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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft eine Hochspannungsverriegelungskonfiguration für Hochspannungskomponenten eines Hybridfahrzeug-Antriebsstrangs.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein Hybridelektrofahrzeug (Hybrid-Electric Vehicle – HEV) oder Elektrofahrzeug (Electric Vehicle – EV) hat eine Antriebsbatterie, die Energie speichert und für den Fahrzeugantrieb bereitstellt. Die Antriebsbatterie, auch als eine Hochspannungsbatterie bezeichnet, arbeitet üblicherweise bei über 100 Volt. Die Antriebsbatterie arbeitet bei einer höheren Spannung als eine konventionelle Fahrzeugbatterie, auch als eine Hilfsbatterie oder eine Niederspannungs-(12 Volt-)Batterie bezeichnet. Nach Industrienorm ist Niederspannung weniger als 60 Volt Gleichspannung (DC) und 30 Volt Wechselspannung (AC) berechnet durch den quadratischen Mittelwert (QMW). Spannungen über diesem Schwellenwert werden als Hochspannung betrachtet. Die Antriebsbatterie weist im Vergleich zu einer konventionellen Batterie außerdem eine höhere Stromkapazität auf, die 100 Amperestunden überschreiten kann. Diese erhöhte Spannung und Stromstärke wird von einem Elektromotor(en) verwendet, um die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie in mechanische Energie in Form eines Drehmoments umzuwandeln, das für den Fahrzeugantrieb verwendet wird. Die Batterie ist über Drähte, Steckverbinder, Kondensatoren und andere elektrische Komponenten mit dem Elektromotor verbunden.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Hochspannungsverriegelungssystem schließt ein erstes Modul ein, das ein Schütz und mindestens eine Nebenanschlussschaltung einschließt. Das System schließt ferner ein zweites Modul ein, das eine erste und eine zweite Schaltung aufweist und mit dem ersten Modul über einen ersten mit Niederspannungsstrom gemultiplexten Draht und einen zweiten Draht verbunden ist. Das zweite Modul ist dazu konfiguriert, in Reaktion auf eine Impedanz der mindestens einen Nebenanschlussschaltung, gemessen über dem ersten und zweiten Draht, die größer ist als ein vorher festgelegter Wert, das Schütz zu entkuppeln.
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Ein Hochspannungsverriegelungssystem schließt ein erstes Modul ein, das ein Schütz und eine Nebenanschlussschaltung einschließt. Das System schließt ferner ein zweites Modul ein, das eine erste und eine zweite Schaltung aufweist und über einen ersten Draht und einen zweiten Draht mit dem ersten Modul verbunden ist. Das zweite Modul ist dazu konfiguriert, in Reaktion auf eine Impedanz der Nebenanschlussschaltung, die einen Schwellenwert überschreitet, ein Signal zur Einkupplung des Schützes zu hemmen. Die Impedanz wird über dem ersten und dem zweiten Draht gemessen, während der erste Draht mit Niederspannungsstrom zur Aktivierung einer Spule des Schützes gemultiplext ist und die zweite Schaltung mit dem Signal zur Einkupplung des Schützes gemultiplext ist.
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Ein Verfahren zum Vorformen einer Hochspannungsverriegelung schließt das Übertragen eines Einschaltsignals an die Spule eines Vorladeschützes über einen Vorladeanschluss in Reaktion auf eine Vorladeanfrage, während eine Impedanz, gemessen über dem Vorladeanschluss und einem Stromanschluss, sich unter einem Schwellenwert befindet, ein, sowie das Aktivieren der Spulen des Hauptschützes nach einer vorher festgelegten Zeitspanne, um eine Hochspannungsbatterie mit einem Hochspannungsteilsystem zu verbinden und das Deaktivieren der Spulen des Hauptschützes in Reaktion auf eine Impedanz, die den Schwellenwert überschreitet, um die Batterie zu isolieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm eines Hybridelektrofahrzeugs, das das Antriebsstrangsystem und das elektrische System veranschaulicht.
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2 ist ein Blockdiagramm einer Batteriekonfiguration, das Batteriezellen, Komponenten zur Überwachung der Batteriezellen und Steuerungssysteme veranschaulicht.
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3 ist ein schematisches Diagramm eines Batterieverteilungsmoduls (Battery Distribution Module – BDM) eines Hybridelektrofahrzeugs.
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4 ist ein schematisches Diagramm einer Hochspannungsverriegelung.
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5A ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung veranschaulicht, die eine Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und den Schützantrieb über vier Leiter zwischen einem Batteriesteuermodul (Battery Control Module – BCM) und dem BDM bereitstellt.
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5B ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung veranschaulicht, die eine Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und den Schützantrieb über drei Leiter zwischen dem BCM und dem BDM bereitstellt.
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5C ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung veranschaulicht, die eine Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und den Schützantrieb über zwei Leiter zwischen dem BCM und dem BDM bereitstellt.
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5D ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung veranschaulicht, die mehrere Kurzschlussbügel für die Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und den Schützantrieb über zwei Leiter zwischen dem BCM und dem BDM bereitstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind die hier offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für einen Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, welche nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
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Elektrofahrzeuge einschließlich batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles – BEVs), Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (Plug-In Hybrid Electric Vehicles – PHEVs) schließen üblicherweise eine Hochspannungsbatterie ein, die zur Versorgung einer oder mehrerer elektrischer Komponenten, wie zum Beispiel elektrischer Maschinen zur Bereitstellung von Antriebskraft, verwendet werden. Üblicherweise erfordert die Hochspannungsbatterie und das Hochspannungsteilsystem mindestens eine Hochspannungsverriegelungsschaltung (High-Voltage Interlock – HVIL) auf Steckverbindern, Schnittstellen, Komponenten und Modulen. Die HVIL ist dazu konfiguriert, ein Verifikationssignal an die Batterieschnittstellen und -teilsysteme zu liefern, wenn die Schnittstelle ordnungsgemäß verbunden ist. Die ordnungsgemäße Verbindung schließt das Bestätigen oder Überprüfen des ordnungsgemäßen Sitzes der Steckverbinder ein. Damit eine Verbindung ordnungsgemäß sitzt, muss die Verbindung so verbunden sein, dass alle Anschlüsse vollständig eingekuppelt sind. Einige Steckverbinder schließen Hauptanschlüsse und sekundäre Anschlüsse ein, wobei die Hauptanschlüsse zuerst verbunden werden und die sekundären Anschlüsse verbunden werden, nachdem die Hauptanschlüsse eine vorher festgelegte Distanz zurückgelegt haben. So kann eine Verbindung beispielsweise einen Stecker und eine Steckerbuchse einschließen. Der Stecker kann 4 flache oder zungenförmige männliche Anschlüsse einschließen, die dazu konfiguriert sind, in die Steckerbuchse mit 4 weiblichen Anschlüssen, die dazu konfiguriert sind, die männlichen Anschlüsse aufzunehmen, hineingesteckt zu werden. Die Länge oder Ausrichtung der männlichen Anschlüsse im Verhältnis zu den weiblichen Anschlüssen kann so aussehen, dass 2 männliche Hauptanschlüsse zuerst eine Verbindung mit 2 weiblichen Hauptanschlüssen herstellen und bis zu einer vorher festgelegten Distanz in die weiblichen Anschlüsse hineingesteckt werden müssen, bevor die 2 sekundären männlichen Anschlüsse so positioniert werden, dass sie mit den sekundären weiblichen Anschlüssen in Verbindung treten können. Dadurch wird der Zugang zu einem leitenden Teil einer offenen Schnittstelle (z.B. eines elektrischen Steckverbinders) eingeschränkt, wenn eine Hochspannung anliegt, da die Hochspannung eine Voraussetzung für das Verbinden der sekundären Anschlüsse sein kann und die Verbindung kann so gestaltet sein, dass die sekundären Anschlüsse nur verbunden werden, nachdem die Hauptanschlüsse verbunden sind und keine leitenden Flächen der Hauptanschlüsse freiliegen. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob die sekundären Anschlüsse vollständig geschlossen sind, bevor die Hochspannungskomponenten oder -teilsysteme aktiviert werden. Die sekundären Anschlüsse einiger HVIL-Schaltungen können einen Kurzschlussbügel einschließen, der so mit einem Steckverbinder verbunden ist, dass eine elektrische Schaltung gebildet wird, wenn die Schnittstelle geschlossen ist. Diese Schaltung verfügt üblicherweise über eine Versorgungsleitung, die von einem Steuermodul zur Schnittstelle verläuft sowie über eine getrennte Rückleitung, die von der Schnittstelle zurück zum Steuermodul verläuft. Die seitliche Versorgungsleitung und die seitliche Rückleitung sind mit der Schaltung in dem Steuermodul verbunden, das dazu verwendet wird um festzustellen, ob die Schaltung geöffnet oder geschlossen ist.
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In einigen Ausführungsformen kann ein Gerät mit einer HVIL-Schaltung zusätzlich über andere Schaltungen verfügen, die von dem Steuermodul zum Gerät verlaufen. Aspekte dieser vorhandenen Schaltungen können zur Versorgung der HVIL-Schaltung verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform werden Aspekte dieser vorhandenen Schaltungen sowohl als Versorgungs- als auch als Rückleitungen der HVIL-Schaltung verwendet. Diese Konfiguration bietet bei Verwendung von 1 oder 2 Leitungen weniger mit ihren jeweiligen Anschlüssen auf der Steuerungsseite den gleichen Grad an Funktionalität, wodurch die Kosten reduziert werden und die Verlässlichkeit erhöht wird. Diese Konfiguration bietet auch bei Verwendung von 1 oder 2 Anschlussstiften weniger mit ihren zugehörigen Schaltungen auf der Seite des Geräts (z.B. eines Moduls) mit der Schnittstelle und dem Steuermodul den gleichen Grad an Funktionalität. Beispielsweise können Schützantriebs- und Vorladesteuerdrähte und die dazugehörige Funktionalität so gemultiplext werden, dass die Drähte für zwei Zwecke verwendet werden.
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Dies kann so umgesetzt werden, dass keine zusätzliche Hardware in dem Steuermodul benötigt wird, und diese Umsetzungsform kann den gleichen Grad an Fehlererkennung aufrechterhalten wie eine getrennte HVIL-Schaltung. Eine typische Herausforderung bei der gemeinsamen Nutzung der Schaltungen für Schützantrieb und HVIL ist, dass eine unterbrochene Verbindung am Kurzschlussbügel bewirken kann, dass die Stromversorgung des Fahrzeugs an die Schütze unterbrochen wird. In der hier vorgeschlagenen Umsetzungsform ist der Hauptschützantrieb jedoch nicht mit dem Kurzschlussbügel in Reihe geschaltet. Zudem stellt das Schalten der Spule des Vorladeschützes in Reihe mit dem Kurzschlussbügel sicher, dass das Vorladeschütz nicht mehr geschlossen sein muss, wenn das Fahrzeug in Bewegung ist (und die Wahrscheinlichkeit, dass unterbrochene Verbindungen aufgrund von Vibration auftreten, größer ist). In alternativen Ausführungsformen kann die vorgeschlagene Umsetzungsform möglicherweise angewendet werden, indem man einen Kurzschlussbügel mit einem Hilfsschütz oder Gleichstrom-Schnellladeschütz in Reihe schaltet, sodass die Stromversorgung des Fahrzeugs zu den Antriebsmotoren nicht unterbrochen wird, falls die Verbindung des Kurzschlussbügels unterbrochen wird. Üblicherweise schließt der Ablauf der Ereignisse bei Einschalten der Zündung Folgendes ein:
- 1. Schließen eines ersten Hauptschützes durch Aktivieren der Spule des ersten Hauptschützes.
- 2. Schließen des Vorladeschützes parallel zum ersten Hauptschütz durch Aktivieren der Spule des Vorladeschützes.
- 3. Abwarten während eines vorher festgelegten Zeitraums, der auf einer Spannung über der Last beruht, die einen Spannungsschwellenwert überschreitet, während die Spannung sich bis auf die Batteriespannung erhöht. Die Rate, in der sich die Spannung über der Last erhöht, kann durch eine elektrische Komponente, wie zum Beispiel einen Vorladewiderstand, reguliert werden.
- 4. Schließen des zweiten Hauptschützes durch Aktivieren der Spule des zweiten Hauptschützes nach Ablauf des vorher festgelegten Zeitraums, während dessen die Last sich im Bereich einer gewissen Spannung der Batterie befindet oder bei Überschreiten des Schwellenwerts.
- 5. Öffnen des Vorladeschützes, nachdem der positive Hauptschütz geschlossen wurde.
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Die Aufgabe des Vorladeschützes besteht darin, einen Einschaltstrom zur Last und zu den Hauptschützen zu begrenzen, wenn die Last mit einer Energiequelle, wie zum Beispiel der Hochspannungsbatterie, verbunden wird.
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1 stellt ein Beispiel eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugs 100 dar. Das Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug 100 kann eine oder mehrere Elektromotoren 104 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 106 verbunden sind. Außerdem ist das Hybridgetriebe 106 mechanisch mit einem Motor 108 verbunden. Das Hybridgetriebe 106 kann ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 110 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 112 verbunden ist. Die Elektromotoren 104 können Antrieb bereitstellen, wenn der Motor 108 angeschaltet wird. Die Elektromotoren 104 können Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 108 ausgeschaltet wird. Die Elektromotoren 104 können auch als Generatoren konfiguriert sein und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie rückgewonnen wird, die normalerweise als Hitze in einem Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die Elektromotoren 104 können auch Schadstoffemissionen reduzieren, da das Hybrid-Elektrofahrzeug 102 unter bestimmten Bedingungen in einem Elektromodus betrieben werden kann.
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Die Antriebsbatterie oder das Batteriepack 114 speichert Energie, die von den Elektromotoren 104 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriepack 114 stellt typischerweise einen Gleichstrom-Hochspannungsausgang bereit. Das Batteriepack 114 ist elektrisch mit einem Leistungselektronikmodul 116 verbunden. Das Leistungselektronikmodul 116 ist auch elektrisch mit den Elektromotoren 104 verbunden und stellt die Möglichkeit bereit, Energie bidirektional zwischen dem Batteriepack 114 und den Elektromotoren 104 zu übertragen. Beispielsweise kann ein typisches Batteriepack 114 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromotoren 104 einen Dreiphasenwechselstrom erfordern können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 116 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasenwechselstrom umwandeln, wie durch die Elektromotoren 104 gefordert. In einem Regenerationsmodus wandelt das Leistungselektronikmodul 116 den Dreiphasenwechselstrom aus den Elektromotoren 104, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung um, die durch das Batteriepack 114 gefordert wird. Die hier beschriebenen Verfahren sind gleichermaßen auf reine Elektrofahrzeuge oder jedwedes andere Gerät, das Batteriepacks verwendet, anwendbar.
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Neben dem Bereitstellen von Antriebsenergie kann das Batteriepack 114 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 118 umfassen, das den Hochspannungsgleichstromausgang des Batteriepacks 114 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie etwa Verdichter und elektrische Heizgeräte, können direkt mit dem Hochspannungsbus des Batteriepacks 114 verbunden sein. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer 12 V-Batterie 120 verbunden. Ein reines Elektrofahrzeug kann über eine ähnliche Architektur verfügen, jedoch ohne den Motor 108.
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Das Batteriepack 114 kann durch eine externe Stromquelle 126 wieder aufgeladen werden. Die externe Stromquelle 126 kann dem Fahrzeug 102 Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen, indem sie elektrisch über einen Ladeport 124 verbunden ist. Der Ladeport 124 kann jede Art von Port sein, der dazu konfiguriert ist, Strom von der externen Stromquelle 126 an das Fahrzeug 102 zu übertragen. Der Ladeport 124 kann elektrisch mit einem Leistungsumwandlungsmodul 122 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul kann den Strom aus der externen Stromquelle 126 konditionieren, um dem Batteriepack 114 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. In einigen Anwendungen kann die externe Stromquelle 126 dazu konfiguriert sein, dem Batteriepack 114 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen, und das Leistungsumwandlungsmodul 122 ist unter Umständen nicht notwendig. Die Funktionen des Leistungsumwandlungsmoduls 122 können in einigen Anwendungen von der externen Stromquelle 126 übernommen werden. Der Motor, das Getriebe, die Elektromotoren, die Batterie, die Leistungsumwandlung und die Leistungselektronik des Fahrzeugs können von einem Antriebsstrang-Steuermodul (Powertrain Control Module – PCM) 128 gesteuert werden.
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Neben der Veranschaulichung eines Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug kann 1 auch ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (BEV) veranschaulichen, wenn die Komponente 108 entfernt wird. Gleichermaßen kann 1 ein traditionelles Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein Hybrid-Elektrofahrzeug mit Leistungsverzweigung darstellen, wenn die Komponenten 122, 124 und 126 entfernt werden. 1 veranschaulicht außerdem das Hochspannungsfahrzeugsystem, das den/die Elektromotor(en) 104, das Leistungselektronikmodul 116, das Gleichspannungswandlermodul 118, das Leistungsumwandlungsmodul 122 und das Batteriepack 114 einschließt.
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Die individuellen Batteriezellen innerhalb eines Batteriepacks können aus einer Vielzahl chemischer Formulierungen konstruiert sein. Typische Batteriepacks können chemisch unter anderem Bleisäure, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NIMH), Lithiumionen oder Lithium-Ion-Polymere einschließen. 2 zeigt einen typischen Batteriepack 114 in einer einfachen Reihenkonfiguration aus N Batteriezellmodulen 202. Die Batteriezellmodule 202 können eine einzelne Batteriezelle enthalten oder mehrere Batteriezellen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Das Batteriepack kann jedoch aus einer beliebigen Anzahl einzelner Batteriezellen und Batteriezellmodulen bestehen, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon geschaltet sind. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen, wie etwa ein Batteriesteuermodul (BCM) 208 aufweisen, das die Leistung des Batteriepacks 114 überwacht und steuert. Das BCM 208 kann mehrere Batteriepack-Pegelkenndaten, wie etwa den Packstrom, der von einem Stromsensor 206 gemessen wird, die Packspannung 210 und die Packtemperatur 212 überwachen.
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Zusätzlich zu den Packpegelkenndaten kann es Pegelkenndaten der Batteriezellen geben, die gemessen und überwacht werden müssen. Beispielsweise können die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 204 verwenden, um die Kenndaten einer oder mehrerer Batteriezellmodule 202 zu messen. Die Kenndaten können die Spannung, die Temperatur, das Alter, die Zahl der Lade-/Entladezyklen, etc. der Batteriezelle einschließen. Üblicherweise misst ein Sensormodul die Spannung der Batteriezelle. Batteriezellspannung kann die Spannung einer einzelnen Batterie oder einer Batteriegruppe, die elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet ist, sein. Das Batteriepack 114 kann bis zu Nc Sensormodule 204 verwenden, um die Kenndaten aller Batteriezellen 202 zu messen. Jedes der Sensormodule 204 kann die Messwerte zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung an das BCM 208 übertragen. Das Sensormodul 204 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BCM 208 übertragen. Das Batteriepack 114 kann ebenfalls ein Batterieverteilermodul (BDM) 214 enthalten, das den Stromfluss in das und aus dem Batteriepack 200 ermöglicht.
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3 ist eine Darstellung eines Leistungselektronikverteilermoduls 214. Dieses Batterieverteilermodul (BDM) 214 enthält die Hochspannungsschalter (302, 304, 306, 308 und 314), die verwendet werden, um die Hochspannungskomponenten zu verbinden und zu trennen. Diese Hochspannungsschalter (302, 304, 306, 308 und 314) können Relais oder andere elektromechanische Schalter sein. Die Batteriezellen 202 stellen die Spannung und den Strom bereit, der durch die Schalter 302 und 304 zu dem Leistungselektronikmodul 116 fließt. Der Strom wird in einem Stromsensorblock 310 gemessen. Der Strom fließt möglicherweise als Ergebnis des Schließens des Schalters 304 und des Schließens von entweder Schalter 302 oder Schalter 314 wobei Strom zwischen den Batteriezellen 202 und dem Leistungselektronikmodul 116 fließt. Schalter 314 bildet in Verbindung mit Widerstand 316 eine Vorladeschaltung, die genutzt wird, um den Stromfluss in das System zu begrenzen, während das System hochfährt. Strom kann auch fließen als Ergebnis des Schließens der Schalter 308 und 306, wobei Strom zwischen den Batteriezellen 202 und dem Leistungsumwandlungsmodul 122 fließt. Der Strom kann außerdem zusätzlich durch eine Stromeinspeisungsvorrichtung (Current Injection Device – CID) 312 fließen, die eine Sicherung oder einen Schutzschalter einschließen kann; die CID ist jedoch nicht zwingend notwendig, da das System dazu konfiguriert sein kann, die Schaltung über den kompletten Zeitraum der Amperestunden-Betriebszeit zu schützen.
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4 ist ein schematisches Diagramm eines Hochspannungsverriegelungssystems 400. In dieser Darstellung ist eine Hochspannungsbatterieanordnung 202 über eine Sicherung 312, ein positives Hauptschütz 302, ein negatives Hauptschütz 304 und einen Steckverbinder, der eine Steckerbuchse 402 und einen Stecker 404 einschließt, mit einer Last 104, wie etwa einer elektrischen Maschine, verbunden. Das positive Hauptschütz 302 und das negative Hauptschütz 304 können ein elektromechanischer Schalter, wie etwa eine elektromechanische Zylinderspule oder ein elektromechanisches Relais sein. Parallel zum positiven Hauptschütz 302 ist ein Vorladeschütz 314, das einen Serienwiderstand 316 aufweist, geschaltet. Wie das positive Hauptschütz 302 kann das Vorladeschütz 314 ein elektromechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter wie vorstehend beschrieben sein. Der Steckverbinder ist dazu konfiguriert, eine elektrische Verbindung zwischen der Batterie 202 und der Last 104 bereitzustellen und so eine Leistungsübertragung zwischen der Batterieanordnung 202 und der Last 104 zu ermöglichen. Es ist weiterhin veranschaulicht, dass der Steckverbinder eine erste Erfassungsleitung 408A und eine zweite Erfassungsleitung 408B einschließt und einen Nebenschluss 406, auch als ein „Kurzschlussbügel“ bezeichnet, aufweist, der dazu konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Erfassungsleitung 408A und der zweiten Erfassungsleitung 408B herzustellen. Der Nebenschluss 406 kann von dem Steckverbinder getrennt sein oder der Nebenschluss 406 kann derart in den Steckverbinder integriert sein, dass er bestätigen oder überprüfen kann, dass die Hauptanschlüsse ordnungsgemäß sitzen.
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5A ist ein schematisches Diagramm, das interne Schaltungen 500 veranschaulicht, die Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und Schützantrieb über vier Leiter zwischen dem BCM und dem BDM bereitstellen. Die vier Leiter sind eine erste Erfassungsleitung 408A, eine zweite Erfassungsleitung 408B, eine Niederspannungsleistung 502 und ein Vorladeschützsteuerungssignal 504. Die Niederspannungsleistung 502, auch als Steuerungsleistung (Control Power – CTRL_PWR) bezeichnet, ist üblicherweise eine positive Gleichstromspannung aus einer Hilfsbatterie, wie etwa der 12 V-Batterie eines Fahrzeugs. Das Vorladesteuerungssignal 504 (Pre-Charge Control – PC_CTRL) ist üblicherweise eine Verbindung durch einen Schalter zum 12 V-Massepotential des Fahrzeugs. Das Vorladesteuerungssignal kann auch ein digitales Signal sein, das von dem BCM 208 an das BDM 214 übertragen wird und dann decodiert wird, um das Vorladeschütz über einen internen Treiber im BDM zu aktivieren. In anderen Ausführungsformen kann ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor – MOSFET), ein Smart-MOSFET, ein Bipolartransistor (Bipolar Junction Transistor – BJT) oder ein anderer Halbleiterschalter im BDM 214 verwendet werden, um das Vorladeschütz in Reaktion auf das Vorladesteuerungssignal 504 anzutreiben. Ein Smart-MOSFET ist ein MOSFET, der dazu konfiguriert ist, Strombegrenzungsfunktionalität, Übertemperaturschutz, Überspannungsschutz, Schutz gegen elektrostatische Entladung (Elektro Static Discharge – ESD) oder Diagnoseausgang bereitzustellen. Smart-MOSFETs können als High-Side- oder Low-Side-Schalter konfiguriert sein. Weiterhin ist eine erste und eine zweite Erfassungsschaltung dargestellt; die zweite Erfassungsschaltung 506 stellt isolierten Strom bereit, um eine Impedanz des Nebenschlusses 406 und der elektrischen Verbindung des Nebenschlusses 406 zu erfassen. Diese vereinfachte Darstellung der Schaltung der zweiten Erfassungsschaltung 506 schließt eine Diode ein, die dazu konfiguriert ist, Strom aus einer Niederspannungsbatterie durch einen Widerstand zum Nebenschluss 406 zu leiten, wobei diese ein Widerstandsnetzwerk aufweist, das durch das Durchlassen des Stroms durch den Widerstand Spannungsisolierung bereitstellt. Außerdem schließt eine vereinfachte Darstellung der Schaltung einer ersten Erfassungsschaltung 508 drei Widerstände in einer „Pi“-Konfiguration ein, die den ersten Erfassungssteckverbinder isolieren, während sie die Messung der Impedanz zwischen dem ersten Erfassungssteckverbinder und dem zweiten Erfassungssteckverbinder ermöglichen.
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5B ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung 510 veranschaulicht, die eine Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und Schützantrieb über drei Leiter innerhalb eines Steckverbinders bereitstellt. Die drei Leiter sind eine erste Erfassungsleitung 408A, ein Vorladeschützsteuerungssignal 504 und eine gemultiplexte Stromleitung, die die Funktionalität einer zweiten Erfassungsleitung und einer Niederspannungsstromquelle 502 multiplext. Das Vorladeschützsteuerungssignal 504 (PC_CTRL) kann auch ein digitales Signal sein, das von dem BCM 208 an das BDM 214 übertragen wird und dann decodiert wird, um das Vorladeschütz zu aktivieren. In anderen Ausführungsformen kann ein Halbleiterschalter im BDM, wie etwa ein MOSFET, ein Smart-MOSFET oder ein Bipolartransistor BJT verwendet werden, um das Vorladeschütz über das Vorladesteuerungssignal 504 anzutreiben. Die gemultiplexte Stromleitung kann mit einer zweiten Erfassungsschaltung 508 verbunden sein. Die zweite Erfassungsschaltung 508 stellt isolierten Strom bereit, der fähig ist, eine Impedanz des Nebenschlusses 406 und der elektrischen Verbindung des Nebenschlusses 406 zu erfassen. Diese vereinfachte Darstellung der Schaltung der zweiten Erfassungsschaltung 508 schließt eine Diode ein, die dazu konfiguriert ist, Strom aus einer Niederspannungsbatterie durch einen Widerstand zum Nebenschluss 406 zu leiten, wobei diese ein Widerstandsnetzwerk aufweist, das durch das Durchlassen des Stroms durch den Widerstand Spannungsisolierung bereitstellt. Außerdem schließt eine vereinfachte Darstellung der Schaltung der ersten Erfassungsschaltung 508 drei Widerstände in einer „Pi“-Konfiguration ein, die den ersten Erfassungssteckverbinder isolieren, während sie die Messung der Impedanz zwischen der ersten Erfassungsleitung und der zweiten Erfassungsleitung ermöglichen.
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Hier wird gezeigt, dass die gemultiplexte Stromleitung, die die zweite Erfassungsleitung und die Niederspannungsstromquelle 502 multiplext, Strom für die elektrischen Schaltungen des BDM einschließlich einer Spule 516A des positiven Hauptschützes, einer Spule 516B des negativen Hauptschützes und der Vorladespule 518 bereitstellt und dazu verwendet wird, das Vorhandensein und die Impedanz des Nebenschlusses 406 zu erfassen. Die Verwendung einer Diode 512 und eines Widerstands 514 wird dazu verwendet, derart den Stromfluss zum Nebenschluss zu steuern und den Strom, der verbraucht wird, wenn der Nebenschluss vorhanden ist, zu begrenzen, dass weiterhin Strom für die elektrischen Schaltungen des BDM zur Verfügung steht. Die Art des Widerstands kann ein Hochpräzisionswiderstand sein, sodass bei Messung der Impedanz des Nebenschlusses 406 in Reihe mit dem Widerstand 514 und der Diode 512 die Impedanz des Nebenschlusses 406 und der Verbindungen des Nebenschlusses zum BDM genau bestimmt werden kann. Weiterhin macht, da der Stromfluss aus der CONT_PWR 502 auf die gleiche gemultiplexte Stromleitung gemultiplext wird, die von dem ersten Erfassungssteckverbinder 408A unabhängige Rückführung der CONT_PWR 502 getrennte Führungen der Stromflüsse möglich, die die Isolierung unterstützen, sodass ein genauer Messwert ermittelt werden kann.
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5C ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung 520 veranschaulicht, die eine Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und Schützantrieb über zwei Leiter innerhalb eines Steckverbinders bereitstellt. Die zwei Leiter sind eine gemultiplexte Vorladeschützsteuerung 522 (PC_CTRL) und eine gemultiplexte Stromleitung. Die gemultiplexte Vorladeschützsteuerung 522 multiplext die Funktionalität einer ersten Erfassungsleitung 408A und ein Vorladeschützsteuerungssignal 504 und die gemultiplexte Stromleitung multiplext die Funktionalität einer zweiten Erfassungsleitung und eine Niederspannungsstromquelle 502. In anderen Ausführungsformen kann ein Halbleiterschalter im BDM 214, wie etwa ein MOSFET, BJT oder Smart-MOSFET verwendet werden, um das Vorladeschütz in Reaktion auf die PC_CTRL 522 anzutreiben. Die gemultiplexte Stromleitung kann mit einer zweiten Erfassungsschaltung 526 verbunden werden. Die zweite Erfassungsschaltung 526 stellt isolierten Strom bereit, der fähig ist, eine Impedanz des Nebenschlusses 406 und der elektrischen Verbindung des Nebenschlusses 406 zu erfassen. Diese vereinfachte Darstellung der Schaltung der zweiten Erfassungsschaltung 526 schließt ein Widerstandsnetzwerk ein, das durch den Durchlass des Stroms durch die Widerstände des Netzwerks Spannungsisolation bereitstellt. Außerdem schließt eine vereinfachte Darstellung der Schaltung der ersten Erfassungsschaltung 524 zwei Widerstände in einer „T“-Konfiguration ein, die die erste Erfassungsleitung isolieren, während sie die Messung der Impedanz zwischen der ersten Erfassungsleitung und der zweiten Erfassungsleitung ermöglichen. Die erste Erfassungsschaltung 524 ist auch mit einem Halbleiterschalter dargestellt, der als ein Pulldown- oder Low-Side-Schalter konfiguriert ist. So ist zum Beispiel der abgebildete N-Kanal-MOSFET als ein Open-Drain konfiguriert, sodass wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, der Drain erdfrei ist und eine Messung der Impedanz ermöglicht. Wenn der MOSFET eingeschaltet ist, zieht der MOSFET die PC_CTRL 522 auf das Massepotential herunter und aktiviert so die Vorladespule 314. Eine Diode wird parallel zum MOSFET dazugeschaltet, um den MOSFET zu schützen, wenn er abgeschaltet ist und ein Feld in der Vorladespule 314 aktiviert wurde. Obwohl es hier als Low-Side-Pulldown-Schalter dargestellt ist, kann das gemultiplexte Vorladesteuerungssignal 522 ein digitales Signal sein, das von dem BCM 208 an das BDM 214 übertragen wird und dann decodiert wird, um das Vorladeschütz zu aktivieren. Außerdem kann das gemultiplexte Vorladesteuerungssignal 522 ein digitales Signal sein, dass bei einer Frequenz moduliert wurde, die sich von den niedrigen Frequenzen oder der Gleichspannung unterscheidet, die verwendet werden, um die Impedanz des Nebenschlusses 406 und der Verbindungen des Nebenschlusses 406 zu überwachen.
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Hier wird gezeigt, dass der gemultiplexte Strom aus der zweiten Erfassungsleitung und der Niederspannungsstromquelle 502 Strom für die elektrischen Schaltungen des BDM einschließlich einer Spule 516A des positiven Hauptschützes, einer Spule 516B des negativen Hauptschützes und der Vorladespule 314 bereitstellt und dazu verwendet wird, das Vorhandensein und die Impedanz des Nebenschlusses 406 zu erfassen. Die Art des Widerstands sowohl der ersten als auch der zweiten Erfassungsschaltung 524 bzw. 526 kann ein Hochpräzisionswiderstand sein, sodass bei Messung der Impedanz des Nebenschlusses 406 in Reihe mit der Vorladespule 314 die Impedanz des Nebenschlusses 406 und der Verbindungen des Nebenschlusses zum BDM genau bestimmt werden kann. Weiterhin macht, da der Stromfluss aus der CONT_PWR 502 auf die gleiche gemultiplexte Stromleitung gemultiplext wird, die von der PC_CTRL 522 unabhängige Rückführung der CONT_PWR 502 getrennte Führungen der Stromflüsse möglich, die die Isolierung unterstützen, sodass ein genauer Messwert ermittelt werden kann.
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5D ist ein schematisches Diagramm, das eine interne Schaltung 530 veranschaulicht, die mehrere Kurzschlussbügel für die Hochspannungsverriegelung, Vorladeschützsteuerung und Leistung über zwei Leiter zwischen dem BCM und dem BDM bereitstellt. Hier werden zwei zusätzliche Steckverbinder hinzugefügt, die jeweils einen Nebenschluss benötigen. Ein zweiter Kurzschlussbügel oder ein zweiter Nebenschluss 532 ist einer zweiten Nebenanschlussschaltung 534 zugeordnet und ein dritter Kurzschlussbügel oder ein dritter Nebenschluss 536 ist einer dritten Nebenanschlussschaltung 538 zugeordnet. Aufgrund der zusätzlichen Verbindungen jedes Steckverbinders kann sich die Impedanz der Hochspannungsverriegelungsschaltung erhöhen. Weiterhin kann die erste Erfassungsschaltung 524, obwohl sie mit einem Pulldown-Schalter als Massepotential dargestellt ist, auch so konfiguriert sein, dass sie einen Pulldown-Schalter aufweist, der sie auf eine Spannung über dem Massepotential herunterzieht, so kann der Pulldown-Schalter beispielsweise mit einer Zenerdiode oder einer anderen Spannungsreferenz derart in Serie geschaltet sein, dass der Pulldown-Schalter die Spannung nur um eine Spannung verringern kann, die niedriger ist als die Niederspannungsversorgung. Beispielsweise würde, wenn die CONT_PWR 12 V beträgt, die Verwendung eines Low-Side-Pulldown-Schalters als Massepotential dazu führen, dass etwa 12 V an die Vorladespule 314 angelegt würden. Wenn jedoch der Pulldown-Schalter mit einem Regler in Reihe geschaltet ist, dann könnte ein Low-Side-Pulldown zum Regler die Spannung von 12 V auf 10 V verringern, was einer Differenz von 2 Volt entspricht. Dieses reduzierte Spannungssignal kann nützlich sein, um ein digitales Signal von dem BCM 208 zum BDM 214 zu modulieren, wobei das digitale Signal einem Logikpegel oder TTL-Pegel anstatt dem Pegel der Niederspannungsbatterie entspricht. Weiterhin kann die Modulation auf einer bestimmten Anzahl an Bits, wie etwa 4-Bit, 8-Bit, 16-Bit, 32-Bit oder mehr beruhen. Im Allgemeinen kann ein Low-Side-Schalter ein NPN-Transistor, ein BJT oder ein N-Kanal-MOSFET sein.
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Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon implementiert werden, die/der eine bereits bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine spezielle elektronische Steuereinheit einschließen kann. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen, darunter unter anderem Information, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie Nur-Lese-Speicher(ROM)-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeichern (RAM) und weiteren magnetischen und optischen Medien gespeichert sind, durchführbar sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt ausgeführt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten ausgeführt werden, wozu etwa anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Anordnungen (FPGA), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstige Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder eine Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten zählen.
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Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche eingeschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen eventuell so beschrieben wurden, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellen oder bevorzugt werden, wird der Durchschnittsfachmann doch erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die sich nach der spezifischen Anwendung und Umsetzung richten. Diese Attribute können unter anderem Folgendes einschließen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
