DE102005035487A1 - Electrical power switching module is used on hybrid electric vehicles to achieve high reliability - Google Patents

Electrical power switching module is used on hybrid electric vehicles to achieve high reliability Download PDF

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Abstract

The electrical power switching module [100] consists of an array of 3 x 3 electro mechanical relays [110] each of which has a fixed contact [112], a movable contact [114] and a coil [116]. In order to obtain a reliable switching under high, inductive loads each stage includes a magnet [118] that reduces contact arcing effects.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsschaltmodul zum Schalten hoher Spannungen und/oder Ströme in einem elektrischen Stromkreis. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf derartige Leistungsschaltmodule, die in Hybridfahrzeugen zum Schalten der Versorgungsleistung eines Elektromotors einsetzbar sind.The The present invention relates to a power switching module for switching high voltages and / or currents in an electrical circuit. In particular, the present invention relates to such Power switching modules used in hybrid vehicles for switching the Supply power of an electric motor can be used.

Hybridfahrzeuge haben gegenwärtig ein beachtliches Marktpotential, da ihr Kraftstoffwirkungsgrad etwa dreimal so hoch ist wie bei Kraftfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren. Ihre Emissionswerte erfüllen die zweitstrengsten Auflagen, die gegenwärtig existieren, nämlich die Einstufung als sogenanntes Ultra Low Emission Vehicle (ULEV). Hybridfahrzeuge basieren auf der Technik, einen herkömmlichen Verbrennungsmotor (Benzin oder Dieselkraftstoff) und eine zusätzliche große Batterie sowie einen Elektromotor einzusetzen. Die Räder des Fahrzeugs werden daher sowohl durch den Verbrennungsmotor wie auch durch den Elektromotor angetrieben, wobei es für diese beiden Motoren verschiedene Möglichkeiten der Anordnung gibt. Darüber hinaus gibt es Hybridfahrzeuge, bei denen die Batterie von einem äußeren Stromnetz gespeist werden kann. Ein Steuercomputer steuert den Antrieb des Fahrzeugs durch einen oder beide Motoren in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, der benötigten Leistung sowie der in den Batterien vorhandenen Speicherkapazität. In allen Hybridfahrzeugen ist ein wesentliches Element der bzw. die Leistungsschalter, welche die auftretenden hohen Spannungen und Ströme zu- und abschalten.hybrid vehicles have present a considerable market potential, since their fuel efficiency is about three times as high as in conventional vehicles Internal combustion engines. Their emissions comply with the second most stringent requirements, the present exist, namely the classification as a so-called Ultra Low Emission Vehicle (ULEV). Hybrid vehicles are based on technology, a conventional one Internal combustion engine (gasoline or diesel fuel) and an additional size Battery and use an electric motor. The wheels of the Vehicles are therefore both by the internal combustion engine as well driven by the electric motor, it being different for these two motors options the arrangement gives. About that There are also hybrid vehicles where the battery is from an external power grid can be fed. A control computer controls the drive of the Vehicle by one or both engines as a function of speed, the needed Performance and the existing in the batteries storage capacity. In all Hybrid vehicles is an essential element of the circuit breaker (s), which switch on and off the occurring high voltages and currents.

Zum Schalten hoher Ströme und Spannungen werden gegenwärtig zwei Ansätze verfolgt.To the Switching high currents and tensions are becoming present two approaches tracked.

Zum einen ist es bekannt, mechanische Relais durch entsprechende Modifikationen, wie Wählen der Kontaktgeometrie und der geometrischen Abmessungen, bezüglich der Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit so auszulegen, dass die in einem Hybridfahrzeug auftretenden zu schaltenden Leistungen sicher geschaltet werden können. Dabei werden die Fahrzeuge auf einem Strom- und Spannungsniveau von 100 bis 200 A bei 200 bis 700 V betrieben. Die zu schaltenden Leistungen liegen entsprechend in einem Bereich von ca. 100 kW. Diese bekannte Lösung hat aber den Nachteil, dass der benötigte Bauraum für ein entsprechend spannungsfestes und stromtragfähiges Einzelrelais inakzeptabel hoch wird.To the it is known, mechanical relays by appropriate modifications, like dial the contact geometry and the geometric dimensions, with respect to ampacity and withstand voltage such that in a hybrid vehicle occurring switching to be switched services safely can. The vehicles are at a current and voltage level operated from 100 to 200 A at 200 to 700V. The to be switched Capacities are correspondingly within a range of approx. 100 kW. This known solution But has the disadvantage that the required space for a corresponding voltage-resistant and current-carrying Single relay becomes unacceptably high.

Weiterhin ist bekannt, zum Schalten hoher Ströme und/oder Spannungen Halbleiterschalter zu verwenden und zur Erhöhung der Sicherheit sowie der Stromtragfähigkeit und/oder Spannungsfestigkeit eine Vielzahl von Halbleiterschaltern in Form von Transistorarrays aufzubauen. Die internationale veröffentlichte Patentanmeldung WO 2004/049571 A1 zeigt eine entsprechende Halbleiterschaltungsanordnung zum Steuern einer hohen Spannung oder eines Stromes mit großer Stromstärke. Allerdings haben derartige Transistorarrays den Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Überlast benötigen, bei elektrischen Störungen relativ empfindlich sind und eine Schaltverlustleistung haben, die über der von elektromechanischen Relais liegt. Weiterhin bestimmt bei Halbleiterschaltern der Sperrschichtwiderstand den Isolationswiederstand im geöffneten Zustand und es existiert keine galvanische Trennung zwischen dem Ein- und Ausgang. Daher müssen im Fall von hohen zu schaltenden Spannungen oft zusätzlich Optokoppler eingefügt werden.Farther is known for switching high currents and / or voltages semiconductor switch to use and to increase safety as well as current carrying capacity and / or withstand voltage Build variety of semiconductor switches in the form of transistor arrays. The international published Patent application WO 2004/049571 A1 shows a corresponding semiconductor circuit arrangement for controlling a high voltage or high current current. Indeed such transistor arrays have the disadvantage that they are comparatively complex protective measures against overload need, in case of electrical disturbances are relatively sensitive and have a switching power dissipation exceeding that of electromechanical relays lies. Further determined in semiconductor switches the junction resistance the insulation resistance in the open Condition and there is no galvanic isolation between the Input and output. Therefore, must in the case of high voltages to be switched often additional optocouplers added become.

Daher besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, ein verbessertes Leistungsschaltmodul zum Schalten hoher Spannungen und/oder Ströme in einem elektrischen Stromkreis anzugeben, das die Vorteile elektromechanischer Relais beinhaltet und gleichzeitig in miniaturisierter und kosteneffizienter Form herstellbar ist.Therefore the object underlying the present invention is therein, an improved power switching module for switching high voltages and / or currents specify in an electrical circuit, the advantages of electromechanical Relays include and at the same time miniaturized and cost-efficient Shape is producible.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These The object is solved by the subject matter of patent claim 1. advantageous Further developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass zum Schalten hoher Spannungen und/oder Ströme ein Leistungsschaltmodul verwendet wird, das durch eine Matrix aus n × m elektromechanischen Einzelrelais gebildet ist. Dabei sind m Parallelschaltungen aus jeweils n Einzelrelais in Serie geschaltet. Die Zahlen n und m sind ganze Zahlen und größer oder gleich 2. Bei einem solchen Relaisarray sitzt in jedem Gitterpunkt ein Relais, das an sich für eine vergleichsweise geringe Schaltleitung ausgelegt ist. In der vorlegenden Anmeldung werden die Begriffe „Array" und „Matrix" als im wesentlichen bedeutungsgleich nebeneinander verwendet.The The present invention is based on the idea that for switching high Voltages and / or currents a power switching module is used, which is characterized by a matrix n × m electromechanical single relay is formed. There are m parallel circuits each of n individual relays connected in series. The numbers n and m are integers and greater or greater equal 2. In such a relay array sits in each grid point a relay that in itself for a comparatively small switching line is designed. In the In the present application, the terms "array" and "matrix" are considered to be substantially equivalent used side by side.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet zum einen den Vorteil, dass etablierte, preisgünstige und vergleichsweise kompakte Relais auch zum Schalten großer Leistungen verwendet werden können. Im Gegensatz zu der Verwendung von Halbleiterrelais, wie Triacs, Thyristoren oder Leistungstransistoren, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verwendung eines Arrays aus herkömmlichen elektromagnetischen Relais eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störungen sowie eine geringe Schaltverlustleistung erreicht werden. Das Schalten erfolgt unabhängig von der Stromrichtung (Gleich- und Wechselstrom) und es existiert eine galvanische Trennung zwischen allen Kontakten untereinander und bezüglich der ansteuernden Spule. Darüber hinaus sind die zulässigen Betriebstemperaturen deutlich höher als bei entsprechenden Halbleiterschaltelementen. Im Vergleich zu einer Verwendung entsprechend dimensionierter Einzelrelais bietet die Verwendung der erfindungsgemäßen Relaismatrix außerdem den Vorteil, dass für eine bestimmte Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit insbesondere in höheren Bereichen der benötigte Bauraum wesentlich reduziert ist. Darüber hinaus kann eine Anpassung an geänderte Leistungsanforderungen flexibel und unproblematisch erfolgen, da die Matrix nur um die entsprechenden Reihen und Spalten an zusätzlichen Einzelrelais erweitert werden muss.On the one hand, the solution according to the invention offers the advantage that established, inexpensive and comparatively compact relays can also be used for switching large powers. In contrast to the use of semiconductor relays, such as triacs, thyristors or power transistors, a substantial insensitivity to electrical disturbances and a low switching power loss can be achieved with the aid of the inventive use of an array of conventional electromagnetic relays. The switching is independent of the current direction (DC and AC) and there is a galvanic separation between all contacts with each other and with respect to the driving coil. In addition, the permissible operating temperatures are significantly higher than with corresponding semiconductor switching elements. In comparison to the use of appropriately dimensioned individual relays, the use of the relay matrix according to the invention also offers the advantage that the required installation space is substantially reduced for a given current-carrying capacity and dielectric strength, especially in higher ranges. In addition, adaptation to changing power requirements can be flexible and unproblematic, since the matrix only has to be expanded by the corresponding rows and columns of additional individual relays.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind an dem Modul ein erster und zweiter Schaltanschluss vorgesehen, die mit dem zu schaltenden Stromkreis verbunden werden können, und davon getrennt ein erster und ein zweiter Steueranschluss, der es erlaubt, dass alle elektromagnetischen Relais der Matrix simultan durch einen Steuerstrom angesteuert werden. Damit kann das Leistungsschaltmodul gemäß der vorliegenden Erfindung schaltungstechnisch nach außen hin als ein kompakter ansteuerbarer Schalter mit einem einzigen Steueranschluss behandelt werden. Im Falle geänderter Leistungsanforderungen ist ein problemloser Austausch möglich.According to one advantageous embodiment of the present invention are at the module a first and second Switching connection provided with the circuit to be switched can be connected and separated therefrom a first and a second control terminal, the it allows all electromagnetic relays of the matrix to pass through simultaneously be controlled a control current. This allows the power switching module according to the present Circuit technology outwardly as a compact controllable Switch can be treated with a single control terminal. In the event of changed Performance requirements allow easy replacement.

Um größere Gleichstromlasten sicher abschalten zu können, gibt es bei handelsüblichen Relais verschiedene Herangehensweisen, um eine höhere DC-Abschaltleistung zu erreichen. So können beispielsweise die Kontaktabstände vergrößert werden, indem eine Reihenschaltung der Kontakte vorgenommen wird. Durch die Mehrfachunterbrechung wird der Lichtbogen in mehrere Teillichtbögen gesplittet und verlischt dadurch schneller. Alternativ können auch Relais mit konstruktiv höheren Kontaktabständen, z. B. mit mehr als 3 mm eingesetzt werden. Erfindungsgemäß werden jedoch Relais mit einem sogenannten Blasmagnet verwendet. Relais mit Blasmagneten besitzen in der Kontaktkammer einen Dauermagneten, der den Schaltlichtbogen in seinem Magnetfeld ablenkt und aus dem Kontaktraum herausdrückt. Mit einem derartigen Spezialrelais können hohe DC-Abschaltleistung auch bei hoher Schaltspannung erzielt werden.Around larger DC loads safe to switch off, is available at commercial Relays various approaches to achieve a higher DC shutdown performance. So, for example the contact distances to be enlarged by making a series connection of the contacts. By the multiple interruption, the arc is split into several partial arcs and thus gets out faster. Alternatively, relays with constructive higher Contact intervals, z. B. be used with more than 3 mm. According to the invention However, relays with a so-called Blasmagnet used. relay with blowing magnets have in the contact chamber a permanent magnet, which deflects the switching arc in its magnetic field and out of the Push out contact space. With such a special relay can high DC shutdown performance be achieved even at high switching voltage.

Eine konstruktiv sehr einfache und schaltungstechnisch gut ansteuerbare Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsschaltmodul, bei dem die Matrix durch ein Array aus n × m identischen Relais gebildet ist.A structurally very simple and technically well controlled Development of the present invention is a power switching module, in the matrix is formed by an array of n × m identical relays is.

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn das Leistungsschaltmodul bezüglich der schaltbaren Leistungen angepasst ist, um die Versorgungsleistung eines Motors in einem Hybridfahrzeug zu schalten. Insbesondere die Temperaturbe ständigkeit und elektronische Störsicherheit bieten hier große Vorteile. Es ist für den Fachmann jedoch klar, dass das erfindungsgemäße Leistungsschaltmodul auch in anderen Anwendungsbereichen, in denen hohe Spannungen und/oder Ströme in einem elektrischen Stormkreis geschaltet werden müssen, wie beispielsweise in der Energieversorgung, einsetzbar ist.The advantageous properties of the power switching module according to the invention come especially when the power switching module with respect Switchable benefits is adjusted to the supply of an engine in a hybrid vehicle. especially the Temperature resistance and electronic interference immunity offer great here Advantages. It is for the However, it is obvious to a person skilled in the art that the power switching module according to the invention also in other applications where high voltages and / or streams must be switched in an electrical circuit, such as for example, in the power supply, can be used.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Leistungsschaltmodul einen ersten Matrixbereich auf, der einen vorgegebenen ersten Leistungsbereich schaltet und mindestens einen weiteren Matrixbereich, der wahlweise mit dem ersten Matrixbereich verbindbar ist, um den schaltbaren Leistungsbereich des Leistungsschaltmoduls zu erweitern. Bei einer solchen Anordnung kann, ähnlich wie bei den in der Halbleitertechnologie bekannten anwenderspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), eine vorkonfektionierte Leistungsschalteinheit bereitgestellt werden, die flexibel an verschiedene Schaltleistungen angepasst werden kann.According to one preferred embodiment the power switching module on a first matrix area, the one predetermined first power range switches and at least one another matrix area, optionally with the first matrix area is connectable to the switchable power range of the power switching module to expand. In such an arrangement, similar to those in the semiconductor technology known user-specific integrated circuits (ASIC), a prefabricated power switching unit are provided, which can be flexibly adapted to different switching capacities.

Um als vorkonfektioniertes Modul einer automatisierten Montage zur Verfügung zu stehen kann, das Leistungsschaltmodul einen Schaltungsträger, vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte aufweisen, auf dem die einzelnen Relais angeordnet sind und mittels auf dem Schaltungsträger angebrachte Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden sind.Around as a prefabricated module of an automated assembly for disposal can stand, the power switching module a circuit carrier, preferably a printed circuit board on which the individual relays are arranged and mounted on the circuit board traces electrically connected to each other.

Baut man die Relaismatrix aus vorgefertigten Serienteilen auf, so können die einzelnen Relais jeweils ein separates Gehäuse aufweisen, und das Leistungsschaltmodul muss nicht mehr zusätzlich mit einem Gehäuse versehen werden.builds If the relay matrix is made up of prefabricated series parts, then the each relay have a separate housing, and the power switching module does not have to be additional with a housing be provided.

Je nach den Anforderungen an die Baugröße des gesamten Leistungsschaltmoduls, wie auch an die jeweiligen Kosten, können die einzelnen Relais als Standardbauelemente für eine Durchkontaktierungsmontage oder aber auch als oberflächenmontierbare Bauelemente (surface mounted devices, SMD) ausgeführt sein.ever according to the size requirements of the entire power switching module, as well as to the respective costs, the individual relays can as Standard components for a via-hole mounting or as a surface mountable Components be executed (surface mounted devices, SMD).

Beispielsweise bei einer Anwendung in einem Hybridfahrzeug, bei der eine Spannungsfestigkeit von über 200 V und eine Stromtragfähigkeit von 90 A verlangt ist, kann die erfindungsgemäße Matrix aus einem Array von 3 × 3 Relais mit jeweils einer Stromtragfähigkeit von 30 A und einer Spannungsfestigkeit von 70 V bestehen.For example in an application in a hybrid vehicle, in which a dielectric strength from above 200 V and a current carrying capacity is required by 90 A, the matrix according to the invention may consist of an array of 3 × 3 Relays each with a current carrying capacity of 30 A and one Dielectric strength of 70 V exist.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:Based the embodiments shown in the accompanying drawings the invention will be explained in more detail below. Similar or corresponding Details of the power switching module according to the invention are provided in the figures with the same reference numerals. Show it:

1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls gemäß einer möglichen Ausführungsform; 1 a circuit diagram of a power switching module according to the invention according to a possible embodiment;

2 einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Einzelrelais und dem erfindungsgemäßen Leistungsschaltmodul bezüglich des benötigten Volumens für verschiedene Werte der schaltbaren Leistung; 2 a comparison between a conventional single relay and the power switching module according to the invention with respect to the required volume for different values of the switchable power;

3 eine perspektivische Darstellung einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls. 3 a perspective view of a specific embodiment of the power switching module according to the invention.

Der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls 100 soll beispielhaft an einem Array aus 3 × 3 elektromechanischen Relais erläutert werden, wie dies in 1 in Form eines elektrischen Schaltbildes dargestellt ist. Zwischen den beiden Schaltanschlüssen 102 und 104 ist eine Matrix aus 3 × 3 elektromechanischen Relais angeordnet, wobei die Relais und ihre Ansteuerungen so verschaltet sind, dass sich das Leistungsschaltmodul 100 wie ein einziger steuerbarer Schalter zwischen den Schaltanschlüssen 102, 104 verhält. Die Ansteuerung erfolgt über die beiden Steueranschlüsse 106, 108. Im allgemeinen Fall wird das Leistungsschaltmodul 100 durch eine Matrix von n × m elektromechanischen Einzelrelais 110 gebildet, wobei m Parallelschaltungen aus jeweils n Relais in Serie geschaltet sind. Wie erwähnt, ist in dem gewählten Beispiel n = m = 3.The structure and operation of the power switching module according to the invention 100 is to be explained by way of example on an array of 3 × 3 electromechanical relays, as shown in FIG 1 is shown in the form of an electrical circuit diagram. Between the two switching connections 102 and 104 is a matrix of 3 × 3 electromechanical relays arranged, the relays and their controls are connected so that the power switching module 100 as a single controllable switch between the switching terminals 102 . 104 behaves. The control takes place via the two control connections 106 . 108 , In the general case, the power switching module 100 by a matrix of n × m electromechanical single relays 110 formed, where m parallel circuits of each n relays are connected in series. As mentioned, in the example chosen, n = m = 3.

Jedes Einzelrelais 110 weist, wie dies allgemein bekannt ist, einen Festkontakt 112 und einen beweglichen Kontakt 114 auf, sowie eine Spule 116, die bei Stromfluss durch den Steueranschluss 106, 108 ein Magnetfeld erzeugt, das den beweglichem Kontakt 114 schaltet. Es können aber selbstverständlich auch alle anderen bekannten Relaistypen, insbesondere andere Kontaktanordnungen, vorgesehen sein.Every single relay 110 has, as is well known, a fixed contact 112 and a moving contact 114 on, as well as a coil 116 when current flows through the control terminal 106 . 108 creates a magnetic field that is the moving contact 114 on. Of course, it is also possible to provide all other known relay types, in particular other contact arrangements.

Um ein sicheres Abschalten auch bei höheren Gleichstromlasten und induktiven Lasten zu gewährleisten, sind die Einzelrelais 110 gemäß der hier gezeigten Ausführungsform mit einem Magneten 118 ausgestattet. Dieser Magnet erhöht durch sein Magnetfeld die Lichtbogenbrennspannung und damit die effektiv zu sperrende Klemmspannung. Die Verschweißneigung der Kontakte 112, 114 miteinander beim Schließen kann durch die Verwendung eines solchen Magneten 118 günstig beeinflusst werden. Dies ist darin begründet, dass sich kurz vor dem Schließen der Kontakte ab einer bestimmten Durchbruchsfeldstärke ein Vorzündlichtbogen bildet, der bei höheren Spannungen früher, d. h. bereits bei größeren Abständen der Kontakte, entsteht. Je länger dieser Bogen auf die Kontakte einwirkt, desto größer ist die geschmolzene Fläche und desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Verschweißung. Der Magnet erhöht die Brennspannung, das bewirkt eine Verkürzung der Schlagweite und damit der Einwirkdauer des Vorzündlichtbogens.To ensure a safe shutdown even with higher DC loads and inductive loads, the single relays are 110 according to the embodiment shown here with a magnet 118 fitted. This magnet increases by its magnetic field, the arc voltage and thus effectively clamped clamping voltage. The welding tendency of the contacts 112 . 114 Closing with each other can be achieved through the use of such a magnet 118 be influenced favorably. This is due to the fact that shortly before the closing of the contacts from a certain breakdown field strength an ignition arc forms, which occurs earlier at higher voltages, ie even at larger distances between the contacts. The longer this arc acts on the contacts, the larger the melted area and the greater the likelihood of fusion. The magnet increases the burning voltage, which causes a shortening of the impact distance and thus the exposure time of the pre-ignition arc.

Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform werden neun identische Mikrorelais, wie sie aus der Automobilindustrie bekannt sind, verwendet, die jedes für sich genommen eine Spannungsfestigkeit von 70 V und eine Stromtragfähigkeit von 30 A aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Matrixschaltung, bei der die n parallel geschalteten Relais die Stromtragfähigkeit und die m in Serie geschalteten Relais die Spannungsfestigkeit des gesamten Leistungsschaltmoduls 100 herstellen, kann insgesamt eine Stromtragfähigkeit von 90 A und eine Spannungsfestigkeit von 210 V erreicht werden. Selbstverständlich lässt sich die An ordnung aber auch auf jeden weiteren erforderlichen Wert erweitern oder reduzieren.At the in 1 In the exemplary embodiment shown, nine identical micro-relays, as known in the automotive industry, are used, each of which in itself has a withstand voltage of 70V and a current carrying capacity of 30A. By the matrix circuit according to the invention, in which the n parallel-connected relay, the current carrying capacity and m connected in series relay the dielectric strength of the entire power switching module 100 In total, a current carrying capacity of 90 A and a dielectric strength of 210 V can be achieved. Of course, the arrangement can be extended or reduced to any further required value.

Die Steueranschlüsse der Einzelrelais sind so verschaltet, dass sie als simultane Ansteuerung in Form der Steueranschlüsse 106, 108 nach außen geführt werden können. Es ist aber für den Fachmann klar, dass auch eine separate Ansteuerung der einzelnen Spulen vorgesehen sein kann.The control connections of the individual relays are connected in such a way that they act as simultaneous control in the form of the control connections 106 . 108 can be led to the outside. However, it is clear to the person skilled in the art that a separate control of the individual coils can also be provided.

Mit Bezug auf 2 soll die vorteilhafte Volumenreduzierung durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls illustriert werden. Dabei ist auf der Abszisse die jeweilige schaltbare Leistung in Kilowatt aufgetragen und auf der Ordinate das hierfür beanspruchte Bauvolumen in Kubikzentimeter. Die Kurve 201 zeigt den Raumbedarf für ein entsprechend dimensioniertes einziges elektromagnetisches Relais. Beispielsweise werden für eine schaltbare Leistung von 10 kW mehr als 150 cm3 Volumen beansprucht. Demgegenüber ermöglicht der Einsatz des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls einen wesentlich reduzierten Raumbedarf bei verbesserter Stromtragfähigkeit und Spannungsfestigkeit. Wie durch die Kurve 202 dargestellt, wird für eine schaltbare Leistung von 10 kW ein Volumen von weniger als 20 cm3 beansprucht. Durch eine derartige Zusammenfassung konventioneller Automobilrelais zu einem n × m Relais-Array kann also eine hohe Last bei vergleichsweise geringem Volumenbedarf geschaltet werden.Regarding 2 the advantageous volume reduction should be illustrated by the use of the power switching module according to the invention. In this case, the respective switchable power in kilowatts is plotted on the abscissa and on the ordinate the volume of construction claimed in cubic centimeters. The curve 201 shows the space required for a correspondingly sized single electromagnetic relay. For example, for a switchable power of 10 kW more than 150 cm 3 volume claimed. In contrast, the use of the power switching module according to the invention allows a significantly reduced space requirement with improved current carrying capacity and dielectric strength. Like through the bend 202 shown, a volume of less than 20 cm 3 is claimed for a switchable power of 10 kW. By such a summary of conventional automotive relay to an n × m relay array so a high load can be switched with a comparatively small volume requirement.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leistungsschaltmoduls aus 1, wobei jedes einzelne der n × m Relais 110 ein herkömmliches Mikroautomobilrelais mit einem separaten Gehäuse 120 ist. Die Anschlüsse 102, 104, 106 und 108 sind hier für eine Durchsteckmontage auf einer (in der Figur nicht dargestellten) gedruckten Leiterplatte ausgeführt. 3 shows a perspective view of Power switching module off 1 , where each one of the n × m relay 110 a conventional micro-automotive relay with a separate housing 120 is. The connections 102 . 104 . 106 and 108 are here designed for through-hole mounting on a (not shown in the figure) printed circuit board.

Selbstverständlich können aber auch Relais für die Oberflächenmontage (surface mounted devices, SMD) verwendet werden. Das Vorsehen separater Gehäuse 120 hat zum einen den Vorteil, dass völlig unveränderte Standardbauteile 110 verwendet werden können, und dass zum anderen eine optimale elektrische Isolation erzielt werden kann, ohne ein zusätzliches Gehäuse für das Leistungsschaltmodul 110 zu benötigen.Of course, however, it is also possible to use relays for surface mounting devices (SMD). Providing separate housing 120 has the advantage that completely unchanged standard components 110 can be used, and that on the other hand an optimal electrical insulation can be achieved without an additional housing for the power switching module 110 to need.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Leistungsschaltmoduls besteht darüber hinaus in der Tatsache, dass durch zusätzliche Reihen und Spalten Redundanz eingebaut werden kann. Falls ein Relais an einem Gitterpunkt verschweißt, wird die Spannung durch die Relais in den darüber und darunter liegenden Reihen gesperrt. Falls ein Relais an einem beliebigen Gitterpunkt nicht mehr schließt, werden die Relais in den benachbarten Reihen links und rechts den Strom übernehmen.One significant advantage of the power switching module according to the invention exists about that addition, in the fact that through additional rows and columns Redundancy can be installed. If a relay is at a grid point welded, will the voltage through the relays in the above and below Rows locked. If a relay at any grid point no longer closes, the relays in the adjacent rows on the left and on the right become the Take power.

Claims (10)

Leistungsschaltmodul zum Schalten hoher Spannungen und/oder Ströme in einem elektrischen Stromkreis, wobei das Leistungsschaltmodul (100) eine Matrix von n × m elektromechanischen Relais (110) aufweist, die zum Schalten des Stromkreises ansteuerbar sind, und wobei m Parallelschaltungen aus jeweils n Relais in Serie geschaltet sind und n und m größer oder gleich 2 sind.Power switching module for switching high voltages and / or currents in an electrical circuit, wherein the power switching module ( 100 ) a matrix of n × m electromechanical relays ( 110 ), which are controllable for switching the circuit, and wherein m parallel circuits of each n relays are connected in series and n and m are greater than or equal to 2. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 1, wobei das Leistungsschaltmodul einen ersten und einen zweiten Schaltanschluss (102, 104), die nach außen geführt sind, um die elektrische Verbindung mit dem elektrischen Stromkreis herzustellen, sowie einen ersten und zweiten Steueranschluss (106, 108) zum simultanen Ansteuern der elektromechanischen Relais (110) durch einen Steuerstrom aufweist.Power switching module according to claim 1, wherein the power switching module comprises a first and a second switching connection ( 102 . 104 ) which are led to the outside to make the electrical connection with the electric circuit, and a first and second control terminal ( 106 . 108 ) for the simultaneous activation of the electromechanical relays ( 110 ) by a control current. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Matrix durch n × m identische Relais (110) gebildet ist.Power switching module according to at least one of the preceding claims, wherein the matrix by n × m identical relay ( 110 ) is formed. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei mindestens eines der Relais (110) einen Magneten (118) zur Lichtbogenbeeinflussung aufweist.Power switching module according to at least one of the preceding claims, wherein at least one of the relays ( 110 ) a magnet ( 118 ) for influencing the arc. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Leistungsschaltmodul (100) bezüglich der schaltbaren Leistung angepasst ist, um die Versorgungsleistung eines Motors in einem Hybridfahrzeug zu schalten.Power switching module according to at least one of the preceding claims, wherein the power switching module ( 100 ) is adapted to the switchable power to switch the supply power of an engine in a hybrid vehicle. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, das einen ersten Matrixbereich aufweist, der einen vorgegebenen ersten Leistungsbereich schaltet und mindestens einen weiteren Matrixbereich, der mit dem ersten Matrixbereich verbindbar ist, um den schaltbaren Leistungsbereich des Leistungsschaltmoduls (100) zu erweitern.Power switching module according to at least one of the preceding claims, which has a first matrix region which switches a predetermined first power region and at least one further matrix region, which is connectable to the first matrix region, around the switchable power region of the power switching module ( 100 ) to expand. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, das einen Schaltungsträger, vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte, aufweist, auf dem die einzelnen Relais (110) angeordnet und mittels auf dem Schaltungsträger angebrachter Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden sind.Power switching module according to at least one of the preceding claims, comprising a circuit carrier, preferably a printed circuit board, on which the individual relays ( 110 ) are arranged and electrically connected to each other by means of conductors mounted on the circuit board. Leistungsschaltmodul nach Anspruch 7, wobei die einzelnen Relais (110) jeweils ein separates Gehäuse (120) aufweisen.Power switching module according to claim 7, wherein the individual relays ( 110 ) each have a separate housing ( 120 ) exhibit. Leistungsschaltmodul nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die einzelnen Relais (110) als Bauelemente für die Durchkontaktierungsmontage oder als oberflächenmontierbare Bauelemente ausgeführt sind.Power switching module according to one of claims 7 or 8, wherein the individual relays ( 110 ) are designed as components for the via-mounting or surface-mountable components. Leistungsschaltmodul nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeweils 3 X 3 Relais (110) mit einer Stromtragfähigkeit von 30 A und einer Spannungsfestigkeit von 70 V verschaltet sind, um die Matrix zu bilden.Power switching module according to at least one of the preceding claims, wherein in each case 3 × 3 relays ( 110 ) with a current carrying capacity of 30 A and a dielectric strength of 70 V are connected to form the matrix.
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