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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Hochvolt-Bordnetz sowie ein Steuerverfahren für ein derartiges Hochvolt-Bordnetz eines derartigen Kraftfahrzeugs.
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Zur Absicherung eines Hochvolt-Bordnetzes in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug werden zurzeit mehrere verschiedene Komponenten in das Hochvolt-Bordnetz integriert. Bei einer dieser Komponenten handelt es sich um eine Sicherung, mit der im Falle eines Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz die Batterie sicher von den anderen Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes abgetrennt wird, wie es zum Beispiel im Falle eines Unfalls des Kraftfahrzeugs sinnvoll ist. Zudem ist in das Hochvolt-Bordnetz ein Schaltelement integriert, mit dem das Hochvolt-Bordnetz beispielsweise bei einem Fehlerfall der Batterie in einen abgesicherten Zustand überführt wird. Als weitere Komponente weist ein Hochvolt-Bordnetz üblicherweise eine Vorladeschaltung auf, durch die kontrolliert die Spannung in unterschiedlichen Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes angepasst werden kann, bevor diese Teilnetze über ein Schaltelement miteinander verbunden werden.
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Bei diesen drei Komponenten handelt es sich doch jeweils um separate Komponenten, welche jeweils angesteuert werden müssen, Bauraum im Kraftfahrzeug benötigen und gegenseitig zu synchronisieren sind. Zum Beispiel können zwei Teilnetze erst über das Schaltelement verbunden werden, wenn die Vorladung abgeschlossen ist. Zudem ist für jede Komponente des Absicherungssystems für das Hochvolt-Bordnetz eine eigene Komponentendiagnose vorzusehen.
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In der
DE 102 51 589 A1 wird ein Bordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen beschrieben, in denen jeweils eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht. Ein Verbraucher ist über zwei verschiedene Versorgungswege mit einer Versorgungsspannung beaufschlagbar, wobei die beiden Versorgungswege durch Entkopplungsmittel voneinander entkoppelt sind. Das beschriebene Bordnetzmodul verschaltet somit über mehrere Schalter zwei Bordnetze miteinander, wobei eine erste Spannung eines ersten Bordnetzes und eine zweite Spannung eines zweiten Bordnetzes aneinander angepasst werden und ein Strom gemessen wird.
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In der
DE 103 46 325 A1 wird eine Schaltvorrichtung zum bidirektionalen Ladungsausgleich zwischen Energiespeichern beschrieben, wobei es sich hierbei insbesondere um kapazitive Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz handelt. Die Schaltvorrichtung umfasst als Schaltelemente mindestens zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sowie Strommessmodule, mit denen Hilfe das Bordnetz geschaltet wird.
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In der
DE 10 2014 205 877 A1 wird eine Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen Isolation bei einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Diese Überwachungsvorrichtung umfasst eine Spannungsquelle, eine Spannungsmesseinheit, eine Strommesseinheit sowie eine Ermittlungseinheit. Mit der Ermittlungseinheit wird letztendlich ein Isolationswiderstand zwischen dem Bordnetz und einer elektrischen Masse aus Spannungsmesswerten der Spannungsmesseinheit, Strommesswerten der Strommesseinheit sowie dem ersten und zweiten Spannungswert ermittelt wird. Falls mit der Vorrichtung ein Kurzschluss erkannt wird, wird eine Hochvolt-Batterie durch Öffnen mehrerer Schalter vom Hochspannungsbordnetz getrennt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einfachen technischen Mitteln besonders zuverlässig abgesichert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs sowie ein Steuerverfahren für ein derartiges Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gelöst.
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Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, das zumindest zwei Teilnetze aufweist, umfasst zumindest die folgenden Komponenten: eine Strommesseinheit zur Detektion eines Kurzschlussstroms bei einem Kurzschluss in dem Hochvolt-Bordnetz, zumindest ein Schaltelement zum Verbinden und Trennen einer elektrischen Verbindung in dem Hochvolt-Bordnetz und eine Steuereinheit zum Erkennen des Kurzschlusses anhand des detektierten Kurzschlussstroms und zum Ansteuern des zumindest einen Schaltelements derart, dass im Falle des erkannten Kurzschlusses die elektrische Verbindung getrennt ist, wobei die Steuereinheit zusätzlich dazu ausgebildet ist, das zumindest eine Schaltelement zur Anpassung einer elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei Teilnetzen anzusteuern.
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Es ist somit erfindungsgemäß eine Schaltvorrichtung zum Schalten des für Hochvolt-Spannungen ausgebildeten internen Hochvolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei dieses Hochvolt-Bordnetz in mindestens zwei Teile, sogenannte Teilnetze, unterteilbar ist. Das Hochvolt-Bordnetz kann beispielsweise für elektrische Gleichspannungen zwischen 60 V und 800 V ausgebildet sein. Die Schaltvorrichtung für dieses Hochvolt-Bordnetz umfasst mindestens drei Komponenten, und zwar eine Komponente zum Messen eines Stromes, mindestens eine Komponente zum Schließen und Öffnen einer elektrischen Verbindung, das heißt mindestens ein Schaltelement, sowie eine Komponente zum Ansteuern verschiedener Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes.
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Die Strommesseinheit ist dazu ausgebildet, im Falle eines Kurzschlusses in dem Hochvolt-Bordnetz, den entsprechenden dabei auftretenden Kurzschlussstrom zu messen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf dem von der Strommesseinheit gemessenen Kurzschlussstrom festzustellen, ob ein Kurzschluss im Hochvolt-Bordnetz vorliegt und daraufhin das mindestens eine Schaltelement derart zu schalten, dass die elektrische Verbindung geöffnet und somit getrennt ist. Zudem ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine Vorladeschaltung mithilfe einer entsprechenden Ansteuerung des mindestens einen Schaltelements zu realisieren. Das heißt, mithilfe einer entsprechenden Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements durch die Steuereinheit wird eine kontrollierte Spannungsanpassung zwischen den mindestens zwei Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes erreicht.
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Die Strommesseinheit zur Detektion des potenziellen Kurzschlussstroms im Hochvolt-Bordnetz umfasst beispielsweise einen Stromwandler oder ein entsprechendes Spannungsmesselement zum Messen eines Spannungsabfalls an dem zumindest einen Schaltelement der Schaltvorrichtung oder an einem Widerstand. Die Strommesseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, dass diese den Kurzschlussstrom innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer, beispielsweise geringer als 1 ms, erfassen kann. Hierzu kann dies Strommesseinheit mit einer entsprechenden Abtastrate beziehungsweise Messwiederholrate betrieben werden. Das zumindest eine Schaltelement, bei dem es sich beispielsweise um mindestens einen schnell schaltenden Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), wie einen SiC-MOSFET, handelt, ist hinsichtlich des maximal auftretenden Kurzschlussstroms ausgebildet und kann diesen Strom relativ schnell und ohne dass Schäden im Hochvolt-Bordnetz entstehen abschalten. Beispielsweise kann das Schaltelement zwei antiseriell verschaltete Transistoren aufweisen. Durch diese antiserielle Verschaltung kann ein Stromfluss verhindert werden. Zudem ist dieses Schaltelement dazu ausgebildet, die im normalen Betrieb des Hochvolt-Bordnetzes auftretenden Dauerströme zu tragen. Der maximal auftretende Kurzschlussstrom ist hierbei abhängig von der verwendeten in das Hochvolt-Bordnetz integrierten Hochvolt-Batterie des Kraftfahrzeugs.
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Die Steuereinheit umfasst zum Beispiel eine Mikrocontrollereinheit, mit der eine intelligente oder analoge Steuerung des zumindest einen Schaltelements möglich ist. Mit dieser Mikrocontrollereinheit, die einen Mikrocontroller aufweisen kann, erfolgt zum einen das Trennen der elektrischen Verbindung im Hochvolt-Bordnetz im Falle eines erkannten Kurzschlusses durch entsprechendes Ansteuern des zumindest einen Schaltelements und zum anderen die Anpassung der elektrischen Spannung zwischen den mindestens zwei Teilnetzen des Hochvolt-Boardnetzes, ebenfalls durch entsprechendes Ansteuern des zumindest einen Schaltelements.
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Mit dieser Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz wird somit mit nur einer einzigen Komponenten sowohl eine Sicherung des Hochvolt-Boardnetzes im Falle eines Kurzschlusses, das Schalten des Hochvolt-Bordnetzes in einen sicheren Zustand in einem Fehlerfall der Hochvolt-Batterie und die kontrollierte Spannungsanpassung zwischen Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes, das heißt Vorladeschaltungen zwischen den Teilnetzen, bereitgestellt. Entsprechende schützende Relais für Hochvoltkomponenten sind somit nicht mehr nötig. Zudem treten sogenannte Schützkleber nicht auf. Insgesamt können dadurch letztendlich die Baukosten für eine solche Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz reduziert und deren Zuverlässigkeit erhöht werden. Bei einer derartigen Schaltvorrichtung ist es zudem nicht mehr notwendig, Sicherungen innerhalb der Schaltvorrichtung auszutauschen, da es bei einem Abschalten des Kurzschlussstroms nicht zu einem Defekt innerhalb der Schaltvorrichtung und somit zu keinem Durchbrennen von Sicherungen kommt. Die Schaltvorrichtung kann hierbei auf eine vorbestimmte maximale Anzahl von Abschaltvorgängen ausgelegt sein, beispielsweise auf zehn derartige Schaltvorgänge. Als Rückfallebene kann jedoch optional weiterhin eine Sicherung in der Schaltvorrichtung vorgesehen sein, die nur dann ausgelöst wird, wenn die Kurzschlussströme im Fehlerfall der Hochvolt-Batterie so hoch sind, dass ein sicheres Abschalten durch das zumindest eine Schaltelement nicht mehr möglich ist. In einer solchen Situation könnte das Abschalten durch das zumindest eine Schaltelement bewusst verhindert werden.
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Mithilfe der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann also ein mehrere Teilnetze umfassendes Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit relativ einfachen technischen Mitteln besonders zuverlässig abgesichert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung eine Überspannungsbegrenzungseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine durch das Ansteuern des zumindest einen Schaltelements auftretende Überspannung in dem Hochvolt-Bordnetz zu reduzieren. Die Schaltvorrichtung umfasst somit zudem eine Komponente zum Verringern einer möglichen Überspannung, die durch das Verbinden und Trennen der elektrischen Verbindung in dem Hochvolt-Bordnetz mittels des zumindest eine Schaltelement auftreten kann. Bei dieser Überspannungsbegrenzungseinheit handelt es sich beispielsweise um einen Freilaufpfad innerhalb der Schaltvorrichtung. Der Freilaufpfad kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass er dämpfend auf die Schaltvorrichtung wirkt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Überspannungsbegrenzungseinheit als Dämpfung am Schaltelement und/oder am geschalteten Pfad ausgebildet sein, das heißt sie ist dazu ausgebildet, ein Reduzieren oder Verzögern des durch den Schaltvorgang erzeugten Spannungsmaximums zu realisieren. Hierfür eignet sich beispielsweise eine in die Schaltvorrichtung integrierte RC-Schutzbeschaltung beziehungsweise einen Filter. Hierdurch können im Hochvolt-Bordnetz auftretende Überspannungen besonders vorteilhaft und zeitnah nach ihrem Auftreten reduziert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine durch das Ansteuern des zumindest einen Schaltelements auftretende Überspannung in dem Hochvolt-Bordnetz zu verringern, indem diese das zumindest eine Schaltelement derart ansteuert, dass die elektrische Verbindung wiederholt verbunden und getrennt ist. Falls die Spannung einen Schwellwert überschreitet, kann das Schaltelement kurzzeitig wieder durchgesteuert beziehungsweise geschlossen werden, bis die Überspannung wieder abgebaut ist. Dies kann auch als Active Clamping bezeichnet werden. Das zumindest eine Schaltelement ist also dazu ausgebildet, immer dann die elektrische Verbindung in dem Hochvolt-Bordnetz kurzzeitig zu trennen, wenn eine vorbestimmte Grenzspannung überschritten wird und daraufhin wieder zu verbinden, wobei der Wechsel zwischen Trennen und Verbinden der elektrischen Verbindung so lange wiederholt werden, bis die Überspannung abgebaut wurde. Es ist also auch ohne zusätzliche Überspannungsbegrenzungseinheit möglich, im Hochvolt-Bordnetz auftretende Überspannungen zeitnah nach ihrem Auftreten abzubauen und somit die Schaltvorrichtung besonders sicher zu gestalten.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schaltelement dazu ausgebildet ist, eine in einem der Teilnetze angeordnete Hochvolt-Batterie von dem zumindest einen anderen Teilnetz des Hochvolt-Bordnetzes zu trennen. Das Hochvolt-Bordnetz umfasst somit eine entsprechende Batterie, beispielsweise zum Betreiben eines Elektromotors des Kraftfahrzeugs, sowie weitere als Teilnetze bezeichnete für Hochvolt-Spannung ausgebildete interne Netze zum Betreiben entsprechender Hochvolt-Verbraucher des Kraftfahrzeugs. Die Schaltvorrichtung kann somit als einzige benötigte Komponente sicherstellen, dass ein mehrere Komponenten umfassendes Hochvolt-Bordnetz in einem elektrifiziert Kraftfahrzeug zur Verfügung steht und mit einem hohen Sicherheitsstandard betrieben wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung zwei Schaltelemente aufweist, von denen das erste über einen ersten Pfad der Schaltvorrichtung mit einem positiven Pol der Hochvolt-Batterie und das zweite über einen zweiten Pfad der Schaltvorrichtung mit einem negativen Pol der Hochvolt-Batterie verbunden ist. Die Schaltvorrichtung kann also zwei Schaltelemente umfasst, die an unterschiedlichen Pfaden der Schaltvorrichtung vorgesehen sind und jeweils direkt oder indirekt über einen jeweiligen entsprechenden Pfad an dem Plusbeziehungsweise Minuspol der Hochvolt-Batterie angeschlossen sind.
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Hierdurch kann auch ein möglicherweise auftretender Umladevorgang zwischen den Erdkapazitäten von zwei Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes, die die gleiche Hochvolt-Spannung aufweisen, kontrolliert durchgeführt werden, und zwar bevor die Teilnetze vollständig miteinander verbunden sind. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn die beiden Teilnetze nicht symmetrisch zum Erdpotenzial sind. Es ist hierbei nicht notwendig, dass beide Schaltelemente als schnellschaltende Schaltelemente, beispielsweise als MOSFETs, ausgebildet sind. Es kann beispielsweise nur eines der Schaltelemente ein schnell schaltendes Schaltelement sein und das andere beispielsweise als relativ einfaches für Hochvolt-Spannungen ausgebildetes Relais oder als Schütz ausgeführt sein. Um die Sicherheit des Hochvolt-Bordnetzes weiter zu erhöhen, wäre auch eine Serienschaltung aus MOSFETs und Schützen als in die Schaltvorrichtung integriertes Schaltelement vorteilhaft. Durch die beschriebene Anordnung der zwei Schaltelemente in der Schaltvorrichtung wird außerdem ermöglicht, dass besonders schnell und in beiden Zweigen der Schaltvorrichtung gleichzeitig die Funktionen der Schaltvorrichtung durchführbar sind.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zur Anpassung der elektrischen Spannung zwischen den zumindest zwei Teilnetzen das zumindest eine Schaltelement mittels Pulsweitenmodulation anzusteuern. Die Vorladeschaltung zur kontrollierten Spannungsanpassung zwischen den verschiedenen Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes basiert also auf einer Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements mittels einer Modulationsart, bei der der Wert der elektrischen Spannung stets zwischen zwei Werten wechselt, wobei bei konstanter Frequenz der Tastgrad eines Rechteckpulses modelliert wird, also die Breite der ihn bildenden Impulse. Im Rahmen der Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eignet sich eine Ansteuerung des zumindest einen Schaltelements mittels Pulsweitenmodulation daher besonders vorteilhaft zum Realisieren einer kontrollierten Vorladeschaltung für die zum Teil unterschiedliche Spannungsebenen aufweisenden Teilnetze des Hochvolt-Bordnetzes. Alternativ oder zusätzlich kann durch die gepulste Ansteuerung des Schaltelements eine Vorladung eines Entstörkondensators beziehungsweise Y-Kondensators realisiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Vorladevorgang auch durch eine Strommessung, die mit der Strommesseinheit durchgeführt wird, besonders vorteilhaft überwacht und gesteuert werden. Hierzu kann die Steuereinheit das zumindest eine Schaltelement in Abhängigkeit vom erfassten Strom ansteuern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das zumindest eine Schaltelement zumindest ein Halbleiterschaltelement umfasst. Als Halbleiterschalter werden beispielsweise Feldeffekttransistoren (FET), wie beispielsweise MOSFETs, Bipolartransistoren, IGBTs und/oder Dioden eingesetzt. Halbleiterschalter zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie deutlich schneller als mechanische Relais oder mechanische Schaltkontakte geschalten werden können und zudem besonders verschleißfrei sind. Mithilfe von Halbleiterschaltern kann also im Falle eines Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz die Hochvolt-Batterie besonders schnell und zuverlässig vom restlichen Hochvolt-Bordnetz getrennt werden, sodass das Hochvolt-Bordnetz mithilfe der Schaltvorrichtung besonders sicher betrieben werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zur Anpassung der elektrischen Spannung und/oder zum Verhindern einer durch das Ansteuern des zumindest einen Schaltelements auftretenden Überspannung in dem Hochvolt-Bordnetz das zumindest eine Schaltelement für einen vorbestimmten Zeitraum in einem Linearbetrieb anzusteuern. Das zumindest eine Schaltelement, das als Halbleiterschaltelement beziehungsweise als Transistor ausgebildet ist, befindet sich also in einem Betriebszustand, in dem das entsprechende Halbleiterschaltelement weder voll ein- noch voll ausgeschalten ist, das heißt, es ist dazu ausgebildet, in einem Linearmodus betrieben zu werden.
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Durch einen kurzzeitigen Linearbetrieb des zumindest einen Schaltelements, das heißt durch ein relativ langsames Schalten des zumindest einen Schaltelements, kann zum einen die Überspannung, die normalerweise durch ein Ansteuern eines Schaltelements auftritt, verhindert werden, da dadurch Spannungsmaxima begrenzt werden. Zum anderen eignet sich der Betrieb eines Halbleiterschaltelements im Linearbetrieb dazu, eine Vorladeschaltung zur kontrollierten Spannungsanpassung zwischen verschiedenen Teilnetzen des Hochvolt-Bordnetzes zu realisieren. Ein Schaltelement, das dazu ausgebildet ist, in einem Linearbetrieb betrieben zu werden, eignet sich somit sowohl zum Verhindern einer Überspannung im Hochvolt-Bordnetz als auch zum Realisieren einer Vorladeschaltung. Ein derartiges Schaltelement kann somit alternativ zu einem Schaltelement, das für eine gepulste Ansteuerung ausgebildet ist, sowie den genannten alternativen Maßnahmen zum Reduzieren der Überspannung im Hochvolt-Bordnetz in die Schaltvorrichtung integriert sein. Dies ermöglicht, dass mit besonders geringem technischen Aufwand auf einem besonders kleinen Bauraum innerhalb der Schaltvorrichtung eine besonders sichere Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen Überstrom im Hochvolt-Bordnetz anhand einer von der Strommesseinheit gemessenen Stromanstiegszeit zu erkennen und bei einer vorbestimmten Stromanstiegszeit das zumindest eine Schaltelement derart anzusteuern, dass die elektrische Verbindung getrennt ist. Die Steuereinheit der Schaltvorrichtung ist also dazu ausgebildet, die Messdaten der Strommesseinheit ausführlich auszuwerten. Dies erfolgt in Form einer Analyse der Zeitintervalle, in denen ein bestimmter Stromanstieg beobachtet wird. Überschreitet die beobachtete Stromanstiegszeit einen vorbestimmten Grenzwert, ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das zumindest eine Schaltelement anzusteuern und dadurch ein Trennen der elektrischen Verbindungen in dem Hochvolt-Bordnetz zu bewirken. Eine Implementierung einer solchen adaptiven Überstromerkennung ist beispielsweise auf einer Steuereinheit, die als Mikrocontrollereinheit ausgeführt ist, möglich. Dies ermöglicht, dass die Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz zusätzlich hinsichtlich möglicher Überströme innerhalb des Hochvolt-Bordnetzes abgesichert ist und somit besonders vorteilhaft zur Verwendung in einem Hochvolt-Bordnetz in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug geeignet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen aktuell in den Teilnetzen benötigten Strombedarf von jeweiligen Teilnetzsteuereinheiten zu empfangen, anhand des übermittelten Strombedarfs einen Überstrom im Hochvolt-Bordnetz zu erkennt und im Falle des Überstroms das zumindest eine Schaltelement derart anzusteuern, dass die elektrische Verbindung getrennt ist. Eine adaptive Überstromerkennung kann also auch anhand des tatsächlichen Bedarfs an elektrischen Strom innerhalb der einzelnen Teilnetze des Hochvolt-Bordnetzes ermittelt werden. Hierfür sind entsprechende Steuerkomponenten der einzelnen Teilnetze dazu ausgebildet, jeweils den aktuellen Strombedarf in diesen Teilnetzen zu ermitteln. Die Steuereinheit der Schaltvorrichtung wiederum ist dazu ausgebildet, diese einzelnen aktuellen Strombedarfswerte der Teilnetze bereitgestellt zu bekommen und anhand dieser Werte den aktuellen Gesamtstrombedarf des Hochvolt-Bordnetzes zu bestimmen. Falls der tatsächlich von der Strommesseinheit ermittelte aktuell im Hochvolt-Bordnetz fließende Strom den aktuellen Gesamtstrombedarf überschreitet, ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das zumindest eine Schaltelement derart anzusteuern, dass die elektrische Verbindung des Hochvolt-Bordnetzes getrennt ist. Dadurch wird ein Abschalten der einzelnen Hochvoltkomponenten, das heißt der einzelnen Teilnetze, adaptiv durchgeführt. Diese Art der adaptiven Überstromerkennung kann ebenfalls beispielsweise auf einer Mikrocontrollereinheit implementiert werden. Hierdurch wird ebenfalls ermöglicht, dass die Schaltvorrichtung hinsichtlich möglicher Überströme innerhalb des Hochvolt-Bordnetzes abgesichert ist und somit besonders vorteilhaft in einem Hochvolt-Bordnetz in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug verwendbar ist.
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Erfindungsgemäß ist des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem Hochvolt-Bordnetz vorgesehen, welches zumindest zwei Teilnetze und eine Steuervorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, aufweist.
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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Steuerverfahren für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest zwei Teilnetze aufweist, vorgesehen. Dieses Steuerverfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: ein Detektieren eines Kurzschlussstroms bei einem Kurzschluss in dem Hochvolt-Bordnetz mit einer Strommesseinheit, ein Erkennen des Kurzschlusses anhand des detektierten Kurzschlussstroms durch eine Steuereinheit, ein Ansteuern zumindest eines Schaltelements durch die Steuereinheit im Falle des erkannten Kurzschlusses derart, dass eine elektrische Verbindung in dem Hochvolt-Bordnetz getrennt wird und ein Ansteuern des zumindest einen Schaltelements durch die Steuereinheit derart, dass eine elektrische Spannung zwischen den zumindest zwei Teilnetzen angepasst wird, falls die Teilnetze unterschiedliche elektrische Spannungen aufweisen. Mit diesem Steuerverfahren kann somit besonders vorteilhaft die oben beschriebene Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gesteuert werden.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz des Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung von Komponenten eines Hochvolt-Bordnetzes mit einer Schaltvorrichtung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 11 skizziert, das ein Hochvolt-Bordnetz 2 aufweist. Dieses Hochvolt-Bordnetz 2 umfasst eine Hochvolt-Batterie 3, eine Schaltvorrichtung 1 sowie drei Hochvolt-Verbraucher 4. Bei den Hochvolt-Verbrauchern 4 kann es sich beispielsweise um Motorgeneratoren und/oder einen Klimaanlagenkompressor handeln.
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In 2 sind die einzelnen Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes 2 skizziert. Dieses Hochvolt-Bordnetz 2 weist vorliegend zwei Teilnetze 12 und 13 auf, wobei die Hochvolt-Batterie 3 in einem ersten Teilnetz 12 und die Hochvolt-Verbraucher 4 in einem zweiten Teilnetz 13 angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung 1 weist eine Strommesseinheit 5, ein Schaltelement 6 und eine Steuereinheit 7 auf. Als optionale Komponenten der Schaltvorrichtung 1 sind in 2 zusätzlich eine Überspannungsbegrenzungseinheit 8, eine zweite Strommesseinheit 5' sowie ein zweites Schaltelement 6' skizziert.
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Die Strommesseinheit 5 der Schaltvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, einen Kurzschlussstrom bei einem Kurzschluss in dem Hochvolt-Bordnetz 2 zu detektieren. Die Strommesseinheit 5 kann beispielsweise einen Stromwandler oder einen Widerstand, an welchem ein Spannungsabfall gemessen wird, umfassen. Mittels der Strommesseinheit 5 kann der Kurzschlussstrom innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer, welche beispielsweise geringer als 1 ms ist, detektiert werden. Das Schaltelement 6 ist dazu ausgebildet, eine elektrische Verbindung in dem Hochvolt-Bordnetz 2 zu trennen bzw. zu verbinden. Das Schaltelement 6 kann zwei antiseriell geschaltete Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) umfassen. Die Steuereinheit 7 ist dazu ausgebildet, anhand des von der Strommesseinheit 5 detektierten Kurzschlussstroms einen Kurzschluss im Hochvolt-Bordnetz 2 zu erkennen und daraufhin das Schaltelement 6 entsprechend anzusteuern. Die Steuereinheit 7 kann einen Mikrocontroller beziehungsweise eine Mikrocontrollereinheit aufweisen. Die Ansteuerung des Schaltelements 6 durch die Steuereinheit 7 bewirkt, dass im Falle eines von der Steuereinheit 7 erkannten Kurzschlusses die elektrische Verbindung im Hochvolt-Bordnetz 2 getrennt ist. Die Schaltvorrichtung 1 ist somit dazu ausgebildet, das Hochvolt-Bordnetz 2 hinsichtlich eines potenziellen Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz 2 abzusichern. Generell ist die Schaltvorrichtung 1 auch dazu ausgebildet, die elektrische Verbindung zwischen der Hochvolt-Batterie 3 von dem Hochvolt-Verbraucher 4 zu trennen, was insbesondere im Falle eines Kurzschlusses oder bei einem Fehlerfall der Hochvolt-Batterie 3 sinnvoll ist.
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Zusätzlich dazu ist die Steuereinheit 7 dazu ausgebildet, das Schaltelement 6 derart anzusteuern, dass die elektrischen Spannungen zwischen den zwei Teilnetzen 12 und 13 des Hochvolt-Bordnetzes 2, also zwischen der Hochvolt-Batterie 3 und dem Hochvolt-Verbraucher 4, aneinander angepasst sind. Die Steuereinheit 7 dient somit ebenfalls als Vorladeschaltung zur kontrollierten Spannungsanpassung zwischen den einzelnen Teilnetzen 12 und 13 des Hochvolt-Bordnetzes 2.
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In 2 sind zudem die zwischen den einzelnen Komponenten der Schaltvorrichtung 1 übermittelten Daten und Befehle als Pfeile mit gestrichelten Linien dargestellt. Von der Strommesseinheit 5 werden Strommessdaten 15, wie beispielsweise Stromwerte oder Stromanstiegszeiten, an die Steuereinheit 7 übermittelt. Von der Steuereinheit 7 werden daraufhin die entsprechenden Steuerungsbefehle 16 an das Schaltelement 6 übermittelt, die Informationen dazu enthalten, ob die elektrische Verbindung des Hochvolt-Bordnetzes 2 verbunden oder getrennt sein soll.
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Die Schaltvorrichtung 1 weist zudem die optionale Überspannungsbegrenzungseinheit 8 auf, die dazu ausgebildet ist, eine durch das Ansteuern des Schaltelements 6 gemäß dem Steuerungsbefehle 16 auftretende Überspannung in dem Hochvolt-Bordnetz 2 zu reduzieren. Diese Überspannungsbegrenzungseinheit 8 kann beispielsweise durch einen Freilaufpfad oder eine RC-Schutzbeschallung in der Schaltvorrichtung 1 realisiert sein. Die Überspannung im Hochvolt-Bordnetz 2 kann jedoch auch durch eine entsprechende Ansteuerung des Schaltelements 6, das heißt durch einen entsprechenden Steuerungsbefehl 16 der Steuereinheit 7 an das Schaltelement 6, verhindert werden. Dieser Steuerungsbefehle 16 würde ein wiederholtes Verbinden und Trennen der elektrischen Verbindung im Hochvolt-Bordnetz 2 beinhalten. Die entsprechenden dafür benötigten in der Überspannungsbegrenzungseinheit 8 ermittelten Daten werden als Überspannungsdaten 18 an die Steuereinheit 7 übermittelt.
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Die Schaltvorrichtung 1 verfügt zudem über ein zweites Schaltelement 6' sowie eine zweite Strommesseinheit 5'. Diese beiden Elemente sind auf einem anderen Pfad der Schaltvorrichtung 1 angeordnet als das Schaltelement 6 und die Strommesseinheit 5. Daraus ergibt sich, dass das Schaltelement 6 und die Strommesseinheit 5 über einen Pfad mit dem Pluspol 9, das heißt dem positiven Pol, der Hochvolt-Batterie 3 verbunden sind, wohingegen das zweite Schaltelement 6' und die zweite Strommesseinheit 5` über einen anderen Pfad mit dem Minuspol 10, das heißt dem negativen Pol, der Hochvolt-Batterie 3 verbunden sind. Das zweite Schaltelement 6' kann beispielsweise als einfacher Schütz ausgeführt sein, das heißt als ein einfaches für Hochvolt-Spannungen ausgebildetes Relais. Die zweite Strommesseinheit 5' kann beispielsweise ebenfalls als Stromwandler ausgeführt sein. Die zweite Strommesseinheit 5' ist ebenfalls dazu ausgebildet, gemessene Strommessdaten 15' an die Steuereinheit 7 zu übermittelt, welche dazu ausgebildet ist, entsprechende Steuerungsbefehle 16' an das zweite Schaltelement 6' zu übermitteln. Hierdurch wird eine besonders schnelle und auf in unterschiedlichen Pfaden der Schaltvorrichtung 1 gemessenen Stromwerten basierende und dort durchgeführte Absicherung des Hochvolt-Bordnetzes 2 realisiert.
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Damit die Schaltvorrichtung 1 auch Vorladeschaltungen zur kontrollierten Spannungsanpassung zwischen den beiden Teilnetzen 12 und 13 umfasst, kann die Steuereinheit 7 dazu ausgebildet sein, das Schaltelement 6 mittels Pulsweitenmodulation anzusteuern. Im Falle eines Halbleiterschaltelements als Schaltelement 6 kann alternativ dazu das Schaltelement 6 in einem Linearbetrieb angesteuert werden, wodurch ebenfalls elektrische Spannungen zwischen den beiden Teilnetzen 12 und 13 des Hochvolt-Bordnetzes 2 angepasst werden können und somit eine Vorladeschaltung realisierbar ist. Ist die Steuereinheit 7 dazu ausgebildet, das Schaltelement 6 in einem Linearbetrieb anzusteuern, kann dadurch auch eine Überspannung in dem Hochvolt-Bordnetz 2, die durch das Schalten des Schaltelements 6 aufgetreten sein kann, verhindert werden. Die Steuereinheit 7 wäre dann also ebenfalls dazu ausgebildet, eine Überspannungsbegrenzung durchzuführen, wodurch die optionale Überspannungsbegrenzungseinheit 8 nicht mehr als individuelles Bauteil in der Schaltvorrichtung 1 benötigt wird.
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Die Steuereinheit 7 ist zudem dazu ausgebildet einen Überstrom im Hochvolt-Bordnetz 2 zu erkennen und diesem entgegenzuwirken. Hierfür können entsprechende Strommessdaten 15 beziehungsweise 15' der Strommesseinheiten 5 beziehungsweise 5' ausgewertet werden, und zwar beispielsweise die Stromanstiegszeiten oder die jeweiligen aktuellen Strombedarfswerte des Hochvolt-Verbrauchers 4. Die Steuereinheit 7 ist dann dazu ausgebildet, anhand dieser Strommessdaten 15 beziehungsweise 15' die Schaltelemente 6 beziehungsweise 6' derart anzusteuern dass die elektrische Verbindung getrennt ist und letztendlich der Überstrom abgebaut ist. Hierfür eignet sich ebenfalls beispielsweise eine Mikrokontrollereinheit als Steuereinheit 7.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Schaltvorrichtung 1 für ein Hochvolt-Bordnetz 2 eines Kraftfahrzeugs 11 bereitgestellt werden kann. Diese Schaltvorrichtung 1 umfasst zumindest eine Strommesseinheit 5, ein Schaltelement 6 sowie eine Steuereinheit 7 und ist dazu ausgebildet, im Falle eines Kurzschlusses im Hochvolt-Bordnetz 2 eine Hochvolt-Batterie 3 sicher von anderen Hochvolt-Verbrauchern 4 abzutrennen, das Hochvolt-Bordnetz 2 in einem Fehlerfall der Hochvolt-Batterie 3 in einen sicheren Zustand zu überführen und eine Vorladeschaltung zur kontrollierten Spannungsanpassung zwischen der Hochvolt-Batterie 3 und den Hochvolt-Verbrauchern 4 bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10251589 A1 [0004]
- DE 10346325 A1 [0005]
- DE 102014205877 A1 [0006]
