DE102016106661A1

DE102016106661A1 - Elektrische Schaltung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016106661A1
Application number: DE102016106661.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grass
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12

Abstract

Die Erfindung stellt eine elektrische Schaltung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Schaltung (10) umfasst eine erste Teilschaltung (11), eine parallel zu der ersten Teilschaltung (11) geschaltete zweite Teilschaltung (12) und den Teilschaltungen gemeinsame Pole (+, –) zum Verbinden der Teilschaltungen mit einer Hochvoltbatterie (13) des Fahrzeuges; die erste Teilschaltung (11) umfasst einen ersten Elektromotor (21) und ein seriell zu dem ersten Elektromotor (21) geschaltetes erstes Schaltschütz (15) zum Trennen der ersten Teilschaltung (11) von der Hochvoltbatterie (13); die zweite Teilschaltung (12) umfasst einen zweiten Elektromotor (22) und ein seriell zu dem zweiten Elektromotor (22) geschaltetes zweites Schaltschütz (16) zum Trennen der zweiten Teilschaltung (12) von der Hochvoltbatterie (13); und die Schaltung (10) ist derart eingerichtet, dass der zweite Elektromotor (22) unter Volllast betrieben wird, wenn das erste Schaltschütz (15) die erste Teilschaltung (11) von der Hochvoltbatterie (13) trennt.
Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Fahrzeug bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Fahrzeug.
Stand der Technik
Bekannt sind zweiachsige Fahrzeuge mit elektromechanischem Achsantrieb. Dabei treibt jeweils eine elektrische Maschine die Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs an. Die elektrischen Maschinen werden typischerweise durch eine Hochvoltbatterie versorgt, sind zueinander parallel verschaltet und bilden so zwei Teilschaltkreise. Vor und nach jeder elektrischen Maschine können Schütze zur Sicherheitsabschaltung vorgesehen sein.
DE 10 2010 029 806 A1 beschreibt ein elektrisches System, wobei eine Kurzschlussleitung mit einem darin angeordneten Entladewiderstand zum kontrollierten Entladen vorgesehen ist.
EP 1 193 838 B1 beschreibt einen überlastgeschützten Elektromotor, wobei weitere Verbraucher zum Schutz in einem Überlastfall zugeordnet sind.
US 2013 0229732 A1 beschreibt einen Speisestromkreis für eine Synchronmaschine, wobei ein Konverter zur Spannungsumwandlung vorgesehen ist.
US 5 629 603 A beschreibt ein elektrisches System für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wobei ein Konverter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselspannung vorgesehen ist.
US 5 816 358 A beschreibt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit Leistungsschaltern, wobei mehrere elektrische Maschinen vorgesehen sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine elektrische Schaltung und ein entsprechendes Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass beim Trennen der stromdurchflossenen elektrischen Kontakte eines der Schaltschütze ein sogenannter Schaltlichtbogen entstehen kann. Insbesondere bei einem Kurzschluss in einem Teilschaltkreis können die Schütze dabei durch sehr hohe Ströme beschädigt werden, da der Strom – abhängig von der Durchschlagsfestigkeit des Isolators – beim leichten Öffnen der Kontakte in Form einer Funkenentladung oder einer Bogenentladung durch den ionisierten Isolator weiterfließt.
Die Erfindung erkennt, dass eine solche Entladung zusätzlich gefördert wird, wenn sich im Moment des Abhebens der Kontakte voneinander durch hohe Stromdichten an den Abrisspunkten heiße Stellen bilden, die Glühemission und die Nachlieferung von Metallionen in den Isolator – meist Luft – bewirken. Durch Stoßionisation wie bei einer Gasentladung sinkt nun die Brennspannung und erschwert die Unterbrechung des Kurzschlussstroms. Ein resultierender Kontaktabbrand schweißt das betroffene Schütz derart zusammen, dass seine Kontakte nicht getrennt werden können. Der solchermaßen bedingte Ausfall eines Schaltschützes ist dem Fachmann als „Verkleben“ vertraut.
Ein Vorzug der vorgeschlagenen Lösung liegt entsprechend in ihrer Fähigkeit, bei einem Kurzschluss eines Teilstromkreises die Schütze zu entlasten. Dazu wird bei einem Kurzschluss in einem ersten Teilschaltkreis der jeweils andere zweite Teilschaltkreis maximal belastet und der Strom der Hochvoltbatterie in den zweiten Teilschaltkreis geleitet, um die zur Verfügung stehende Energie im Kurzschlussfall definiert auf den anderen Lastkreis zu führen und die im Kurzschlusskreis verbauten Schütze zu entlasten. An diesen Schützen liegt nun tendenziell weniger Spannung an, die sie trennen müssen; die Gefahr, dass sie beim Trennen gleichsam „verkleben“ – dann könnten sie nicht mehr öffnen – wird verringert. Durch die vorgeschlagene elektrische Schutzschaltung können die Schütze somit bei einem Kurzschluss effektiv geschützt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann sie vorzüglich bei elektrischen Maschinen zur Anwendung kommen, die jeweils in einem Achsantrieb integriert sind. Im Vergleich zu einer elektrischen Maschine, die zwischen einem Verbrennungsmotor und herkömmlichen Fahrzeuggetriebe eingebaut ist, kann ein solcher „elektromechanischer Achsantrieb“ modular aufgebaut werden, da er keine Schnittstelle zum Verbrennungsmotor und Fahrzeuggetriebe benötigt. Ein kompaktes Achsmodul mit integrierter Leistungselektronik wird auf diese Weise realisierbar.
Es empfiehlt sich in dieser Ausführungsform, die Schaltung derart einzurichten, dass die Hinterachse gebremst wird, wenn der ihr zugeordnete Elektromotor aufgrund eines Kurzschlusses im Teilschaltkreis der Vorderachse unter Volllast betrieben wird. Die erfindungsgemäß auf den Teilschaltkreis der Hinterachse geführte elektrische Energie wird somit effektiv in Wärme umgewandelt, ohne dass das Fahrzeug ungewollt beschleunigt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit zwei Schützen in jedem Teilschaltkreis sollten, um die Gefahr deren „Verklebens“ durch eine Lichtbogenbildung weiter zu verringern, beide Schütze möglichst zeitgleich geöffnet werden.
Schließlich kann ein erfindungsgemäßes System auch auf Fahrzeuge angewendet werden, bei denen an jedem Rad ein Elektromotor zum Antrieb verbaut ist. Bei dieser als Radnabenmotor bezeichneten Art des Antriebes entfallen die zentrale Motoreinheit sowie die Antriebsstränge und Verteilergetriebe hin zu den Rädern, was den Aufbau eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeuges vereinfacht und konstruktive Freiheiten in der Gestaltung der Bodengruppe eröffnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt den Blockschaltplan einer mit der Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs verbundenen erfindungsgemäßen Schaltung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur illustriert anhand einer abstrahierten Darstellung elektrische Funktion und Stromverlauf einer Ausgestaltung der Erfindung.
Bei der vorliegend dargestellten Schaltung (10) handelt es sich um die Parallelschaltung einer ersten Teilschaltung (11) und einer zweiten Teilschaltung (12). Die den Teilschaltungen gemeinsamen Pole (+, –) sind betriebsbereit mit der Hochvoltbatterie (13) eines – in seiner Gesamtheit aus Gründen der Vereinfachung nicht abgebildeten – elektrisch angetriebenen Fahrzeuges verbunden. Die erste Teilschaltung (11) umfasst hierbei dessen – mechanisch mit der Vorderachse verbundenen – ersten Elektromotor (21), die zweite Teilschaltung (12) seinen – mechanisch mit der Hinterachse verbundenen – zweiten Elektromotor (22) sowie seine elektromechanische Bremse (23).
Ein erstes Schaltschütz (15) ist hierbei zwischen dem ersten Elektromotor (21) und dem gemeinsamen Pluspol (+), ein zweites Schaltschütz (16) zwischen dem zweiten Elektromotor (22) und dem Pluspol (+) geschaltet. Ein drittes Schaltschütz (17) ist auf entsprechende Weise zwischen dem ersten Elektromotor (21) und dem Minuspol (–), ein viertes Schaltschütz (18) schließlich zwischen dem zweiten Elektromotor (22) und dem Minuspol (–) angeordnet. Im Falle eines Kurzschlusses der jeweiligen Teilschaltung vermögen somit das erste Schaltschütz (15) und dritte Schaltschütz (17) die erste Teilschaltung (11), das zweite Schaltschütz (16) und vierte Schaltschütz (18) hingegen die zweite Teilschaltung (12) von der Hochvoltbatterie (13) zu trennen.
Als Schaltschütz ist in diesem Zusammenhang jedweder – der elektrischen Leistung des jeweiligen Elektromotors angepasste – elektrisch oder pneumatisch betätigte Schalter zu verstehen. Auch Relais entsprechender Schaltleistung sind in diesem Sinne als „Schaltschütz“ zu deuten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das erste Schaltschütz (15), zweite Schaltschütz (16), dritte Schaltschütz (17) und vierte Schaltschütz (18) in einem gemeinsamen Batterieanschlusskasten (battery junction box, BJB 14) zusammengefasst.
Erfindungsgemäß ist die Schaltung (10) derart eingerichtet, dass der erste Elektromotor (21) unter Volllast betrieben wird, wenn das zweite Schaltschütz (16) und vierte Teilschütz möglichst zeitgleich die zweite Teilschaltung (12) von der Hochvoltbatterie (13) trennen. Umgekehrt wird der zweite Elektromotor (22) unter Volllast betrieben und die Hinterachse gebremst, wenn das erste Schaltschütz (15) und das dritte Schaltschütz (17) möglichst zeitgleich die erste Teilschaltung (11) von der Hochvoltbatterie (13) trennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010029806 A1 [0003]
EP 1193838 B1 [0004]
US 20130229732 A1 [0005]
US 5629603 A [0006]
US 5816358 A [0007]

Claims

Elektrische Schaltung (10) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Schaltung (10) umfasst eine erste Teilschaltung (11), eine parallel zu der ersten Teilschaltung (11) geschaltete zweite Teilschaltung (12) und den Teilschaltungen (11, 12) gemeinsame Pole (+, –) zum Verbinden der Teilschaltungen (11, 12) mit einer Hochvoltbatterie (13) des Fahrzeuges, – die erste Teilschaltung (11) umfasst einen ersten Elektromotor (21) und ein seriell zu dem ersten Elektromotor (21) geschaltetes erstes Schaltschütz (15) zum Trennen der ersten Teilschaltung (11) von der Hochvoltbatterie (13), – die zweite Teilschaltung (12) umfasst einen zweiten Elektromotor (22) und ein seriell zu dem zweiten Elektromotor (22) geschaltetes zweites Schaltschütz (16) zum Trennen der zweiten Teilschaltung (12) von der Hochvoltbatterie (13) und – die Schaltung (10) ist derart eingerichtet, dass der zweite Elektromotor (22) unter Volllast betrieben wird, wenn das erste Schaltschütz (15) die erste Teilschaltung (11) von der Hochvoltbatterie (13) trennt.
Schaltung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der erste Elektromotor (21) ist mechanisch mit einer Vorderachse des Fahrzeuges verbunden und – der zweite Elektromotor (22) ist mechanisch mit einer Hinterachse des Fahrzeuges verbunden.
Schaltung (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die zweite Teilschaltung (12) umfasst ferner eine elektromechanische Bremse (23) und – die Schaltung (10) ist derart eingerichtet, dass die Bremse (23) die Hinterachse bremst, wenn die erste Teilschaltung (11) getrennt wird.
Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – die Schaltung (10) ist ferner derart eingerichtet, dass der erste Elektromotor (21) unter Volllast betrieben wird, wenn das zweite Schaltschütz (16) die zweite Teilschaltung (12) von der Hochvoltbatterie (13) trennt.
Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die erste Teilschaltung (11) umfasst ferner ein drittes Schaltschütz (17), – das erste Schaltschütz (15) ist zwischen dem ersten Elektromotor (21) und einem Pluspol (+) unter den Polen (+, –) geschaltet und – das dritte Schaltschütz (17) ist zwischen dem ersten Elektromotor (21) und einem Minuspol (–) unter den Polen (+, –) geschaltet.
Schaltung (10) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die zweite Teilschaltung (12) umfasst ferner ein viertes Schaltschütz (18), – das zweite Schaltschütz (16) ist zwischen dem zweiten Elektromotor (22) dem Pluspol (+) geschaltet und – das vierte Schaltschütz (18) ist zwischen dem ersten Elektromotor (21) und dem Minuspol (–) geschaltet.
Schaltung (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: – das erste Schaltschütz (15), das zweite Schaltschütz (16), das dritte Schaltschütz (17) und das vierte Schaltschütz (18) sind in einem gemeinsamen Batterieanschlusskasten (14) angeordnet.
Schaltung (10) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die erste Teilschaltung (11) ist derart eingerichtet, dass das erste Schaltschütz (15) und das dritte Schaltschütz (17) zeitgleich betätigt werden und – die zweite Teilschaltung (12) ist derart eingerichtet, dass das zweite Schaltschütz (16) und das vierte Schaltschütz (18) zeitgleich betätigt werden.
Schaltung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der erste Elektromotor (21) trägt eine erste Radnabe des Fahrzeuges und – der zweite Elektromotor (22) trägt eine zweite Radnabe des Fahrzeuges.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – das Fahrzeug umfasst einen ersten Elektromotor (21) und einen zweiten Elektromotor (22) und – das Fahrzeug weist eine Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf.