oder 206A) elektrisch gekoppelt sein. Ein zweiter Sicherungsanschluss der ersten Sicherung (z. B. Sicherung 106A oder 206A) kann mit einer Last und dem zweiten Parallelpfad (z. B. der Reihenschaltung zwischen Sicherung 106B und Schütz 104B oder der Reihenschaltung zwischen Sicherung 206B und 210B) elektrisch gekoppelt sein.
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In manchen Ausführungsformen kann, wenn das Schützsteuermodul 102 oder 202 ein Fehlerereignis (z. B. einen Fahrzeugaufprall oder einen Kurzschluss) erfasst, das Schützsteuermodul den Zustand des ersten Schützes (z. B. Schütz 104A oder 210A) und/oder des zweiten Schützes (z. B. Schütz 104B oder 210B) basierend auf einem gemessenen Stromwert einstellen, um die Trennzeit optimal zu minimieren (weiter in Bezug auf 4 erörtert). Wenn das Schützsteuermodul ein Fehlerereignis erfasst und der Schaltungsstrom unter dem maximalen Schütztrennstrom liegt (z. B. aufgrund eines Aufpralls), kann das Schützsteuermodul beide Schütze öffnen (z. B. Schütze 104A und 104B oder Schütze 210A und 210B). Wenn das Schützsteuermodul eine Stromüberlastung erfasst, die kleiner als das Doppelte des maximalen Schütztrennstroms, aber größer als der maximale Schütztrennstrom ist, kann das Schützsteuermodul ein Schütz auf einem ersten Parallelpfad öffnen, um den Strom auf dem zweiten Parallelpfad zu erhöhen und somit die Sicherung auf dem zweiten Parallelpfad zu überlasten (z. B. kann das Schützsteuermodul 202 das Schütz 210A öffnen und das Schütz 210B geschlossen lassen, wodurch bewirkt wird, dass die Sicherung 206B durchbrennt und die Schaltung unterbricht). Wenn das Schützsteuermodul eine Stromüberlastung erfasst, die das Doppelte des maximalen Schütztrennstroms übersteigt, kann das Schützsteuermodul beide Schütze geschlossen halten (z. B. beide der Schütze 104A und 104B oder der Schütze 210A und 210B), was bewirkt, dass die Sicherungen (z. B. beide der Sicherungen 106A und 106B oder der Sicherungen 206A und 206B) auf beiden Parallelpfaden überlastet werden. Durch Einstellen oder Beibehalten eines offenen oder geschlossenen Zustands für jedes der Schütze unter den verschiedenen Strombedingungen ist das System in der Lage, die Trennzeit optimal zu minimieren.
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3 zeigt veranschaulichende Schütze und Sicherungen, die gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung angeordnet sind. Anordnung 300 stellt einen beispielhaften gesicherten Parallelpfad dar (z. B. einer der Parallelpfade, die in 1 und 2 dargestellt sind), der mit einer Ladeschaltung gekoppelt ist. In Anordnung 300 koppelt eine Sammelschiene 306 jeweils einen ersten Schützanschluss des ersten Schützes 302 und des zweiten Schützes 304 elektrisch parallel mit einem Batteriemodulanschluss (z. B. einem positiven oder negativen Anschluss des Batteriemoduls 108 und 208). In manchen Ausführungsformen können die Schütze 302 und 304 in der oben beschriebenen Weise hinsichtlich der Schütze 104A und 104B in 1 und der Schütze 210A und 210B in 2 arbeiten, um eine Trennzeit der Schaltung während eines Überstromereignisses zu reduzieren. In manchen Ausführungsformen umfassen die Schütze 302 und 304 jeweils einen Schützsteueranschluss (z. B. Schützsteueranschluss 322 und Schützsteueranschluss 324), der elektrisch mit einem Schützsteuermodul (z. B. Schützsteuermodul 102, dargestellt in 1, oder Schützsteuermodul 202, dargestellt in 2) gekoppelt ist. Das Schützsteuermodul kann einen Zustand der Schütze durch Senden eines Signals zum Öffnen oder Schließen der Schütze über die Schützsteueranschlüsse 322 und 324 einstellen.
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In manchen Ausführungsformen ist das Schützsteuermodul konfiguriert, um das Schütz in den offenen Zustand (z. B. elektrisches Entkoppeln einer internen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Schützes und dem zweiten Anschluss des Schützes) oder in den geschlossenen Zustand (z. B. elektrisches Koppeln einer internen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Schützes und dem zweiten Anschluss des Schützes) basierend auf einem Schaltungsstrom und/oder einem Betriebszustand des Fahrzeugs zu versetzen. Wenn zum Beispiel ein Benutzer das Elektrofahrzeug einschaltet, kann das Schützsteuermodul das Schütz 302 und das Schütz 304 aus einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand versetzen. In einem anderen Beispiel kann das Schützsteuermodul eines oder mehrere der Schütze 302 und 304 aus einem geschlossenen Zustand basierend auf dem Erfassen eines Überstromereignisses in einen offenen Zustand versetzen. In manchen Ausführungsformen wählt das Schützsteuermodul die Anzahl von Schützen in einen offenen Zustand während eines Überstromereignisses basierend auf einem erfassten Schaltungsstrom aus (weiter unten in Bezug auf 4 erörtert).
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Ein zweiter Schützanschluss des ersten Schützes 302 ist über eine Stromschiene 308 mit einem ersten Sicherungsanschluss der ersten Sicherung 312 elektrisch gekoppelt. Ein zweiter Schützanschluss des zweiten Schützes 304 ist über eine Sammelschiene 310 mit einem ersten Sicherungsanschluss der zweiten Sicherung 314 elektrisch gekoppelt. Die jeweiligen zweiten Sicherungsanschlüsse der ersten Sicherung 312 und der zweiten Sicherung 314 können über eine Sammelschiene 316 elektrisch parallel gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen ist die Sammelschiene 316 elektrisch mit einer Last, wie einem Elektromotor, gekoppelt. Ein Nennstrom der Sicherungen 312 und 314 kann wie oben in Bezug auf Sicherungen 106A und 106B in 1 und Sicherungen 206A und 206B in 2 beschrieben ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel ein erwarteter maximaler Schaltungsstrom des Elektrofahrzeugs 1.000 Ampere beträgt, kann der Nennstrom für jede der Sicherungen 312 und 314 500 Ampere, die Hälfte des maximalen Schaltungsstroms, betragen.
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In manchen Ausführungsformen ist die Sammelschiene 316 zusätzlich über einen ersten Schützanschluss mit einem Ladeschütz, wie einem Schütz 318, gekoppelt. Ladeschütz 318 kann einen Stromzufluss zum Laden eines Batteriemoduls steuern (z. B. Batteriemodul 108 oder 208). Das Schützsteuermodul (z. B. Schützsteuermodul 102 oder 202) kann einen offenen oder einen geschlossenen Zustand des Schützes 318 basierend auf einem Ladezustand der Batterie steuern. Zum Beispiel kann das Batteriesteuermodul (z. B. über das Schützsteuermodul 108 oder 208) das Schütz 318 in einen offenen Zustand (z. B. über den Schützsteueranschluss 326) versetzen, wenn die Batterie nicht geladen wird, und in einen geschlossenen Zustand versetzen, wenn die Batterie geladen wird.
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Obwohl 3 mit Parallelpfaden dargestellt ist (z. B. wobei der erste Pfad das Schütz 302 und die Sicherung 312 umfasst, und der zweite Pfad das Schütz 304 und die Sicherung 314 umfasst, können ein oder mehrere Pfade zwischen dem Batteriemodul und der Last vorhanden sein, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In manchen Ausführungsformen ist eine Sicherung nicht in Reihe mit den Schützen platziert (z. B. in 1 als Schütze 110 und in 2 als Schütze 204 dargestellt). In solchen Ausführungsformen können die zweiten Schützanschlüsse der Schütze 302 und 304 über die Sammelschiene 316 elektrisch mit dem Ladeschütz (z. B. Schütz 318) gekoppelt sein, ohne eine Verbindung zu den Sammelschienen 308 und 310 oder den Sicherungen 312 und 314 aufzuweisen.
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4 stellt ein beispielhaftes Schützsteuerdiagramm gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Diagramm 400 stellt visuell dar, wie das Schützsteuermodul basierend auf dem Schaltungsstrom bestimmen kann, ob ein oder mehrere Schütze während eines Überstromereignisses geöffnet werden sollen oder nicht. In Diagramm 400 versetzt das Schützsteuermodul die Schütze (z. B. Schütze 302 und 304) in einen ersten Zustand 402, wenn der Schaltungsstrom unter dem ersten Schwellenwert 408 liegt, versetzt die Schütze in den zweiten Zustand 404, wenn der Schaltungsstrom innerhalb des ersten Schwellenwerts 408 und eines zweiten Schwellenwerts 410 liegt; und versetzt die Schütze in den dritten Zustand 406, wenn der Schaltungsstrom über dem zweiten Schwellenwert 410 liegt. Die verschiedenen Zustände und Schwellenwerte, die in Diagramm 400 dargestellt sind, können basierend auf den elektrischen Parametern von Komponenten in dem Elektrofahrzeug (z. B. Nennströme der Sicherungen und Schütze, ein maximaler Schaltungsstrom, Trennzeiten usw.) ausgewählt werden und werden optimiert, um die Trennzeit während eines Überstromereignisses zu reduzieren und die Komponenten des Elektrofahrzeugs zu schützen. Zum Beispiel können Schütze in der Lage sein, eine Schaltung schneller als eine Sicherung bei einem gleichen Schaltungsstrom zu unterbrechen. Ein Schütz darf jedoch nur dann eine Schaltung unterbrechen, ohne den Schütz zu beschädigen, wenn der Schaltungsstrom kleiner als ein Schwellenwert ist. Bei bestimmten Überstromereignissen kann es günstiger sein, eine Schaltung zu unterbrechen, indem beide Schütze getrennt werden, während es bei anderen Schaltungsströmen (z. B. bei denen bei Trennen Schäden an einem Schütz auftreten können) günstig sein kann, ein oder mehrere Schütze geschlossen zu halten und eine Sicherung durchzubrennen.
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In dem ersten Zustand 402 versetzt das Schützsteuermodul beide Schütze (z. B. Schütze 302 und 304) als Reaktion auf ein Erfassen eines Überstromereignisses, das kleiner als der erste Schwellenwert ist, in einen offenen Zustand. Zum Beispiel können die Schütze einen Strom von jeweils 2.400 Ampere sicher unterbrechen, ohne beschädigt zu werden. Das Schützsteuermodul kann die Schütze anweisen, sich zu öffnen, wenn das Überstromereignis unter 2.400 Ampere liegt, ohne Schäden an den Schützen zu verursachen. Zum Beispiel kann das Schützsteuermodul bestimmen, dass das Elektrofahrzeug in einem Aufprall war (z. B. basierend auf einer Kommunikation von einem Aufprallerfassungssystem). Wenn der Schaltungsstrom unter 2.400 Ampere liegt, wenn das Schützsteuermodul den Aufprall erfasst, weist das Schützsteuermodul das erste Schütz (z. B. Schütz 302) und das zweite Schütz (z. B. Schütz 304) an, sich zu öffnen. In manchen Ausführungsformen kann die Zeit zum Trennen des Stroms zwischen dem Batteriemodul und der Last die Summe der Zeit sein, die das Steuermodul benötigt, um die Schütze zu steuern (z. B. 50 ms), plus einer Zeit, die das Schütz benötigt, um sich nach dem Empfangen des Steuersignals zu öffnen (z. B. 25 ms). Da sich das erste Schütz und das zweite Schütz öffnen, ohne dass die Sicherungen durchbrennen oder darauf zu warten, ist das System in der Lage, das Batteriemodul schneller von der Last zu trennen als ein vergleichbares System, das nur Sicherungen umfasst. Da die Schütze außerdem unter einem normalen Betriebsstrom (z. B. kleiner als der erste Schwellenwertstrom) geöffnet wurden, müssen die Schütze und Sicherungen möglicherweise nicht ausgetauscht werden, bevor das Fahrzeug wieder in Betrieb genommen wird.
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In dem zweiten Zustand 404 versetzt das Schützsteuermodul ein erstes der zwei Schütze in einen offenen Zustand (z. B. Schütz 302) und hält das zweite der zwei Schütze (z. B. Schütz 304) in einem geschlossenen Zustand, wenn der Strom über dem ersten Schwellenwert 408, aber unter dem zweiten Schwellenwert 410 liegt. Wie oben erörtert, kann der erste Schwellenwert basierend auf einem maximalen Strom ausgewählt werden, bei dem das Schütz eine Schaltung unter Last sicher trennen kann, ohne eine Beschädigung des Schützes zu verursachen (z. B. 2.400 Ampere). Da der Strom gleichmäßig auf beide Pfade parallel aufgeteilt wird, können die Schütze in der Lage sein, Schaltungsströme unter einer höheren Last, dem Doppelten des normalen Betriebsstroms (z. B. 5.000 Ampere), sicher zu trennen. Unter solchen Lasten kann jedoch das geöffnete Schütz beim Trennen der Schaltung beschädigt werden. In dem zweiten Zustand 404, wenn das Schützsteuermodul das erste Schütz anweist, sich zu öffnen (z. B. Schütz 302), wird der Strom durch den zweiten Pfad geleitet (z. B. wobei der Pfad das Schütz 304 und die Sicherung 314 umfasst). Da der Schaltungsstrom (z. B. zwischen 2.400 Ampere und 5.000 Ampere) den Nennstrom der Sicherung (z. B. 1.000 Ampere) stark übersteigt, wird die Sicherung durchgebrannt und die Schaltung unterbrochen. Unter solchen Bedingungen kann das erste Schütz (z. B. Schütz 302) beschädigt werden, da das Schütz unter einer Last von über 2.400 Ampere geöffnet wurde.
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In manchen Ausführungsformen überwacht das Schützsteuermodul eine Stromabgabe der Batterie (z. B. basierend auf einer Kommunikation von einem Batterieüberwachungssystem, einer Motorsteuerung oder durch Überwachen einer Stromänderung über die Zeit und kann bestimmen, dass die Stromänderung über einen gegebenen Zeitraum einen vordefinierten Wert übersteigt). Zum Beispiel kann das Schützsteuermodul einen weichen Kurzschluss erfassen, wie ein Antriebsstrangüberstromereignis mit einem Schaltungsstrom zwischen dem ersten Schwellenwert, 2.400 Ampere, und dem zweiten Schwellenwert, 5.000 Ampere. In manchen Ausführungsformen kann die Zeit zum Unterbrechen des Stroms zwischen dem Batteriemodul und der Last die Summe der Zeit sein, die das Steuermodul benötigt, um die Schütze zu steuern (z. B. 50 ms) plus einer Zeit, die das Schütz benötigt, um sich nach Empfangen des Steuersignals zu öffnen (z. B. 25 ms) plus einer Zeit, welche die Sicherung benötigt, um bei dem Schaltungsstrom (z. B. 0,1 s) durchzubrennen. Aufgrund der thermischen Natur von Sicherungen kann die Unterbrechungszeit mit zunehmendem Schaltungsstrom zunehmend absinken.
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In manchen Ausführungsformen kann das Batteriesystem als Reaktion auf das Erfassen eines Fahrzeugfehlerzustands, wie eines weichen Kurzschlusses, das Fahrzeug in einem Modus mit reduzierter Leistung betreiben (z. B. durch Verwenden von 50 % des normalen Betriebsstroms). In dem Modus mit reduzierter Leistung kann das Batteriesystem das erste Schütz in einen offenen Zustand und das zweite Schütz in einen geschlossenen Zustand versetzen, wodurch der maximale Betriebsstrom des Batteriesystems um die Hälfte reduziert wird. In solchen Ausführungsformen kann das Batteriesystem in Verbindung mit anderen Systemen des Fahrzeugs, wie der Motorsteuerung, arbeiten, um den Schaltungsstrom unter dem reduzierten maximalen Betriebsstrom zu halten.
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In dem dritten Zustand 406, wenn der Schaltungsstrom über dem zweiten Schwellenwert 410 liegt, hält das Schützsteuermodul das erste Schütz (z. B. Schütz 302) und das zweite Schütz (z. B. Schütz 304) in einem geschlossenen Zustand. Wenn zum Beispiel das Überstromereignis 5.000 Ampere übersteigt (z. B. basierend auf einem harten Kurzschluss zwischen dem positivsten geschalteten Anschluss der Batterie und dem negativsten geschalteten Anschluss der Batterie), kann das Schützsteuermodul das erste Schütz und das zweite Schütz geschlossen halten, wodurch bewirkt wird, dass die Sicherungen 312 und 314 durchbrennen. In dem dritten Zustand 406 ist die Trennzeit stark von den Eigenschaften der Sicherung abhängig. Zum Beispiel kann während eines Überstromereignisses von 5.000 Ampere die Trennzeit für die zwei Sicherungen eine Größenordnung größer sein als die Trennzeit während eines Überstromereignisses bei 20.000 Ampere.
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In manchen Ausführungsformen kann das Batteriesystem zusätzlich mindestens ein Schütz umfassen, das elektrisch mit einem Anschluss der Batterie gekoppelt ist, der ungesichert ist (in 1 als Schütze 110 und in 2 als Schütze 204 dargestellt). Zum Beispiel kann das Batteriesystem ein viertes und ein fünftes Schütz umfassen, die jeweils einen jeweiligen ersten Anschluss aufweisen, der elektrisch parallel mit einem Anschluss der Batterie (z. B. einem negativen Anschluss der Batterie) gekoppelt ist. Das vierte und fünfte Schütz können jeweils einen jeweiligen zweiten Anschluss umfassen, der parallel mit einer Sammelschiene gekoppelt ist. Die Sammelschiene kann elektrisch mit der Last gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen steuert das Schützsteuermodul den Zustand des vierten und fünften Schützes, wie vorstehend gemäß 4 beschrieben.
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Obwohl die obigen Beispiele in Bezug auf eine Doppelschütz- und Doppelsicherungskonfiguration erörtert werden, können ein oder mehrere Schütze verwendet werden. Zum Beispiel schließen manche Ausführungsformen drei Schütze mit einem ersten Anschluss, der elektrisch parallel mit einem ersten Batterieanschluss gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der elektrisch in Reihe mit einem ersten Anschluss einer jeweiligen Sicherung gekoppelt ist, ein. Ein zweiter Anschluss der jeweiligen Sicherungen kann elektrisch parallel und mit einer Last gekoppelt sein. Ein zweiter Batterieanschluss kann elektrisch mit einem oder mehreren Schützen gekoppelt sein (z. B. eine ungesicherte Parallelkombination von drei Schützen). Jedes der Schütze kann einen jeweiligen Schützsteueranschluss umfassen, und ein Schützsteuermodul kann das Versetzen der Schütze in einen offenen oder einen geschlossenen Zustand während eines Überstromereignisses oder eines Aufpralls steuern, um eine Trennzeit zwischen dem Batteriemodul und der Last zu minimieren.
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Das Vorstehende dient lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien dieser Offenbarung, und verschiedene Modifikationen können vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden zu Veranschaulichungszwecken und nicht einschränkend dargelegt. Die vorliegende Offenbarung kann auch viele andere Formen annehmen als die hierin ausdrücklich beschriebenen. Dementsprechend wird betont, dass diese Offenbarung nicht auf die ausdrücklich offenbarten Verfahren, Systeme und Vorrichtungen beschränkt ist, sondern Variationen und Modifikationen davon einschließen soll, die innerhalb des Geistes der folgenden Ansprüche liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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