WO2011095624A1 - Schaltung zum verbinden eines zuschaltbaren elektrischen systems und eines elektrischen netzes eines fahrzeuges - Google Patents

Schaltung zum verbinden eines zuschaltbaren elektrischen systems und eines elektrischen netzes eines fahrzeuges Download PDF

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Dietmar Niederl
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Magna E-Car Systems Gmbh & Co Og
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Definitions

  • the invention relates to a circuit for connecting and disconnecting a switchable electrical system, in particular for generating and / or storing electrical energy, and an electrical network of a vehicle, wherein the circuit at least one mechanical
  • Precharging unit having at least one controllable semiconductor switch.
  • the invention relates to a method for connecting an electrical energy storage device to an electrical network of a
  • a main circuit breaker for electrically connecting and disconnecting the electrical system and the electrical system is provided.
  • vehicle electrical system and “vehicle electrical network” are used synonymously in this document.
  • switched sub-circuit breaker is connected in series with a resistor for current limiting.
  • the mechanical secondary circuit breaker is closed in a first step with the main mechanical disconnect switch open, so that a current limited by the resistor connected in series with the auxiliary disconnect switch disconnects the vehicle electrical system
  • Operating voltage or approximately operating voltage can charge. Due to input capacitances, such as converters, etc., as these preferably in electric drives with DC and
  • DC power supplies are used in hybrid vehicles or electric vehicles, and also due to parasitic disturbances, the electrical system must be precharged when switching on the electrical system to prevent damage.
  • the secondary disconnect switch can then be opened again.
  • the main circuit breaker and the auxiliary disconnect switch are designed as mechanical switches.
  • Main circuit breaker arranged precharge circuit to very high
  • transients are due to the design of mechanical switches.
  • a cause for the occurrence of transient currents in mechanical switches can be seen for example in a bruise occurring when this switch closes.
  • Fuel cells can be switched to one
  • Ultracapacitor unit of an electrical network of the vehicle to load The fuel cells are by means of a main contactor
  • main circuit breaker from the electrical network of the vehicle separable. Furthermore, the main circuit breaker is connected in parallel with a precharge circuit or precharging unit with a semiconductor switch. To connect the fuel cell to the electrical network of the vehicle is open when the main circuit breaker of the semiconductor switch
  • Precharge circuit switched to conductive.
  • the pre-charge unit charges the ultra-capacitor of the vehicle's electrical network.
  • a PWM control is provided, which is coupled to the gate of the semiconductor switch and to the gate is a dependent of a measured current flow PWM control signal. After the precharging of the ultracapacitors the main circuit breaker is closed and the fuel cell connected to the electrical network of the vehicle.
  • Vehicle such as a hybrid vehicle, electric vehicle, etc. realize, it is, as mentioned above, in accordance with the prior art, Vorladeiseren provided with mechanical switch for separating the energy storage and the electrical network, which, however, the disadvantages mentioned in relation results in the occurrence of possible transient disorders.
  • Switchable electrical system to allow a vehicle electrical system and thereby avoid the emergence of transient disturbances as well as to ensure a consistent and reliable galvanic isolation of the switchable electrical system.
  • the solution according to the invention enables a time-shifted actuation of the series-connected switches of the pre-charging unit.
  • the semiconductor switch is set in a conductive state and the system capacitances of the vehicle electrical system are charged via the precharging unit. It is thus a merit of the invention to enable a trouble-free connection of the electrical system to the electrical system and at the same time due to the use of mechanical disconnect switch and a reliable electrical isolation of the
  • a preferred variant of the invention which is characterized by a particularly reliable and safe connection and disconnection of the switchable electrical system and the electrical system, provides that at least in a positive output voltage path and in a negative output voltage path of the switchable electrical system depending at least one pre-charging unit and je at least one main circuit breaker are arranged.
  • At least one precharging unit can have a resistor connected in series with the semiconductor switch and the mechanical disconnector. This resistance will depending on the capacities of the electrical system determines the pre-charging time.
  • a controller may be provided which is adapted to switch after closing the mechanical circuit breaker with a time delay, the semiconductor switch from a blocking to a conductive state.
  • Semiconductor switch is provided after closing the mechanical disconnector.
  • At least one at least one precharging downstream power meter may be provided, which may be connected to the above-mentioned control. If, for example, the precharge current exceeds a predefinable limit value or if an unauthorized change in the current flow occurs, then the mechanical
  • Vorladenikes be controlled by the controller and opened.
  • At least one measuring tap can be provided before and after each main disconnecting switch.
  • At least measuring lines assigned to the measuring taps of the positive voltage path can be designed to be separable from the energy store by means of at least one mechanical switch.
  • the mechanical circuit breaker of the precharge is closed with the main disconnect switch and blocking semiconductor switch, wherein after closing the mechanical circuit breaker of
  • FIG. 1 shows a block diagram of a circuit according to the invention with an electrical energy store
  • FIG. 2 shows a first variant of a circuit according to the invention in more detail
  • Fig. 3 shows a profile of the output voltage of the invention
  • Fig. 4 shows a second variant of a circuit according to the invention in more detail.
  • a circuit 1 for connecting and disconnecting a switchable electrical system 2, in particular for generating and / or storing electrical energy, and a
  • the switchable electrical system 2 is shown as a switchable battery or accumulator.
  • the main switches 4 can transport the services required by the respective application or carry the corresponding currents.
  • the main circuit breaker 4 can as
  • Circuit breaker be executed so that the circuit 1 can be referred to from this point of view as a circuit breaker unit.
  • circuit 1 has at least one precharging unit 5 connected in parallel to the main circuit breaker 4 or
  • the pre-charging unit 5 has a controllable semiconductor switch 6 and a mechanical disconnecting switch 7 for disconnecting and connecting the connectable electrical system 2 to the electrical network 3.
  • the semiconductor switch 6 can be realized for example by a MOSFET with a driver stage.
  • the mechanical disconnector 7 and the semiconductor switch 6 are connected in series with each other.
  • the precharging unit 5 may have at least one resistor 8 connected in series with the semiconductor switch 6 and the mechanical disconnecting switch 7 for limiting the precharging current.
  • corresponding electrical wiring can be combined in a module or to a unit.
  • the circuit 1 according to the invention can also be integrated into the switchable electrical system 2 and thus form part of the system 2.
  • a positive output voltage path 9 and in a negative output voltage path 10 of the switchable electrical system 2 at least one can each be provided
  • Pre-charging unit 5 and at least one main circuit breaker 4 may be arranged.
  • the energy storage is shown in the form of an electrical energy storage.
  • the energy storage On the right side are positive and negative terminals 9a, 10a for the decrease of
  • Output voltage shown which are either directly to the electrical system 3 or this example, a high-voltage interface available.
  • the terminals A and B can be used as 2-pin
  • Plug connector or two-pole plug connector be executed.
  • an interface 11a for example in the form of a plug connection, to the controller 11 is shown, which enables the activation of the disconnect switches 4, 7 and 6 as well as data reception from the sensor system shown in FIG.
  • the mechanical circuit breaker 7 and the semiconductor switch 6 can be driven together.
  • the designated in Fig. 1 by reference numeral 11 control may be provided, which may be adapted to after closing the
  • Vorladeelektronik be 12a upstream.
  • the controller 11 can by means of an appropriately programmed micro or signal processor
  • the mechanical circuit breaker 7 can from the controller 11 before the
  • Semiconductor switch 6 switches, as shown in Fig. 3, the
  • mechanical circuit breaker 7 and the semiconductor switch 6 can also be realized by means of a time delay circuit 13.
  • This time delay circuit 13 may comprise, for example, an R-C element whose capacitance may be selected according to the desired period of time between the switching of the circuit breaker 7 and the semiconductor switch 6.
  • At least one measuring tap 15, 16, 17, 18 may be provided, wherein at least the measuring taps 15, 16 of the positive voltage path 8 associated measuring lines 19, 20 can be separated by means of a mechanical switch 21 of the electrical system 2.
  • On-board network 3 can be transmitted. In addition, still can
  • Embodiment variants is limited. In particular, too

Abstract

Schaltung (1) zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren elektrischen Systems (2), insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines elektrischen Netzes (3) eines Fahrzeuges, wobei die Schaltung (1) zumindest einen mechanischen Haupttrennschalter (4) zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems (2) mit dem elektrischen Netz (3) des Fahrzeuges sowie zumindest eine zu dem Haupttrennschalter (4) parallel geschaltete Vorladeeinheit (5) mit zumindest einen steuerbaren Halbleiterschalter (6) aufweist, wobei die Vorladeeinheit (5) zumindest einen mechanischen Trennschalter (7) zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems (2) und des elektrischen Netzes (3) des Fahrzeuges aufweist, wobei der Halbleiterschalter (6) in Serie mit dem mechanischen Trennschalter (7) geschaltet ist

Description

Schaltung zum Verbinden eines zuschaltbaren elektrischen Systems und eines elektrischen Netzes eines Fahrzeuges
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren elektrischen Systems, insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines elektrischen Netzes eines Fahrzeuges, wobei die Schaltung zumindest einen mechanischen
Haupttrennschalter zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren
elektrischen Systems mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges sowie zumindest eine zu dem Haupttrennschalter parallel geschaltete
Vorladeeinheit mit zumindest einen steuerbaren Halbleiterschalter aufweist .
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers mit einem elektrischen Netz eines
Fahrzeuges .
Bei einem Zuschalten von elektrischen Systemen auf ein elektrisches Netz eines Fahrzeuges, beispielsweise eines elektrischen
Hochspannungsbordnetzes, ist es üblich, Vorladeschaltung vorzusehen, um die Kapazitäten des elektrischen Netzes des Fahrzeuges vor einem vollständigen Zuschalten des elektrischen Systems vorzuladen. Als Beispiele für derartige zuschaltbare, elektrische Systeme seien
Brennstoffzellen, Batterien oder Akkumulatoren, photovoltaische Zellen etc. aufgeführt. Um ein Zu- und Wegschalten des elektrischen Systems zu ermöglichen, ist meist ein Haupttrennschalter zum elektrischen Verbinden und Trennen des elektrischen Systems und des Bordnetzes vorgesehen. An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass die Begriffe „Bordnetz" und „elektrisches Netz des Fahrzeuges" in diesem Dokument synonym verwendet werden .
Weiters ist üblicherweise ein parallel zum Haupttrennschalter
geschalteter Nebentrennschalter vorgesehen, der in Serie mit einem Widerstand zur Strombegrenzung geschaltet ist. Bei einem Zuschalten des elektrischen Systems wird in einem ersten Schritt bei geöffnetem, mechanischem Hauptrennschalter der mechanische Nebentrennschalter geschlossen, damit ein durch den in Serie mit dem Nebentrennschalter geschalteten Widerstand begrenzter Strom das Bordnetz auf Betriebsspannung bzw. annähernd Betriebsspannung laden kann. Aufgrund von Eingangskapazitäten, beispielsweise von Umrichtern etc., wie diese vorzugsweise in elektrischen Antrieben mit Gleichspannungs- und
Gleichstromversorgungen in Hybridfahrzeugen bzw. Elektrofahrzeugen verwendet werden, und auch aufgrund parasitärer Störungen muss das Bordnetz bei einem Zuschalten des elektrischen Systems vorgeladen werden, um einen Schaden zu verhindern.
Anschließend wird der Hauptkontakt geschlossen und das Bordnetz ist mit dem elektrischen System zur Energieerzeugung und/oder
Energiespeicherung verbunden. Der Nebentrennschalter kann dann wieder geöffnet werden.
Um eine konsequente und zuverlässige galvanische Trennung des
zuschaltbaren elektrischen Systems von dem Bordnetz zu gewährleisten, sind der Hauptrennschalter und der Nebentrennschalter als mechanische Schalter ausgeführt. Somit ist eine zuverlässige Trennung des
Lastkreises von dem zuschaltbaren elektrischen System möglich.
Nachteilig an den oben genannten bekannten Aus führungs formen ist vor allem, dass es bei einem Zuschalten von elektrischen Systemen mit sehr hohen Systemspannungen auf ein Hochspannungsbordnetz bei einem Schließen des mechanischen Nebentrennschalters in der parallel zum
Hauptrennschalter angeordneten Vorladeschaltung zu sehr hohen
transienten Störungen bzw. Spannungsspitzen mit sehr hohen
Anstiegsgeschwindigkeiten kommen kann. Durch diese transienten Störungen kann das ganze Bordnetz inklusive dem elektrischen Energiespeicher erhebliche Störungen erfahren. Die transienten Störungen können
beispielsweise Kommunikationsstörungen bei Bussystemen und
Fehlfunktionen diverser elektrischer Bauteile als auch ihre Zerstörung zur Folge haben.
Das Auftreten transienter Störungen ist jedoch durch die Verwendung mechanischer Schalter bauartbedingt. Eine Ursache für das Auftreten transienter Ströme bei mechanischen Schaltern kann beispielsweise in einer bei einem Schließen dieses Schalters auftretenden Prellung gesehen werden .
Aus der DE 102 35 431 A1 ist eine elektrische Antriebsquelle für einen elektromotorischen Antrieb bekannt geworden, bei welchem
Brennstoffzellen zugeschaltet werden können, um eine
Ultrakondensatoreinheit eines elektrischen Netzes des Fahrzeuges zu laden. Die Brennstoffzellen sind mittels eines als Hauptschütz
bezeichneten Hauptrennschalters von dem elektrischen Netz des Fahrzeuges trennbar. Weiters ist dem Hauptrennschalter eine Vorladeschaltung bzw. Vorladeeinheit mit einem Halbleiterschalter parallel geschaltet. Zum Verbinden der Brennstoffzellen mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges wird bei geöffneten Haupttrennschalter der Halbleiterschalter der
Vorladeschaltung auf leitend geschaltet. Über die Vorladeeinheit wird der Ultrakondensator des elektrischen Netzes des Fahrzeuges geladen. Zur Begrenzung des Aufladestroms ist eine PWM-Steuerung vorgesehen, die mit dem Gate des HalbleiterSchalters gekoppelt ist und an das Gate ein von einem gemessenen Stromfluss abhängiges PWM-Steuersignal gibt. Nach erfolgter Vorladung der Ultrakondensatoren wird der Hauptrennschalter geschlossen und die Brennstoffzellen mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges verbunden.
Nachteilig an dieser Ausführungsform ist vor allem, dass bei einem Wegschalten der Brennstoffzellen von dem elektrischen Netz des
Fahrzeuges mittels des Haupttrennschalters keine konsequente galvanische Trennung der Vorladeschaltung bzw. Vorladeeinheit von dem elektrischen Netz möglich ist, da zur Trennung der Vorladeschaltung von dem
elektrischen Netz des Fahrzeuges nur der Halbleiterschalter vorgesehen ist .
Um eine konsequente galvanische Trennung eines zu- und wegschaltbaren elektrischen Energiespeichers und einem elektrisches Netz eines
Fahrzeuges, beispielsweise eines Hybridfahrzeuges, Elektrofahrzeuges , etc., zu realisieren, ist es, wie oben erwähnt, gemäß dem Stand der Technik üblich, Vorladeeinheiten mit mechanischen Schalter zur Trennung des Energiespeichers und des elektrischen Netzes zu versehen, was allerdings die erwähnten Nachteile in Bezug auf das Auftreten möglicher transienter Störungen zur Folge hat.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Zuschalten eines
zuschaltbaren elektrischen Systems auf ein Bordnetz eines Fahrzeuges zu ermöglichen und dabei das Entstehen transienter Störungen zu vermeiden als auch eine konsequente und zuverlässige galvanische Trennung des zuschaltbaren elektrischen Systems zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird mit einer Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorladeeinheit zumindest einen mechanischen Trennschalter zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems und des elektrischen Netzes des Fahrzeuges
aufweist, wobei der Halbleiterschalter in Serie mit dem mechanischen Trennschalter geschaltet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine zeitversetzte Betätigung der in Serie geschalteten Schalter der Vorladeeinheit. Durch ein lastloses Schließen des mechanischen Trennschalters der Vorladeeinheit in einem sperrenden Zustand des Halbleiterschalter lässt sich verhindern, dass bei einem Schließen des mechanischen Trennschalters auftretende
systemimmanente, transiente Störungen auf das Bordnetz übergreifen. Nach einem vorgebbaren Zeitintervall, nach welchem keine durch den
Schließvorgang des mechanischen Trennschalters verursachten transienten Störungen mehr zu erwarten sind, wird der Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand versetzt und die Systemkapazitäten des Bordnetzes über die Vorladeeinheit geladen. Es ist somit ein Verdienst der Erfindung, ein störungsfreies Zuschalten des elektrischen Systems an das Bordnetz zu ermöglichen und gleichzeitig aufgrund der Verwendung mechanischer Trennschalter auch eine zuverlässige galvanische Trennung des
zuschaltbaren elektrischen Systems und des Bordnetzes gewährleisten zu können .
Eine bevorzugte Variante der Erfindung, welche sich durch ein besonders zuverlässiges und sicheres Verbinden und Trennen des zuschaltbaren elektrischen Systems und des Bordnetzes auszeichnet, sieht vor, dass zumindest in einem positiven Ausgangsspannungspfad und in einem negativen Ausgangsspannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems je zumindest eine Vorladeeinheit und je zumindest ein Hauptrennschalter angeordnet sind.
Zur Begrenzung des Vorladestroms kann zumindest eine Vorladeeinheit einen mit dem Halbleiterschalter und dem mechanischen Trennschalter in Reihe geschalteten Widerstand aufweisen. Durch diesen Widerstand wird in Abhängigkeit von den Kapazitäten des Bordnetzes die Vorladezeit bestimmt .
Um die gewünschte Schaltreihenfolge der Schalter der Vorladeeinheit zu realisieren, können der mechanische Trennschalter und der
Halbleiterschalter getrennt oder gemeinsam ansteuerbar sein.
Gemäß einer Variante der Erfindung, welche eine sehr effiziente
Unterbindung transienter Störungen ermöglicht, kann eine Steuerung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, nach einem Schließen des mechanischen Trennschalters zeitlich versetzt den Halbleiterschalter aus einem sperrenden in einen leitenden Zustand zu schalten.
Eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich durch eine große
Robustheit gegenüber Störungen auszeichnet, sieht vor, dass eine
Zeitverzögerungsschaltung zu einem zeitverzögerten Schalten des
Halbleiterschalters nach Schließen des mechanischen Trennschalters vorgesehen ist.
Zur Überwachung des Vorladestroms kann zumindest ein zumindest einer Vorladeeinheit nachgeschaltetes Strommessgerät vorgesehen sein, welches mit der oben erwähnten Steuerung verbunden sein kann. Überschreitet der Vorladestrom beispielsweise einen vorgebbaren Grenzwert oder tritt eine unerlaubte Änderung des Stromflusses auf, so kann der mechanische
Trennschalter und gegebenenfalls der Halbleiterschalter des
Vorladekreises durch die Steuerung angesteuert und geöffnet werden.
Zur Überwachung des Spannungsabfalls an dem Hauptrennschalter bzw. an der parallel dazu geschalteten Vorladeeinheit können vor und nach einem Haupttrennschalter zumindest je ein Messabgriff vorgesehen sein.
Um bei einem Trennen des zuschaltbaren elektrischen Systems von dem Bordnetz eine zuverlässige galvanische Trennung zu gewährleisten können zumindest den Messabgriffen des positiven Spannungspfades zugeordnete Messleitungen mittels zumindest eines mechanischen Schalters von dem Energiespeicher trennbar ausgeführt sein.
Die eingangs genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
Um die Entstehung transienter Störungen bei einem Zuschalten des elektrischen Systems zu dem Bordnetz sehr wirkungsvoll zu unterbinden, wird der mechanische Trennschalter der Vorladeschaltung bei geöffnetem Haupttrennschalter und sperrendem Halbleiterschalter geschlossen, wobei nach dem Schließen des mechanischen Trennschalters der
Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand versetzt und das
elektrische Netz mit einem über den Vorladewiderstand begrenzten Strom geladen wird.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem elektrischen Energiespeicher;
Fig. 2 eine erste Variante einer erfindungsgemäße Schaltung im näheren Detail ;
Fig. 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen
Schaltung und
Fig. 4 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Schaltung im näheren Detail .
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten
Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch
Einzeimerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und
beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich
eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Darüber hinaus stellt auch die Bezugszeichenliste einen Teil der Offenbarung dar.
Die Figuren sind übergreifend und zusammenhängend beschrieben.
Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Schaltung 1 zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren elektrischen Systems 2, insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines
elektrischen Netzes 3 eines Fahrzeuges, mindesten einen mechanischen Haupttrennschalter 4 auf. In der hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zuschaltbare elektrische System 2 als zuschaltbare Batterie bzw. Akkumulator dargestellt. Die Hauptschalter 4 können die durch die jeweilige Anwendung geforderten Leistungen transportieren bzw. die entsprechenden Ströme tragen. Die Hauptrennschalter 4 können als
Leistungsschalter ausgeführt sein, sodass die Schaltung 1 unter diesem Gesichtspunkt auch als Leistungsschaltereinheit bezeichnet werden kann.
Weiters weist die erfindungsgemäße Schaltung 1 mindesten eine zu dem Haupttrennschalter 4 parallel geschaltete Vorladeeinheit 5 bzw.
Vorladeschaltung auf.
Die Vorladeeinheit 5 weist einen steuerbaren Halbleiterschalter 6 und einen mechanischen Trennschalter 7 zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 mit dem elektrischen Netz 3 auf. Der Halbleiterschalter 6 kann beispielsweise durch einen MOSFET mit einer Treiberstufe realisiert werden.
Der mechanische Trennschalter 7 und der Halbleiterschalter 6 sind in Serie miteinander geschaltet. Die Vorladeeinheit 5 kann zumindest einen mit dem Halbleiterschalter 6 und dem mechanischen Trennschalter 7 in Reihe geschalteten Widerstand 8 zur Begrenzung des Vorladestroms aufweisen .
Die Vorladeeinheiten 5 und die Haupttrennschalter 4 sowie die
entsprechende elektrische Verdrahtung können in einem Modul bzw. zu einer Einheit zusammengefasst werden. Auch kann die erfindungsgemäße Schaltung 1 in das zuschaltbare elektrische System 2 integriert sein und somit einen Bestandteil des Systems 2 bilden. Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich ist, können in einem positiven Ausgangsspannungspfad 9 und in einem negativen Ausgangsspannungspfad 10 des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 je zumindest eine
Vorladeeinheit 5 und je zumindest ein Haupttrennschalter 4 angeordnet sein .
Mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung 1 kann aufgrund der
mechanischen Trennschalter 4 und 7 eine konsequente galvanische Trennung des elektrischen Systems 2 von dem Bordnetz 3 bei Nichtaktivierung des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 gewährleistet werden.
Auf der linken Seite ist in Fig. 1 der Energiespeicher in Form eines elektrischen Energiespeichers dargestellt. Auf der rechten Seite sind positive und negative Anschlüsse 9a, 10a zur Abnahme der
Ausgangsspannung dargestellt, die entweder direkt dem Bordnetz 3 oder diesem beispielsweise über eine Hochvoltschnittstelle zur Verfügung stehen. Die Anschlüsse A und B können beispielsweise als 2-polige
Steckverbinder oder zweimal einpolige Steckverbinder ausgeführt sein. Auf der Unterseite ist eine Schnittstelle 11a, beispielsweise in Form einer Steckverbindung, zu der Steuerung 11 dargestellt, welche die Ansteuerung der Trennschalter 4, 7 und 6 sowie einen Datenempfang von der in Fig. 1 dargestellten Sensorik ermöglicht.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Verbinden des
zuschaltbaren elektrischen Systems 2 mit dem Bordnetz 3 der mechanische Trennschalter 7 der Vorladeschaltung 5 bei geöffnetem Haupttrennschalter 4 und einen Strom sperrendem Halbleiterschalter 6 geschlossen. Nach dem Schließen des mechanischen Trennschalters 7 wird der Halbleiterschalter 6 in einen Strom leitenden Zustand versetzt, woraufhin das elektrische Netz 3 mit einem über die Vorladeeinheit 5 fließenden Strom geladen wird.
Wie in Fig. 2 dargestellt, können der mechanische Trennschalter 7 und der Halbleiterschalter 6 gemeinsam angesteuert werden. Hierzu kann die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnete Steuerung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sein kann, nach einem Schließen des
mechanischen Trennschalters 7 den Halbleiterschalter 6 aus einem sperrenden in einen leitenden Zustand zu schalten. Dem Halbleiterschalter 6 kann eine Treiberstufe 12 und eine
Vorladeelektronik 12a vorgeschaltet sein. Die Steuerung 11 kann mittels eines entsprechend programmierten Mikro- oder Signalprozessors
realisiert sein.
Der mechanische Trennschalter 7 kann von der Steuerung 11 vor dem
Ansteuern des Halbleiterschalters geschlossen werden. Der
Halbleiterschalter 6 schaltet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, den
Vorladekreis ohne auftretende Spannungsspitzen im Hauptstromkreis. In Fig. 3 ist die Spannung U über der Zeit t aufgetragen.
Nach erfolgter Vorladung des Bordnetzes 3 werden die Haupttrennschalter 4 geschlossen. Danach können der Halbleiterschalter 6 und der
mechanische Trennschalter 7 der Vorladekreise 5 getrennt d.h. in einen sperrenden Zustand geschaltet werden, wobei das elektrische System 2 und das Bordnetz 3 nach Schließen der Hauptschalter 4 miteinander
elektrische verbunden sind.
Wie in Fig. 4 dargestellt kann ein zeitversetztes Schalten des
mechanischen Trennschalters 7 und des Halbleiterschalters 6 auch mittels einer Zeitverzögerungsschaltung 13 realisiert werden.
Diese Zeitverzögerungsschaltung 13 kann beispielsweise ein R-C Glied aufweisen, dessen Kapazität entsprechend der gewünschten Zeitspanne zwischen dem Schalten des Trennschalters 7 und des Halbleiterschalters 6 gewählt werden kann.
Weiters kann, wie in Fig. 1 dargestellt, ein der Vorladeeinheit 5 nachgeschaltetes Strommessgerät 14, beispielsweise einen
Strommesssensor, vorgesehen sein, welches mit der Steuerung 11 verbunden sein kann. Mit diesem Strommessgerät 14 kann auch überprüft werden, ob bei einem Abschließen des elektrischen Systems 2 von dem Bordnetz 3 eine galvanische Trennung gegeben ist. In erster Linie dient das
Strommessgerät 11 jedoch zum Erfassen des Stroms, welcher sowohl beim Entladen wie auch beim Laden dem Energiespeicher 2 entnommen bzw.
zugeführt wird.
Vor und nach den Haupttrennschaltern 4 kann je zumindest ein Messabgriff 15, 16, 17, 18 vorgesehen sein, wobei zumindest den Messabgriffen 15, 16 des positiven Spannungspfades 8 zugeordnete Messleitungen 19, 20 mittels eines mechanischen Schalters 21 von dem elektrischen System 2 getrennt werden können. Somit kann sicher gestellt werden, dass bei Deaktivierung bzw. Nichtansteuerung des gesamten zuschaltbaren elektrischen Systems 2 auch an den Messleitungen 19, 20, 22, 23 keine Spannung anliegt und auch auf diesem Weg keine Energie aus dem elektrischen System 2 in das
Bordnetz 3 übertragen werden kann. Zusätzlich können noch
Schutzwiderstände 24 in den Messleitungen 19, 20, 22, 23 angeordnet werden .
An dieser Stelle sei erwähnt, dass alle oben erwähnten mechanischen Schalter bzw. Trennschalter mittels Relais realisiert werden können.
Abschließend sei auch festgehalten, dass die Ausführungsbeispiele lediglich mögliche, Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung zeigen, wobei die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten
Ausführungsvarianten eingeschränkt ist. Insbesondere sind auch
Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich, wobei diese Variationsmöglichkeiten aufgrund der Lehre zum technischen Handeln der gegenständlichen Erfindung im Können des auf diesem
technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegen. Es sind auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die den der Erfindung zugrunde liegenden Lösungsgedanken verwirklichen und nicht explizit beschrieben bzw.
dargestellt oder durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvarianten möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.
Bezugszeichenliste
1 Schaltung
2 zuschaltbares elektrisches System
3 elektrisches Netz eines Fahrzeuges
4 Haupttrennschalter
5 Vorladeeinheit
6 Halbleiterschalter der Vorladeeinheit
7 Trennschalter der Vorladeeinheit
8 Widerstand zur Begrenzung des Vorladestroms
9 positiver Spannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems
9a positiver Anschluss zur Abnahme der Ausgangsspannung
10 negativer Spannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems
10a negativer Anschluss zur Abnahme der Ausgangsspannung
11 Steuerung
11a Schnittstelle zu einer Steuerung
12 Treiberstufe des Halbleiterschalters 12a Vorladeelektronik
13 Zeitverzögerungsschaltung
14 Strommessgerät
15 Messabgriff 16 Messabgriff 17 Messabgriff
18 Messabgriff
19 Messleitung
20 Messleitung
21 mechanischer Schalter 22 Messleitung
23 Messleitung
24 Schutzwiderstand

Claims

Patentansprüche
1. Schaltung (1) zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren
elektrischen Systems (2) , insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines elektrischen Netzes (3) eines Fahrzeuges, wobei die Schaltung (1) zumindest einen
mechanischen Haupttrennschalter (4) zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems (2) mit dem elektrischen Netz
(3) des Fahrzeuges sowie zumindest eine zu dem Haupttrennschalter
(4) parallel geschaltete Vorladeeinheit (5) mit zumindest einen steuerbaren Halbleiterschalter (6) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorladeeinheit (5) zumindest einen mechanischen Trennschalter (7) zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems (2) und des elektrischen Netzes
(3) des Fahrzeuges aufweist, wobei der Halbleiterschalter (6) in Serie mit dem mechanischen Trennschalter (7) geschaltet ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem positiven Ausgangsspannungspfad (9) und in einem
negativen Ausgangsspannungspfad (10) des zuschaltbaren elektrischen Systems (2) je zumindest eine Vorladeeinheit (5) und je zumindest ein Hauptrennschalter (4) angeordnet sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Vorladeeinheit (5) zumindest einen mit dem
Halbleiterschalter (6) und dem mechanischen Trennschalter (7) in Reihe geschalteten Widerstand (8) zur Begrenzung des Vorladestroms aufweist .
4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der mechanische Trennschalter (7) und der Halbleiterschalter (6) getrennt oder gemeinsam ansteuerbar sind.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Steuerung (11) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, nach einem Schließen des mechanischen Trennschalters (7) den
Halbleiterschalter (6) aus einem sperrenden in einen leitenden Zustand zu schalten.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zeitverzögerungsschaltung zu einem zeitverzögerten Schalten des Halbleiterschalters 86) nach Schließen des mechanischen
Trennschalters (7) aufweist.
7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest ein zumindest einer Vorladeeinheit (5) nachgeschaltetes Strommessgerät vorgesehen ist, welches mit der Steuerung (11) verbunden ist.
8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass vor und nach dem zumindest einen
Haupttrennschalter (4) je zumindest ein Messabgriff (15, 16, 17, 18) vorgesehen ist.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest den Messabgriffen (15, 16, 17, 18) des positiven Spannungspfades (9) zugeordnete Messleitungen mittels zumindest eines mechanischen Schalters von dem zuschaltbaren elektrischen System (2) trennbar sind.
10. Verfahren zum Verbinden eines zuschaltbaren elektrischen
Systems (2) , insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, mit einem elektrischen Netz (3) eines
Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Trennschalter (7) der Vorladeeinheit (5) bei geöffnetem Haupttrennschalter (4) und sperrendem Halbleiterschalter (6) geschlossen wird, wobei nach dem Schließen des mechanischen
Trennschalters (7) der Halbleiterschalter (6) in einen leitenden Zustand versetzt und das elektrische Netz (3) bei geöffneten
Haupttrennschalter (4) mit einem über die Vorladeeinheit (5) fließenden Strom geladen wird.
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