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Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyrotechnischen Schalter für ein Kraftfahrzeug-Batteriesystem und eine Batterie mit einem pyrotechnischen Schalter sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines pyrotechnischen Schalters, das eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Schaltzeiten ermöglicht.
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Stand der Technik
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In PKW-Lithium-Ionen-Batterien werden zum Trennen von hohen Strömen Schmelzsicherungen und Schütze verwendet. Bei einem Kurzschluss mit sehr hohen Strömen löst die Sicherung nach einigen Millisekunden aus, jedoch dürfen die Schütze diesen sehr hohen Strom nicht trennen, weil durch einen Lichtbogen im Schütz die interne Kammer zerstört werden würde.
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Somit fließt ein hoher, aber nicht sehr hoher Kurzschluss-Strom so lange, bis die Sicherung als passives Bauelement genügend Wärme entwickelt hat, dass im Inneren das Schmelzelement schmilzt und dadurch der Strom getrennt wird. Bei niedrigen Strömen (einige hundert Ampere) benötigt die Sicherung viel Zeit, um genügend Schmelz-Wärme zu entwickeln, und trennt somit den Strom nicht innerhalb einer akzeptablen Zeit. In diesem Fall sind die Schütze nötig, um den Strom so zeitnah wie möglich zu trennen.
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Eine Strommessung erfolgt in vielen Hochvolt-Speichersystemen bis lediglich etwa 300 bis 800 Ampere, so dass oberhalb dieser Werte keine Information über den aktuell fließenden (Kurzschluss-)Strom vorhanden ist. Wenn also der maximale Kurzschluss-Strom anliegt und die Relais geöffnet werden, bevor die Sicherung ausgelöst hat, werden somit die Relais zerstört und die Batterie kann nicht mehr allpolig getrennt werden.
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Bei 12 Volt Systemen werden pyrotechnische Sicherungen eingesetzt, die bei einem Unfall über das Airbagsteuergerät aktiviert werden. Intern befindet sich in der Sicherung ein Treibsatz, der explodiert, sobald ein bestimmter Strom durch die Ansteuerleitungen der Sicherung fließt.
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Durch die Explosion wird die Stromschiene in der Sicherung getrennt und der Strom wird dann unterbrochen. Da jedoch bisher eine externe Aktivierung des Sprengkörpers erforderlich ist, kann gerade bei Ausfall der aktiven Ansteuerungs-Elektronik keine Trennung mehr erfolgen, was nicht der Fall wäre, wenn ausschließlich passive elektrische Bauelemente zum Einsatz kämen, die pyrotechnische Sicherung auszulösen.
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Als Alternative zur Sicherung hat der pyrotechnische Schalter den Vorteil, dass er nicht altert oder versehentlich auslöst. Der Nachteil ist, dass der Schalter separat angesteuert werden muss und nicht autonom schaltet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein pyrotechnischer Schalter für ein Kraftfahrzeug-Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welcher einen ersten elektrischen Anschluss zum Kontaktieren mit einer Stromquelle, vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie; einen zweiten elektrischen Anschluss zum Kontaktieren eines elektrischen Verbrauchers, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugantrieb; einen dritten elektrischen Anschluss zur Versorgung einer elektronischen Schaltung mit einer ersten Referenzspannung, vorzugsweise Masse; einen Schaltstrompfad, welcher den ersten elektrischen Anschluss mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbindet und ausgebildet ist, einen zu schaltenden, vorzugsweise den Antrieb des Kraftfahrzeugs versorgenden, Versorgungsstrom zu führen; einen Shunt, welcher seriell in den Schaltstrompfad eingebunden ist; ein elektrisch leitendes Schaltelement, vorzugsweise Schütz, welches seriell in den Schaltstrompfad eingebunden und ausgebildet ist, den Schaltstrompfad elektrisch zu trennen; und einen elektrisch aktivierbaren pyrotechnischen Zünder, welcher ausgebildet ist, das Schaltelement zum Trennen des Schaltstrompfades zu aktivieren, aufweist, wobei ein Steuerausgang der elektronischen Schaltung mit dem Zünder und ein Steuereingang der elektronischen Schaltung mit dem Shunt verbunden ist.
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Vorteil ist im Fehlerfall eine schnelle Trennung des Versorgungsstroms bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit bezüglich Fehlauslösungen, da die elektronische Schaltung zeitinvariant arbeitet und somit genau auf Anforderungen bezüglich einer Verwendung dimensioniert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des pyrotechnischen Schalters ist der Steuereingang der elektronischen Schaltung kapazitiv mit dem Shunt verbunden.
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Ein daraus resultierender Vorteil ist das Trennen eines Gleichspannungsanteils vom Wechselanteil einer Versorgungsspannung, weil dadurch insbesondere im Fehlerfall relevante kleine elektrische Werte genauer und preiswerter elektronisch erfasst werden können.
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Bevorzugterweise umfasst die elektronische Schaltung des pyrotechnischen Schalters einen Operationsverstärker.
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Ein Vorteil ist die Möglichkeit, ein Differenzsignal auszuwerten ungeachtet einer gegebenenfalls gleich gesinnten Offsetspannung.
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Auch ist als weitere Variante des pyrotechnischen Schalters bevorzugt, dass ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers kapazitiv mit einem ersten Pol des Shunts und ein nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers kapazitiv mit einem zweiten Pol des Shunts verbunden ist.
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Diese Variante bringt den Vorteil mit, dass kleine, differentielle, elektrische Größen als Differenz verarbeitet werden können, welche der Entstehung nach ebenfalls eine Differenz, eine Potentialdifferenz, sind.
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Auch ist es bevorzugt, dass mindestens ein Ladungsspeicher mit mindestens einem Spannungsteiler verbunden ist, um eine mindestens zweite Referenzspannung zu erzeugen.
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Vorteilhaft daran ist, dass die Stabilität der Referenzspannung auch dann gewährleistet werden kann, wenn im Fehlerfall die Spannung einer zentralen Spannungsversorgung, vorzugsweise die Versorgung des Fahrzeugantriebs, einbricht.
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In einer besonders bevorzugten Variante ist der Steuereingang der elektronischen Schaltung mit der zweiten Referenzspannung verbunden.
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Ein dadurch erreichter Vorteil ist die Möglichkeit, durch geeignete Auslegung der Referenzspannung ein optimales Schaltverhalten zu erzielen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig mit der zweiten Referenzspannung und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig mit einer dritten Referenzspannung verbunden.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist die Möglichkeit, jeden Eingang des Operationsverstärkers gleichspannungsmäßig derart vorzuspannen, dass im Normalfall der Zünder nicht aktiviert wird, sondern der Zünder erst bei einer Stärke des entgegen der Vorspannung gerichteten differentiellen Anteils, welcher mindestens so groß ist wie der entgegen gespannte Gleichanteil, auslöst. Dies schafft Präzision und Sicherheit, insbesondere gegenüber harmlosen Schwankungen im Wirkbereich der Stromversorgung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elektronische Schaltung, der Zünder und der oder ein weiterer Ladungsspeicher, welcher mit einem Eingang zur Versorgung mit Betriebsenergie der elektronischen Schaltung verbunden ist, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse vorzugsweise ein Volumen kleiner als 100 Liter, bevorzugt kleiner als 50 Liter, noch bevorzugter kleiner als 20 Liter, weiterhin bevorzugt kleiner als 10 Liter, ebenfalls bevorzugt kleiner als 5 Liter, ebenfalls weiterhin bevorzugt kleiner als 2 Liter, insbesondere bevorzugt kleiner als 1 Liter und besonders bevorzugt kleiner als einen halben Liter aufweist.
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Vorteilhaft dabei ist ebenfalls die erlangte Sicherheit, weil zusammengehörige Komponenten somit dicht gepackt und/oder vorzugsweise vergossen werden können, um im Schadensfall eine funktionierende Einheit zu bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Batterie mit einem pyrotechnischen Schalter nach mindestens einer der vorgenannten Varianten offenbart, wobei die Batterie mit dem Schaltstrompfad elektrisch verbunden ist.
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Als Vorteil erweist sich die dadurch erzielte Sicherheit beim Einsatz der erfindungsgemäßen Batterie, da der Mechanismus zum Abschalten der Spannung hierbei vorzugsweise in der Batterie integriert ist.
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Gemäß eines zusätzlichen Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines pyrotechnischen Schalters, der eine elektronische Schaltung, einen Zünder und ein elektrisch leitendes Schaltelement aufweist, offenbart mit den Schritten Ansteuern mindestens eines Steuereinganges der elektronischen Schaltung mit einer elektrischen Ist-Größe, die mit einem zu schaltenden Versorgungsstrom korrespondiert; Vergleichen der Ist-Größe mit einem vorgebbaren Grenzwert durch die elektronische Schaltung; Aktivieren des Zünders durch einen Steuerausgang der elektronischen Schaltung, sofern die Ist-Größe den Grenzwert überschreitet; Aktivieren des elektrisch leitenden Schaltelements durch den aktivierten Zünder, so dass der Versorgungsstrom getrennt wird, wobei die elektronische Schaltung mit einem Ladungsspeicher gepuffert wird.
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Als resultierender Vorteil ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, zeitnah und unabhängig von einer gegebenenfalls in Mitleidenschaft gezogenen Versorgungsspannung, vorzugsweise die Versorgung eines Kraftfahrzeugantriebs, gefährliche Ströme und/oder Spannungen sicher trennen zu können.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines pyrotechnischen Schalters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung eines pyrotechnischen Schalters gemäß einer zweiten, noch bevorzugteren Ausführungsvariante der Erfindung, und
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3 eine schematische Darstellung eines pyrotechnischen Schalters gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante. Das Schaltbild zeigt eine Batterie 190, bestehend aus Batteriezellen 180, deren Minuspol mit Masse GND und deren Pluspol mit einem Anschluss 160 zu einem erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalter verbunden sind.
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Alle Elemente im Bereich 170 sind Teil des erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalters. Außerhalb des Bereiches 170 befindet sich zusätzlich zur Batterie 190 ein Verbraucher M als vorzugsweise Fahrzeugantrieb, dessen erster Pol mittels des elektrischen Anschlusses 100 an den erfindungsgemäßen pyrotechnischen Schalter angeschlossen ist und dessen zweiter Pol vorzugsweise mit Masse GND verbunden ist.
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Ein Schaltstrompfad 150 verläuft elektrisch vom Anschluss 160 an die Batterie 190 bis zum Anschluss 100 an den Verbraucher M, wobei der Schaltstrompfad 150 einen zu schaltenden Versorgungsstrom i führt, welcher vorzugsweise in technischer Stromrichtung, von Plus nach Minus, also in Richtung 100, fließt. Der Weg des Schaltstrompfades 150 führt elektrisch über einen niederohmigen, leistungsstarken Messwiderstand, Shunt R5, und über ein Schaltschütz 120, welches durch einen elektrisch sensitiven Zünder P, 130 zum Ausschalten und somit zum Trennen des Versorgungsstroms i bewegt wird.
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Ein im Bereich 170 eingeschlossener Bereich 140 umfasst eine pyrotechnische Sicherung mit dem elektrisch sensitiven Zünder P, 130 und dem Schaltschütz 120, welches durch den elektrisch sensitiven Zünder P, 130 zum Auslösen aktiviert werden kann.
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Ein Widerstand R6, welcher vorzugsweise auch eine induktive Komponente besitzt, dient in Zusammenwirkung mit einem Ladungsspeicher, vorzugsweise Kondensator C1, einer Filterung und Pufferung einer Speisung zur betriebsnotwendigen Versorgung eines Operationsverstärkers OP, einer Speisung eines ersten Spannungsteilers GND, R1, K1, R2, K2 und einer Speisung eines zweiten Spannungsteilers GND, R3, K3, R4, K2. Zum einen lässt sich durch R6 oder Ausgestaltungen von R6 durch Halbleiter, Induktivität oder deren Kombination die Höhe einer Versorgungsspannung, welche über C1 anliegt, festlegen. Zum anderen schützt R6 durch seinen gegenüber dem Shunt R5 um ein Vielfaches größeren elektrischen Widerstand vor einem Entladen des Kondensators C1 und Abfallen dessen Spannung auf unterhalb einer Spannungsgrenze, welche zur betriebsgemäßen Versorgung des Operationsverstärkers OP nötig ist, wobei dieser Schutz mindestens innerhalb einer Zeit besteht, welche benötigt wird, um den Zünder P, 130 zu aktivieren und das Schaltschütz 120 zum Ausschalten und somit Trennen des Versorgungsstroms i zu bewegen. Eine kapazitive Pufferung C1 der Versorgung der den Zünder P, 130 ansteuernden Schaltung OP ist deshalb von Bedeutung, da im Fehlerfall zwar der Versorgungsstrom i übermäßig stark werden kann, jedoch gerade deshalb eine externe Versorgungsspannung durch vorzugsweise die angeschlossene Batterie 190 zusammenbrechen kann und bei Fehlen einer Pufferung C1 mangels Stromversorgung keine Abschaltung durch den Schütz 120 mehr möglich wäre.
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Der Widerstand R6 ist durch den Knoten K5 mit dem Schaltstrompfad 150 und durch den Knoten K2 mit einem Plus-Pol des Kondensators C1 verbunden. Ein Minus-Pol des Kondensators C1 ist mit Masse GND verbunden. Der positive Betriebsspannungsanschluss des Operationsverstärkers OP ist mit dem Knoten K2 verbunden, der negative Betriebsspannungsanschluss des Operationsverstärkers OP ist mit Masse GND verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist mit einem Knoten K1 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist mit einem Knoten K3 verbunden. Ein Kondensator C2, welcher nur einen Wechselanteil durchlässt, ist mit einem zum Anschluss 160 gerichteten Pol des Shunts R5 durch den Knoten K4 verbunden. Ein Kondensator C3, welcher ebenfalls nur einen Wechselanteil durchlässt, ist mit einem zum Anschluss 100 gerichteten Pol des Shunts R5 durch den Knoten K5 verbunden. Sämtliche Knoten K sind Kirchhoffsche Knoten. Der Anschluss 160 ist mit dem Knoten K4 verbunden. Ein dem Shunt R5 zugewandter Pol des Schaltschützes 120 ist mit dem Knoten K5 verbunden, der andere Pol des Schaltschützes 120 ist mit dem Anschluss 100 verbunden.
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Der erste Spannungsteiler ist realisiert durch eine Verbindung eines Widerstands R1 mit einerseits Masse GND und andererseits dem Knoten K1 sowie durch eine Verbindung eines Widerstands R2 mit einerseits dem Knoten K1 und andererseits mit dem Knoten K2. Der zweite Spannungsteiler ist realisiert durch eine Verbindung eines Widerstands R3 mit einerseits Masse GND und andererseits dem Knoten K3 sowie durch eine Verbindung eines Widerstands R4 mit einerseits dem Knoten K3 und andererseits mit dem Knoten K2.
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2 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer zweiten, noch bevorzugteren Ausführungsvariante, welche sich von der in 1 dargestellten Ausführungsvariante dadurch unterscheidet, dass anstelle der beiden Spannungsteiler mit den Widerständen R1, R2 R3 und R4 ein doppelter Spannungsteiler mit den Widerständen R7, R8 und R9 tritt.
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Dabei ist der Widerstand R7 einerseits mit Masse GND verbunden und andererseits mit dem Knoten K3. Der Widerstand R8 ist einerseits mit dem Knoten K3 verbunden und andererseits mit dem Knoten K1. Der Widerstand R9 ist einerseits mit dem Knoten K1 verbunden und andererseits mit dem Knoten K2.
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Diese Schaltung ist vorteilhaft, weil die Schaffung zweier Gleichanteil-Referenzspannungen (eine am invertierenden und eine andere am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers) hier mit nur drei statt mit vier Widerständen realisiert ist.
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3 zeigt ein elektrisches Schaltbild einer dritten bevorzugten Ausführungsvariante, welche sich von den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten dadurch unterscheidet, dass anstelle der beiden Spannungsteiler mit den Widerständen R1, R2, R3 und R4 und anstelle des doppelten Spannungsteilers mit den Widerständen R7, R8 und R9 und anstelle der Kondensatoren C2 und C3 zwei komplexe Spannungsteiler mit den elektrischen Bauelementen R10, R11, R12, R13, R14, R15, C4 und C5 treten.
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Ein Kondensator C4 ist mit einem Widerstand R10 parallel geschaltet, und ein Kondensator C5 ist mit einem Widerstand R11 parallel geschaltet. Die Parallelschaltung mit C4 ist in Reihe mit einem Widerstand R12 geschaltet, und die Parallelschaltung mit C5 ist in Reihe mit einem Widerstand R13 geschaltet. Die Zusammenschaltung der Bauelemente R10, R12, C4 bildet einen ersten komplexen Widerstand, und die Zusammenschaltung der Bauelemente R11, R13, C5 bildet einen zweiten komplexen Widerstand. Der erste komplexe Widerstand ist einerseits mit einem zum Anschluss 160 gerichteten Pol des Shunts R5 durch den Knoten K4 und andererseits mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Der zweite komplexe Widerstand ist einerseits mit einem zum Anschluss 100 gerichteten Pol des Shunts R5 durch den Knoten K5 und andererseits mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Ein Widerstand R14 ist einerseits mit Masse GND und andererseits mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Ein Widerstand R15 ist einerseits mit Masse GND und andererseits mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP verbunden. Dabei bilden der Widerstand R14 und der erste komplexe Widerstand den ersten komplexen Spannungsteiler, und der Widerstand R15 und der zweite komplexe Widerstand bilden den zweiten komplexen Spannungsteiler.
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Die komplexen Spannungsteiler sind derart ausgelegt, dass die angesteuerten Eingänge +, – des Operationsverstärkers OP bezüglich ihres Gleichspannungsanteils in einem optimalen Arbeitsbereich liegen und vorzugsweise entgegen einer Auslöserichtung vorgespannt sind.
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Diese Schaltung ist vorteilhaft, weil sowohl ein statischer als auch ein dynamischer Anteil des Versorgungsstroms i vom Operationsverstärker OP erfasst werden, und weil durch geeignete Dimensionierung der komplexen Spannungsteiler das Verhältnis beider Anteile bestimmt wird.
