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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladevorrichtung zum aktiven Entladen eines Hochvolt-Zwischenkreises in einem Hochvolt-Netz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einer Entladesteuereinrichtung zum Steuern der aktiven Entladung, mit einem Leistungselektronikmodul zum Bereitstellen einer Betriebsspannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs, wobei das Leistungselektronikmodul den zu entladenden Hochvolt-Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator aufweist, und mit einer durch die Entladesteuereinrichtung ansteuerbaren aktiven Entladeschaltung zum Entladen des Hochvolt-Zwischenkreises des Leistungselektronikmoduls, wobei die Entladeschaltung zum aktiven Entladen bei einer Deformation des Fahrzeugs ausgebildet ist, sowie mit einer vom Leistungselektronikmodul verschiedenen Hochvolt-Komponente. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Entladevorrichtung sowie ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Hochvolt-Netzes eines Fahrzeugs.
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Fahrzeuge weisen in vielen Fällen ein Hochvolt(HV)-Netz auf, speziell Elektro- oder Hybridfahrzeuge. In diesem Netz liegt dann z. B. eine Gleichspannung im Bereich von deutlich über 60 Volt (V) an, z. B. eine Spannung von 400 V. Eine Leistungselektronik (LE) zum Steuern zumindest der meisten Funktionen des Netzes ist Teil des Netzes oder mit dem Netz gekoppelt. Mit dem Netz ist auch meist eine HV-Batterie gekoppelt. Meist liegen auch mehrere HV-Zwischenkreise vor. Ein HV-Netz hat Gefährdungspotential, z. B. für Insassen des Fahrzeugs oder andere Verkehrsteilnehmer. Das HV-Netz muss daher abschaltbar sein, und die HV-Batterie muss dabei vom HV-Netz entkoppelbar sein, z. B. bei einem Unfall des Fahrzeugs, was bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen meist gesetzlich gefordert ist. Das HV-Netz kann z. B. mittels einer Abschalteinrichtung abgeschaltet werden. Die HV-Batterie kann dazu über so genannte Batterieschütze entkoppelt werden. Gleichzeitig sollten die HV-Batterie sowie die HV-Zwischenkreise auch entladen werden können, was meist auch gesetzlich gefordert ist, insbesondere unter eine bestimmte Spannung, z. B. kleiner 60 V, und innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, z. B. fünf Sekunden. Die Entladung der HV-Zwischenkreise kann meist über die Leistungselektronik gesteuert werden, wobei die Leistungselektronik einen Zwischenkreiskondensator aufweisen kann. Hierzu ist meist eine Entladeschaltung vorgesehen, welche Teil der Leistungselektronik ist. Die Geschwindigkeit der Entladung kann z. B. über einen Schalter, insbesondere MOSFET, in Verbindung mit einem ohmschen Widerstand geregelt werden. Die Leistungselektronik ist meist angrenzend zu einem Elektromotor des Fahrzeugs angeordnet, insbesondere zu einem das Fahrzeug antreibenden Elektromotor, welcher z. B. an einer Achse oder Radnabe des Fahrzeugs montiert ist. Bei einem Personenkraftwagen ist die Leistungselektronik z. B. im Bugbereich vor einem Federbeindom und hinter einem Frontscheinwerfer montiert. Die Anordnung angrenzend zu einem Elektromotor erfolgt nicht zuletzt aus Gründen elektromagnetischer Verträglichkeit. Dabei kann die Leistungselektronik als eigenständiges Modul ausgeführt sein, also ein Leistungselektronikmodul (LEM). Die Entladung der HV-Batterie kann meist ebenfalls über eine Entladeschaltung erfolgen, sei sie aktiv gesteuert oder als passive Entladeschaltung in Verbindung mit einer separaten Steuerung.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2009 022 167 A1 zeigt ein in einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug vorgesehenes HV-System zum Steuern des Ladezustands von einer Batterie sowie von Verbrauchern, bei welchem zusätzlich zu passiven in den Verbrauchern angeordneten Entladungsschaltungen auch ein HV-Zwischenkreis mit einer zentralen und aktiv ansteuerbaren Entladungsschaltung vorgesehen ist, die zwischen der Batterie und den Verbrauchern angeordnet ist und in einen üblicherweise schon vorhandenen elektrischen Verteiler integriert sein kann, wodurch eine kostengünstigere und zuverlässigere Systemarchitektur bereitgestellt werden kann als wenn mehrere dezentrale aktive Entladungsschaltungen vorgesehen sind, und über den elektrischen Verteiler kann mittels eines darin vorgesehenen DC/DC-Wandlers die Entladung in ein Bordnetz erfolgen.
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JP 2006-224 772 A beschreibt eine Vorrichtung zur Energieversorgung für ein Fahrzeug. Die Vorrichtung weist einen Glättungskondensator auf, der zwischen einer Hochvoltbatterie und einem Inverter parallel geschaltet ist. Die Vorrichtung weist ferner einen Entladeschaltkreis auf, mit dem sich die in dem Kondensator gespeicherte Ladung entladen lässt, wenn der Kondensator mit einem Widerstand in Reihe geschaltet wird. Ein Entladerelais kann bei einem Unfall des Fahrzeuges geschlossen werden, so dass sich der Entladeschaltkreis bilden kann.
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DE 10 2010 045 904 A1 beschreibt eine Energiespeichereinrichtung mit einer Kurzschlusssicherungsschaltung. Die Energiespeichereinrichtung ist mit einem ersten Pol, einem zweiten Pol, einer Sicherung, die an den ersten Pol angeschlossen ist, und einem Schalter, der zwischen dem zweiten Pol und der Sicherung geschaltet ist, vorgesehen. Mittels des Schalters ist der erste Pol mit dem zweiten Pol allein über die Sicherung kurzschließbar. Damit kann die Sicherung mit hohen Strömen schnell und gezielt ausgelöst werden.
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In „Das intelligente Elektrofahrzeug – Opel Ampera und Opel Meriva” von Roland Matthé, Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) in der Elektromobilität, 2011, Seiten 1 bis 38, ist ein Batteriesystem und ein elektrisches Antriebssystem des Opel Ampera beschrieben. Das Batteriesystem weist eine Vielzahl von elektrischen Zellen, eine Batteriesteuerung, eine Batterie-Trenneinheit, ein Spannungs-/Strom-Temperatur-Modul und eine manuelle Trenneinheit und Sicherung auf.
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In
DE 10 2008 061 585 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung eines Elektromotors und ein zugehöriges Verfahren beschrieben. Das Fahrzeug weist dazu eine Batterie, eine Zwischenspeichervorrichtung und einen Umrichter zur Versorgung des Elektromotors auf. Die Zwischenspeichervorrichtung ist zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Umrichter angeordnet. Die Zwischenspeichervorrichtung weist ein Zwischenspeichermodul mit integraler Entladevorrichtung auf, wobei die Entladevorrichtung beim Entladen der Zwischenspeichervorrichtung die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzt.
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JP 2010-096 123 A beschreibt einen elektrischen Kompressor, welcher einen Kompressionsmechanismus zum Komprimieren von Gas und eine Motorsteuerung aufweist.
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DE 689 07 995 T2 beschreibt einen elektrischen kapazitiven Energiespeicher eines kapazitiven Typs, der eine Vielzahl parallelgeschalteter elektrochemischer Kondensatoren und eine Überspannung-Überwachungsschaltung und eine Entladungsschaltung umfasst, um die Kondensatoren in Wärmeabstrahlungshunts zu entladen, sobald eine anormale Überspannung festgestellt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Entladevorrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, die besonders robust ist und dabei eine hohe Funktionssicherheit in Bezug auf ein aktives Entladen eines Hochvolt-Netzes des Fahrzeugs aufweist. In einem zweiten Schritt soll die Entladevorrichtung betriebssicher in einem Fahrzeug angeordnet sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Entladevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der weiteren unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Entladevorrichtung ist die Entladeschaltung außerhalb des Leistungselektronikmoduls angeordnet und in die Hochvolt-Komponente integriert. Mit anderen Worten ist eine räumliche Entkopplung der Entladeschaltung vom Leistungselektronikmodul (LEM) vorgesehen, wobei insbesondere die HV-Komponente, wie z. B. eine HV-Batterie, und die darin angeordnete Entladeschaltung elektrisch parallel mit dem HV-Zwischenkreis des LEMs geschaltet ist.
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Als eine von dem Leistungselektronikmodul unabhängige Entladeschaltung ist dabei eine Entladeschaltung zu verstehen, die separat vom Leistungselektronikmodul vorgesehen werden kann.
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Als eine aktive Entladeschaltung ist dabei im Gegensatz zu einer passiven Entladeschaltung bevorzugt eine Entladeschaltung zu verstehen, welche einen in Reihe zu einem Widerstand geschalteten Schalter aufweist, so dass eine aktive Entladeschaltung bedarfsabhängig in einen Stromkreis geschaltet werden kann.
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Die Hochvolt-Komponente ist z. B. eine HV-Batterie zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung im Bereich über 50 V, insbesondere über 100 V, speziell auch über 200 V, z. B. 400 V.
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Bevorzugt weist die Entladeschaltung mindestens einen ohmschen Widerstand sowie einen elektrischen Schalter, z. B. einen MOSFET, auf. Das Entladen kann über den Widerstand der Entladeschaltung erfolgen. Gemäß einer Variante kann ein Entladen auch in Verbindung mit einem DC/DC-Wandler des Bordnetzes erfolgen.
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Durch die Entkopplung der Entladeschaltung vom Leistungselektronikmodul kann ein Fahrzeug flexibler ausgelegt und leichter in Varianten hergestellt werden. Auch kann eine größere Funktionssicherheit in Bezug auf die Entladung sichergestellt werden, denn es hat sich gezeigt, dass ein Leistungselektronikmodul bei einem Fahrzeugunfall, insbesondere einem Frontalzusammenstoß, sehr hohen Belastungen ausgesetzt sein kann, die durchaus bis in den dreistelligen g-Bereich (mit 1 g als Maßeinheit für die Erdbeschleunigung) ansteigen können.
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Die Entkopplung erfolgt insbesondere im Hinblick auf größere Crash-Sicherheit. Die Entladeschaltung kann durch die räumliche Entkopplung crashsicherer ausgelegt werden als ein LEM. Es hat sich gezeigt, dass Leistungselektronikmodule meist nur für eine geringe Beschleunigungsbelastung im einstelligen g-Bereich ausgelegt sind und in Fahrzeugen an Positionen angeordnet sein müssen, die bei Unfällen stark beansprucht werden. Für diese Fahrzeugbereiche und auch für das Leistungselektronikmodul selbst oder die Lagerung des LEMs kann eine Deformationswahrscheinlichkeit definiert werden, über welche eingeschätzt werden kann, wie stark das Leistungselektronikmodul bei einem Unfall beansprucht wird. Als Deformationswahrscheinlichkeit ist dabei bevorzugt die Wahrscheinlichkeit aufzufassen, mit welcher eine HV-Komponente oder ein Leistungselektronikmodul allgemein über einen definierten Maximalwert beansprucht, insbesondere verformt wird, wenn ein Fahrzeug, in welchem sie oder es angeordnet ist, einen bestimmten Unfall hat.
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Bevorzugt weist die Hochvolt-Komponente durch ihre Konstruktion und/oder ihre Anordnung im Fahrzeug eine Deformationswahrscheinlichkeit auf, die kleiner ist als eine Deformationswahrscheinlichkeit des Leistungselektronikmoduls. Die vorliegende Erfindung beruht somit auch auf dem Konzept, dass die Entladeschaltung in einer HV-Komponente vorgesehen wird oder zumindest an diese HV-Komponente gekoppelt wird, welche im Fall eines Unfalls des Fahrzeugs resistenter ist und/oder weniger stark beansprucht wird als das LEM. Eine niedrige Deformationswahrscheinlichkeit kann dabei auch gleichbedeutend mit einer hohen Resistenz gegen Stöße oder Beschleunigungsspitzen sein. Die Deformationswahrscheinlichkeit kann z. B. durch das Verkapseln der Entladeschaltung innerhalb eines besonders robusten Gehäuses erfolgen, z. B. innerhalb eines Batteriegehäuses. Zudem kann durch die Entkopplung von dem Leistungselektronikmodul eine weniger eingeschränkte Auswahl für die optimale Anordnungsposition getroffen werden, also z. B. in einem Bereich des Fahrzeugs, für welchen sich bereits ohne irgendwelche zusätzlichen Maßnahmen gezeigt hat, dass dort geringere Deformationen und/oder Beschleunigungen zu erwarten sind.
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Je geringer die Deformationswahrscheinlichkeit, desto höher ist eine Robustheit gegenüber Deformation oder einer sonstigen ein sicheres Entladen gefährdenden Belastung, also eine Deformationsresistenz. Mit anderen Worten ist die Entladeschaltung bevorzugt in einer HV-Komponente vorgesehen, welche eine höhere Deformationsresistenz aufweist als das Leistungselektronikmodul, und damit crashsicherer ist. Bevorzugt ist die Hochvolt-Komponente so ausgelegt und/oder angeordnet, dass sie eine Deformationswahrscheinlichkeit unter 5 Prozent aufweist, bevorzugt unter 1 Prozent, besonders bevorzugt unter 0,1 Prozent.
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Bevorzugt ist die von dem Leistungselektronikmodul abweichende HV-Komponente örtlich beabstandet von dem Leistungselektronikmodul vorgesehen und weiter bevorzugt auch in einem eigenen Gehäuse oder zumindest einer von einer Aufnahmevorrichtung für das Leistungselektronikmodul verschiedenen Gehäuseeinrichtung vorgesehen. Durch die örtliche Trennung kann eine kleinere Deformationswahrscheinlichkeit auf unabhängigere Weise realisiert werden, sei es durch den Aufbau der Gehäuseeinrichtung, durch eine spezielle Verankerung im Fahrzeug und/oder durch eine Anordnung an spezifischen Positionen des Fahrzeugs. Der getrennte, modulare Aufbau schafft zudem auch weitere Freiheitsgrade bei der konstruktiven Auslegung des Gesamtsystems.
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Bevorzugt weist die Entladevorrichtung auch eine Schalteinrichtung zum Abschalten des Hochvolt-Netzes auf. Ein Entladen kann jedoch grundsätzlich unabhängig davon erfolgen, welcher Teil oder ob überhaupt zumindest ein Teil des HV-Netzes abgeschaltet ist. Ein vorhergehendes Abschalten ist jedoch in vielen Fällen zweckdienlich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Leistungselektronikmodul frei von einer Entladeschaltung, insbesondere auch frei von einer passiven Entladeschaltung. Bevorzugt ist die Entladeschaltung als gemeinsame Entladeschaltung zur Entladung sowohl des Leistungselektronikmoduls als auch der Hochvolt-Komponente ausgebildet. Hierdurch kann eine sichere Entladung sowohl des Leistungselektronikmodul als auch der HV-Komponente erfolgen, und die Entladevorrichtung kann kostengünstig implementiert werden. Es erübrigt sich z. B. der Einsatz einer weiteren Entladeschaltung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Entladeschaltung dazu ausgebildet, das Leistungselektronikmodul sowie die Hochvolt-Komponente gleichzeitig zu entladen, insbesondere einen oder mehrere Hochvolt-Zwischenkreise der Hochvolt-Komponente einerseits und den Hochvolt-Zwischenkreis des Leistungselektronikmoduls andererseits. Dazu kann die Entladeschaltung zentral derart in Bezug auf das Leistungselektronikmodul und die mindestens eine Hochvolt-Komponente verschaltet sein, dass ein paralleles Entladen der mindestens zwei Hochvolt-Zwischenkreise erfolgt. Bevorzugt ist die Entladeschaltung elektrisch parallel mit der Hochvolt-Komponente und dem Leistungselektronikmodul verschaltet. Die Hochvolt-Komponente kann direkt parallel zum Hochvolt-Zwischenkreis des Leistungselektronikmoduls verschaltet sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Hochvolt-Komponente eine Hochvolt-Batterie. Hierdurch kann eine sichere Struktur, in welcher eine Hochvolt-Batterie vorgesehen sein kann, unmittelbar auch für die Entladeschaltung genutzt werden, was eine kostengünstige und vor allem bei einem Unfall weiterhin sichere Realisierung und Anordnung ermöglicht. Durch die Integration in eine HV-Batterie kann in vielen Fällen von einer bereits geschützten Struktur profitiert werden. Die Batteriezellen z. B. können besonders geschützt angeordnet sein und auch im Fall eines Unfalls ist konstruktiv auszuschließen, dass Batteriezellen deformiert werden. Durch die Integration in eine HV-Batterie können somit Synergieeffekte in Bezug auf eine crashsichere Auslegung genutzt werden. Bevorzugt ist die Entladeschaltung in Kommunikation mit einem Batterie-Management-System der Batterie, welches Zustandsgrößen der Batterie kontrolliert. Synergieeffekte können sich dann auch in Bezug auf eine Signalverarbeitung in einem Batterie-Management-System ergeben, welches Abschaltsignale verarbeitet und auch die Ansteuerung einer Entladeschaltung bewerkstelligen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Entladeschaltung derart in die Hochvolt-Batterie integriert, dass eine Abschalteinrichtung zum Abschalten der Hochvolt-Batterie zwischen der Entladeschaltung einerseits und Batteriezellen der Hochvolt-Batterie andererseits angeordnet ist. Dabei kann eine Anordnung der Entladeschaltung nach einer Abschalteinrichtung bevorzugt als Anordnung hinter der Abschalteinrichtung aus Sicht der Lage eines HV-Zwischenspeichers der HV-Batterie aufgefasst werden. Somit kann das Leistungselektronikmodul auch dann entladen werden, wenn die HV-Batterie abgeschaltet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Hochvolt-Komponente eine Heizkomponente, welche einen Hochvolt-Heizwiderstand aufweist. Dabei kann sie z. B. in einem Wasserkasten des Fahrzeugs angeordnet sein, was eine gute Sicherheit in Bezug auf eine Deformation sicherstellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Entladesteuereinrichtung dazu ausgebildet, das aktive Entladen über den Hochvolt-Heizwiderstand bzw. Hochvolt-Zuheizwiderstand zu steuern. Hierdurch können Kosteneinsparpotentiale aufgedeckt werden, insbesondere indem ein bereits vorhandener Widerstand verwendet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Hochvolt-Komponente ein Hochvolt-Klimakompressor oder ein Hochvolt-Ladegerät. Durch die Anordnung in einem Hochvolt-Klimakompressor oder einem Hochvolt-Ladegerät können Synergieeffekte im Hinblick auf eine bessere Funktionssicherheit genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht die Entladeschaltung mit einem Vorladewiderstand in elektrischer Verbindung und ist dazu ausgebildet, den Hochvolt-Zwischenkreis des Leistungselektronikmoduls über den Vorladewiderstand zu entladen. Bevorzugt ist die Entladeschaltung in Verbindung mit dem Vorladewiderstand dazu ausgebildet, auch die Hochvolt-Komponente zu entladen. Hierdurch können Kosteneinsparpotentiale aufgedeckt werden, insbesondere indem ein bereits vorhandener Widerstand verwendet wird.
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Bevorzugt steht die Entladesteuereinrichtung in Verbindung mit einem Sensor, welcher dazu ausgebildet ist, eine Deformation und/oder eine Beschleunigung zu messen, wobei der Sensor in der Hochvolt-Komponente oder angrenzend an die Hochvolt-Komponente angeordnet sein kann, und dazu ausgebildet ist, an der Position der Hochvolt-Komponente Messdaten zu erfassen.
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Die voranstehende Aufgabe wird auch durch ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Entladevorrichtung und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst, nämlich insbesondere durch ein Fahrzeug mit einem Hochvolt-Netz und einer als Hochvolt-Batterie ausgebildeten Hochvolt-Komponente, wobei die Hochvolt-Komponente mit der Entladeschaltung der Entladevorrichtung zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse des Fahrzeugs angeordnet ist.
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Bevorzugt ist die Hochvolt-Komponente mit der Entladeschaltung in einem hantelförmigen Bereich geringer Deformationswahrscheinlichkeit an dem Fahrzeug angeordnet, gemäß der Erfindung in einem Kernbereich, besonders bevorzugt in einem ersten sich deutlich hinter einer Vorderachse des Fahrzeugs erstreckenden Kernbereich. Gemäß der Erfindung ist die Entladeschaltung in einem einen Teil einer Hinterachse des Fahrzeugs überlappenden Kernbereich vorgesehen. Der Kernbereich kann dabei durch eine Deformationswahrscheinlichkeit definiert werden und weist dann eine Deformationswahrscheinlichkeit unter 5 Prozent auf, bevorzugt unter 1 Prozent, besonders bevorzugt unter 0,1 Prozent, und gemäß der Erfindung eine Deformationswahrscheinlichkeit unter 0,02%. Der Bereich geringer Deformationswahrscheinlichkeit kann mit dem Begriff Hantelform beschrieben werden, weil eine Hantel üblicherweise einen schmalen mittleren Bereich aufweist und an den Enden jeweils Verdickungen gegenüber dem schmalen mittleren Bereich. Es hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen ein hantelförmigen Bereich in der Mitte des Fahrzeugs ein Bereich besonders geringer Deformationswahrscheinlichkeit ist.
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Bevorzugt sind zu entladende HV-Zwischenkreise der Entladevorrichtung über eine bruchsichere HV-Verbindung derart aneinander gekoppelt, dass im Fall eines Unfalls des Fahrzeugs eine Unterbrechung der HV-Verbindung durch Ausreißen von Kabeln oder Unterbrechen von Kontakten ausgeschlossen werden kann. Die HV-Verbindung kann neben einem leitenden Kabel z. B. mit einem Stahlseil oder einer starren zugfesten Brücke ausgeführt sein, welche HV-Zwischenkreise in einem bestimmten maximalen Abstand zueinander sichert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Entladeschaltung im Bereich einer Mittenlängsachse M des Fahrzeugs angeordnet. Für diesen Bereich kann eine noch größere Funktionssicherheit zugesagt werden als wenn eine Anordnung in einem größeren Abstand zu dieser Achse erfolgt.
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Es ist möglich, dass ein Verfahren zum aktiven Entladen eines Hochvolt-Netzes eines Fahrzeugs die folgenden Schritte aufweist:
- – Bereitstellen einer Betriebsspannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs durch ein Leistungselektronikmodul;
- – Steuern der aktiven Entladung durch eine Entladesteuereinrichtung durch Ansteuern einer aktiven Entladeschaltung zum Entladen eines Hochvolt-Zwischenkreises des Leistungselektronikmoduls durch die Entladesteuereinrichtung, wobei das Ansteuern ein Betätigen eines Schalters der Entladeschaltung umfasst;
- – Entladen des Hochvolt-Zwischenkreises des Leistungselektronikmoduls über einen Widerstand der Entladeschaltung, wobei die Entladeschaltung außerhalb des Leistungselektronikmoduls angeordnet ist und ein Entladestrom über eine Leitung außerhalb des Leistungselektronikmoduls geführt wird.
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Das Verfahren kann dabei auch die folgenden Schritte aufweisen:
- – Empfangen eines Signals eines Sensors mittels der Entladesteuereinrichtung;
- – Auswerten des Signals in der Entladesteuereinrichtung;
- – Abschalten des Hochvolt-Netzes des Fahrzeugs in Abhängigkeit des Signals; und
- – paralleles Entladen der Hochvolt-Zwischenkreise über einen Widerstand, insbesondere einen Widerstand der Entladeschaltung.
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Das Signal des Sensors kann z. B. über eine Zündleitung eines Airbagsteuergerätes oder über einen CAN-Bus an die Entladesteuereinrichtung gesendet werden.
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Durch dieses Verfahren kann sichergestellt werden, dass ein Entladen auf funktionssichere Weise und ohne großen Aufwand für eine Implementierung erfolgen kann.
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Gemäß einer Variante kann, je nach Verschaltung der einzelnen HV-Komponenten, auch ein Betätigen eines Schalters des HV-Zwischenkreises des Leistungselektronikmoduls der Entladevorrichtung und eines Schalters des HV-Zwischenkreises der HV-Komponente der Entladevorrichtung durch die Entladesteuereinrichtung erfolgen oder als notwendige Maßnahme eingerichtet sein, bevor ein Entladen der HV-Zwischenkreise erfolgen kann.
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Die mit Bezug zu der erfindungsgemäßen Entladevorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das beanspruchte Fahrzeug.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, wobei gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Wenn nicht explizit in einer bestimmten Figur erläutert, so betreffen einzelne Bezugszeichen die jeweils entsprechenden bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Figuren erläuterten Elemente. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Komponenten einer Entladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in welches eine Entladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung integriert ist;
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3 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Komponenten einer Entladevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes Fahrzeug, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Berechnung von Deformationswahrscheinlichkeiten für das Fahrzeug selbst oder darin angeordnete Komponenten vorgenommen wurde, wobei schematisch die Deformationswahrscheinlichkeiten in Bezug auf Ortskoordinaten in einer x-y-Ebene in Prozent angegeben sind, um vorteilhafte Positionen zur Anordnung einer Entladeschaltung darzustellen;
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5 eine schematische Darstellung einer Entladevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Entladeschaltung der Entladevorrichtung in ein HV-Batteriesystem eines Fahrzeugs integriert ist;
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6 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Komponenten einer Entladevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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7 eine Skizze zur Erläuterung des grundsätzlichen Konzepts der vorliegenden Erfindung anhand eines HV-Netzes.
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In 1 ist eine Entladevorrichtung 100 mit einer Schalteinrichtung 110 zum Abschalten eines HV-Netzes 10 sowie einer Entladesteuereinrichtung 120 zum Steuern einer aktiven Entladung gezeigt, wobei die Entladesteuereinrichtung 120 an ein Leistungselektronikmodul 130 und eine Entladeschaltung 140 gekoppelt ist. Ferner ist separat vom Leistungselektronikmodul 130 eine HV-Komponente 150 vorgesehen, z. B. eine in einem Gehäuse angeordnete HV-Batterie. Die Entladesteuereinrichtung 120 steht in Verbindung mit einem Sensor 160, welcher dazu ausgebildet ist, eine auf die HV-Komponente wirkende Deformationskraft oder Beschleunigung zu messen, und bei Überschreiten eines Maximalwertes die Entladesteuereinrichtung 120 zu veranlassen, die Entladeschaltung 140 zu aktivieren zum Entladen der HV-Komponente 150 sowie des Leistungselektronikmoduls 130. In der HV-Komponente 150 und dem Leistungselektronikmodul 130 ist jeweils mindestens ein HV-Zwischenkreis 131, 151 vorgesehen, die über die Entladeschaltung 140 zu entladen sind. Die HV-Zwischenkreise 131, 151 sind über eine HV-Verbindung 170, z. B. ein oder mehrere HV-Kabel, miteinander verbunden, wobei die HV-Verbindung 170 so ausgeführt ist, dass im Fall eines Unfalls des Fahrzeugs eine Unterbrechung der HV-Verbindung 170 durch Ausreißen von Kabeln oder Unterbrechen von Kontakten ausgeschlossen werden kann. Dies kann z. B. durch eine Armierung erfolgen, um welche die HV-Verbindung 170 gelegt ist oder welche die die beiden HV-Zwischenkreise 131, 151 in einem bestimmten maximalen Abstand zueinander sichert.
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In 2 ist ein Fahrzeug 200 gezeigt, in welches eine Entladevorrichtung 100 eingebaut ist, bei welcher ein Leistungselektronikmodul 130 im Bugbereich des Fahrzeugs 200 vorgesehen ist. Eine weitere HV-Komponente 150, nämlich eine Fahrzeug-Batterie, ist deutlich weiter hinten im Fahrzeug 200 angeordnet und weist eine Entladeschaltung 140 auf oder ist mit dieser gekoppelt, wobei die Entladeschaltung 140 auch mit dem Leistungselektronikmodul 130 gekoppelt ist.
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In 3 ist gezeigt, dass die Entladevorrichtung 100 auch eine weitere HV-Komponente 150a aufweisen kann, welche optional ebenfalls über die Entladeschaltung 140 entladen werden kann. Die Entladeschaltung 140 weist einen ohmschen Widerstand 142 sowie einen Schalter 141 auf. In dem Leistungselektronikmodul 130 ist ein HV-Zwischenkreiskondensator 131.1 vorgesehen.
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In 4 sind in einer Draufsicht auf ein Fahrzeug 200 exemplarisch für einen bestimmten Fahrzeugtyp Bereiche des Fahrzeugs 200 mit voneinander abweichender Deformationswahrscheinlichkeit P hervorgehoben, wobei sich das Fahrzeug 200 längs einer Mittenlängsachse M erstreckt und eine Vorderachse 201 und eine Hinterachse 202 aufweist. Das Fahrzeug ist in einer x-y-Ebene eines vor dem Bug des Fahrzeugs 200 dargestellten Koordinatensystems angeordnet und die Blickrichtung eines Betrachters ist in z-Richtung dieses Koordinatensystems, so dass sich eine zumindest annähernd rechteckige Fahrzeuggrundfläche ergibt. Die Deformationswahrscheinlichkeit P schwankt je nach x-y-Koordinate von 0 bis über 50%, wobei sie in einem großen Bereich der Fahrzeugfläche unter 10 oder zumindest 30% liegt. Es hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass die Deformationswahrscheinlichkeit P in einem hantelförmigen Bereich B, also in einem Bereich B ähnlich der Form eines Oberarmknochens, sehr gering ist, insbesondere unter 1%, wobei dieser Bereich zwecks besserem Verständnis schraffiert dargestellt ist, wie in der Legende angedeutet. Ferner hat sich gezeigt, dass innerhalb des Bereichs B unabhängig voneinander und gegeneinander abgegrenzt zwei Kernbereiche B1, B2 entsprechend den Enden des Bereichs B vorliegen, in welchen die Deformationswahrscheinlichkeit P sogar bei 0% oder zumindest kleiner 0,02 oder 0,05% ist. Der erste Kernbereich B1 liegt deutlich hinter der Vorderachse 201 und erstreckt sich entlang der Mittenlängsachse M, und der zweite Kernbereich B2 umgrenzt einen Teil der Hinterachse 202 und erstreckt sich ebenfalls entlang der Mittenlängsachse M und ist etwas größer ausgebildet als der erste Bereich B1. Eine Anordnung einer Entladeschaltung 140 in einem dieser Bereiche B1, B2 ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Funktionssicherheit. Schematisch dargestellt sind ein im Bug hinter einem Frontscheinwerfer angeordnetes Leistungselektronikmodul 130 sowie die im zweiten Bereich B2 angeordnete Entladeschaltung 140.
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In der 5 ist ein HV-Batteriesystem 300 gezeigt, welches eine in einem Batteriegehäuse angeordnete HV-Batterie als HV-Komponente 150 mit einem HV-Zwischenkreis 151 und einem mit dem HV-Zwischenkreis 151 gekoppelten Batterie-Management-System (BMS) 151.1 aufweist, und eine Entladeschaltung 140 zum aktiven Entladen eines bzw. mehrerer HV-Zwischenspeicher 151.7a, 151.7b ist in der HV-Komponente 150 vorgesehen. Die Entladeschaltung 140 weist einen Widerstand 142 und einen Schalter 143 auf. Das BMS 151.1 ist über zwei Schalter 151.4, 151.5 in Verbindung mit einer Schaltspule 151.6 (Relay) mit der Entladeschaltung 140 gekoppelt, so dass bei einer Geschlossenstellung der Schalter 143, 151.4, 151.5 eine Entladung des HV-Zwischenkreises 151 bzw. der HV-Zwischenspeicher 151.7a, 151.7b über den Widerstand 142 erfolgen kann. Die Entladeschaltung 140 ist nach den beiden Schaltern 151.4, 151.5 vorgesehen, also nach einer Schalteinrichtung der Batterie innerhalb der Batterie oder des Batteriesystems. Dabei benötigt das Batterie-Management-System (BMS) 151.1 lediglich einen zusätzlichen Steuerausgang, um die Entladeschaltung 140 anzusteuern, so dass sich ein sehr einfacher und kostengünstig realisierbarer Aufbau ergibt. Bei dem bzw. den HV-Zwischenspeichern 151.7a, 151.7b handelt es sich in diesem Beispiel um Bestandteiler einer HV-Batterie mit negativer und positiver Polung, wobei die einzelnen Batteriezellen zu Modulen zusammengefasst sind, wie in 5 angedeutet. Die HV-Komponente 150 ist über Ein-/Ausgänge 151.2, 151.3 in Verbindung mit einem HV-Netz 10, in welchem auch eine Entladesteuereinrichtung 120 vorgesehen ist, die in Verbindung mit einem Sensor 160 zur Erfassung einer Deformation und/oder Beschleunigung ist. Die Entladeschaltung 140 ist mit einem Leistungselektronikmodul 130 gekoppelt, in welchem ebenfalls ein zu entladender HV-Zwischenkreis vorgesehen ist.
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In der 6 ist eine Entladeschaltung 140 mit einem Vorladewiderstand 142a gezeigt. Ein solcher Vorladewiderstand 142a kann z. B. für die Vorladung von Zwischenkreisen oder auch das Laden einer HV-Batterie genutzt werden. Der Vorladewiderstand 142a kann gemäß einer Variante ebenfalls als Widerstand zum Vernichten von elektrischer Energie aus dem HV-Netz herangezogen werden. Hierzu ist der Vorladewiderstand 142a mit der Entladeschaltung 140 sowie dem Leistungselektronikmodul 130 gekoppelt.
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In der 7 ist stark vereinfach ein HV-Netz 10 gezeigt, welches ein Leistungselektronikmodul 130 und eine Synchronmaschine 11, nämlich den Elektromotor eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs aufweist. Das Leistungselektronikmodul 130 weist auch einen HV-Zwischenkreiskondensator 131.1 auf. In dem Leistungselektronikmodul 130 ist standardgemäß eine Entladeschaltung 140 mit einem ohmschen Widerstand 142 und einem Schalter 143 vorgesehen, die hier gestrichelt umrandet ist, um hervorzuheben, dass dieses Konzept im Rahmen der vorliegenden Erfindung aufgegeben werden konnte. Die Entladeschaltung 140 kann von dem Leistungselektronikmodul 130 entkoppelt werden und einer anderen HV-Komponente 150, 150a zugeordnet werden, wie durch die beiden auf die HV-Komponenten 150, 150a weisenden Pfeile angedeutet.
