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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sowie ein Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen Vorrichtung.
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Im Fall eines Kurzschlusses in Hochvoltsystemen von elektrisch antreibbaren Fahrzeugen muss die Hochvoltbatterie abgetrennt werden, um Schäden an Kabeln und Steckern zu vermeiden. Dies stellt insbesondere für Kabel mit geringem Querschnitt eine Herausforderung dar.
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Die
DE 10 2015 217 190 A1 offenbart einen Stromverteiler für ein Bordnetz eines Fahrzeugs. Der Stromverteiler ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Energiespeicher (insbesondere einen HV Energiespeicher wie z. B. einen Li-lonen-Akkumulator mit einer Vielzahl von Speicherzellen) mit einer Vielzahl von HV-Komponenten elektrisch leitend zu koppeln. Der Stromverteiler umfasst eine Speicherleitung für eine erste Polarität und eine Speicherleitung für eine zweite Polarität, eine erste und eine zweite Komponentenleitung für die erste Polarität, sowie eine erste und eine zweite Komponentenleitung für die zweite Polarität. Des Weiteren umfasst der Stromverteiler Sicherungsmittel mit einem ersten thermisch trennbaren Pfad und einem zweiten thermisch trennbaren Pfad, wobei die erste Komponentenleitung für die zweite Polarität über den ersten thermisch trennbaren Pfad mit der Speicherleitung für die zweite Polarität gekoppelt ist und wobei die zweite Komponentenleitung für die zweite Polarität über den zweiten thermisch trennbaren Pfad mit der Speicherleitung für die zweite Polarität gekoppelt ist. Die Sicherungsmittel sind derart ausgelegt, dass wenn bei einem Überlast- oder Kurzschlussfall zwischen der ersten Komponente und dem Energiespeicher der erste thermisch trennbare Pfad getrennt wird, auch der zweite thermisch trennbare Pfad getrennt wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einer solchen verbesserten Vorrichtung anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, welches im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist, welche einen Schutzschalter, insbesondere einen elektronischen Schutzschalter, aufweist, mit einer Ansteuerungseinheit für den Schutzschalter, welche zum Verarbeiten von Signalen wenigstens einer Strommesseinrichtung und wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung ausgebildet ist. Die Strommesseinrichtung ist zum Bestimmen eines Stroms wenigstens einer Hochvoltleitung ausgebildet. Die wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung ist zum Bestimmen einer Temperatur in der Hochvoltleitung ausgebildet. Dabei ist die Hochvoltbatterie mittels des Schutzschalters von dem Hochvoltsystem trennbar, wenn ein Stromgrenzwert der wenigstens einen Hochvoltleitung oder wenn ein Temperaturgrenzwert der wenigstens einen Hochvoltleitung überschritten ist.
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Das Hochvoltsystem des Fahrzeugs, das mit der Hochvoltbatterie verbunden ist, wird deaktiviert durch Öffnen des Schutzschalters der Hochvoltbatterie, wobei der Schutzschalter durch eine als Hardwaresteuerung ausgebildete Ansteuerungseinheit des Hochvoltsystems aktiviert wird. Die Hardwaresteuerung kann durch Messen des Stroms in der Hochvoltleitung eines Verbrauchers, beispielsweise dem Elektroantrieb des Fahrzeugs, oder über eine Temperaturmessung in der Hochvoltleitung getriggert werden.
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Der Vorteil einer Hardwaresteuerung ist, dass das Öffnen des Schutzschalters dabei nicht von Software gesteuert werden muss, also einen höheren Sicherheitsfaktor bietet. Die vorgeschlagene Lösung ist billiger als andere Lösungen wie beispielsweise Schmelzsicherungen, welche nach Auslösen aufwendig durch Öffnen des Batteriegehäuses getauscht werden müssen. Elektronische Sicherungen können zwar durch Software einen Reset erhalten, weisen jedoch im Betrieb Leistungsverluste auf, sodass die Effizienz geringer ist. Elektronische Sicherungen sind außerdem teurer.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Hardwaresteuerung die Sicherheit durch Redundanz erhöht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung können Temperaturmesseinrichtungen zum Bestimmen der Temperatur in einer Hochvoltleitung mit positivem Potential und in einer Hochvoltleitung mit negativem Potential ausgebildet sein. Insbesondere können die Temperaturmesseinrichtungen an Engstellen der Hochvoltleitungen angeordnet sein. Dadurch kann eine sehr genaue Bestimmung der Temperatur in der Hochvoltleitung vorgenommen werden. Gerade Engstellen in der Hochvoltleitung können so sicher überwacht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann ein Differenzwertgeber zum Bestimmen einer Differenz zwischen den Temperaturen der beiden Hochvoltleitungen vorgesehen sein. Eine größere Differenz in der Temperatur zwischen beiden Potentialen kann auf einen Defekt des Hochvoltsystems hindeuten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Ansteuerungseinheit zum Auswerten der Differenz der beiden Temperaturen und der Absolutwerte der beiden Temperaturen, insbesondere über Absolutwertgeber, ausgebildet sein. Die Ansteuerungseinheit kann auf Basis der bestimmten Werte für die Temperaturen bzw. der Differenz der Temperaturen zwischen den beiden Potentialen eine sichere Entscheidung zum Auslösen des Schutzschalters treffen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann wenigstens ein Integrator zum Bestimmen eines Stromintegralwerts des mittels der Strommesseinrichtung bestimmten Stroms vorgesehen sein. Dabei können zeitliche Schwankungen des Stroms ausgemittelt werden und dadurch die Entscheidung zum Auslösen des Schutzschalters auf einer sicheren Basis getroffen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Ansteuerungseinheit zum Auslösen eines Trennsignals für den Schutzschalter ausgebildet sein, wenn wenigstens ein Grenzwert für die Differenz der Temperaturmesswerte, oder ein Grenzwert für die absoluten Temperaturmesswerte, oder ein Grenzwert für die Stromintegralwerte überschritten ist. Der Schutzschalter kann so ausgelöst werden, abhängig davon, welcher Grenzwert zuerst überschritten wird. Auch kann so eine Entscheidung über eine Priorisierung der verschiedenen Grenzwerte nach Einschätzung des Risikopotentials für der verschiedenen Komponenten getroffen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Schutzschalter zum mehrmaligen Trennen der Hochvoltbatterie, insbesondere unter hoher Last, ausgebildet sein. Der Schutzschalter kann beispielsweise als sogenannter „Breaktor“ ausgebildet sein, der auch unter Last sehr schnell und öfter trennen kann, beispielsweise um bis zu einem Faktor zehn schneller als herkömmliche Trennschalter. Ein solcher Schutzschalter ist in der Lage, intern auftretende Lichtbögen innerhalb des Schaltelements sehr schnell zu löschen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit einer Vorrichtung vorgeschlagen, wobei das Hochvoltsystem im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist, welche einen Schutzschalter, insbesondere einen elektronischen Schutzschalter, aufweist. Mittels einer Ansteuerungseinheit für den Schutzschalter werden Signale wenigstens einer Strommesseinrichtung und wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung verarbeitet, wobei die Strommesseinrichtung einen Strom wenigstens einer Hochvoltleitung bestimmt, und wobei die wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung eine Temperatur in der Hochvoltleitung bestimmt. Dabei wird die Hochvoltbatterie mittels des Schutzschalters von dem Hochvoltsystem getrennt, wenn der Strom der wenigstens einen Hochvoltleitung einen Stromgrenzwert überschreitet oder wenn die Temperatur der Hochvoltleitung einen Temperaturgrenzwert überschreitet.
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Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Hochvoltsystem des Fahrzeugs, das mit der Hochvoltbatterie verbunden ist, deaktiviert durch Öffnen des Schutzschalters der Hochvoltbatterie, wobei der Schutzschalter durch eine als Hardwaresteuerung ausgebildete Ansteuerungseinheit des Hochvoltsystems aktiviert wird. Die Hardwaresteuerung kann durch Messen des Stroms in der Hochvoltleitung eines Verbrauchers, beispielsweise dem Elektroantrieb des Fahrzeugs, oder über eine Temperaturmessung in der Hochvoltleitung getriggert werden.
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Der Vorteil bei dem Verfahren ist, dass das Öffnen des Schutzschalters dabei nicht von Software gesteuert werden muss, sondern mittels einer Hardwaresteuerung erfolgt, und damit einen höheren Sicherheitsfaktor bietet. Die vorgeschlagene Lösung ist billiger als andere Lösungen wie beispielsweise Schmelzsicherungen, welche nach Auslösen aufwendig durch Öffnen des Batteriegehäuses getauscht werden müssen. Elektronische Sicherungen können zwar durch Software einen Reset erhalten, weisen jedoch im Betrieb Leistungsverluste auf, sodass die Effizienz geringer ist. Elektronische Sicherungen sind außerdem teurer.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Hardwaresteuerung die Sicherheit durch Redundanz erhöht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Temperatur in einer Hochvoltleitung mit positivem Potential und eine Temperatur in einer Hochvoltleitung mit negativem Potential bestimmt werden. Insbesondere kann dabei eine Differenz zwischen den Temperaturen der beiden Hochvoltleitungen bestimmt werden. Insbesondere kann die Temperatur an Engstellen der Hochvoltleitungen bestimmt werden. Dadurch kann eine sehr genaue Bestimmung der Temperatur in der Hochvoltleitung vorgenommen werden. Gerade Engstellen in der Hochvoltleitung können so sicher überwacht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Trennsignal für den Schutzschalter ausgelöst werden, wenn wenigstens ein Grenzwert für die Differenz der Temperaturmesswerte, oder wenigstens ein Grenzwert für die absoluten Temperaturmesswerte, oder wenigstens ein Grenzwert für Stromintegralwerte überschritten ist. Der Schutzschalter kann so ausgelöst werden, abhängig davon, welcher Grenzwert zuerst überschritten wird. Auch kann so eine Entscheidung über eine Priorisierung der verschiedenen Grenzwerte nach Einschätzung des Risikopotentials für der verschiedenen Komponenten getroffen werden
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine Systemübersicht einer Vorrichtung zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, welches mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der Figur sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figur zeigt lediglich ein Beispiel und ist nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt eine Systemübersicht einer Vorrichtung 100 zum Deaktivieren eines Hochvoltsystems 20 eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs, welches mit einer Hochvoltbatterie 10 verbunden ist, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Hochvoltbatterie 10, welche die Batteriezellen 12, eine interne Trennstelle 14 sowie einen Schutzschalter 16 aufweist, ist mit dem Hochvoltsystem 20 über zwei Hochvoltleitungen 50, 52 verbunden.
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Das Hochvoltsystem 20 weist eine Leistungsverteilungseinheit (Power Distribution Unit = PDU) 22 auf, welche über Hochvoltleitungen 54, 56 weitere Hochvoltkomponenten 70 versorgt.
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Die Vorrichtung 100 zum Deaktivieren des Hochvoltsystems 20 im Fall eines Fehlers im Hochvoltsystem 20 oder den angeschlossenen Hochvoltkomponenten 70 weist eine Ansteuerungseinheit 28 für den Schutzschalter 16 auf, welche zum Verarbeiten von Signalen wenigstens einer Strommesseinrichtung 30 und wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung 40, 42 ausgebildet ist. Die Strommesseinrichtung 30 ist zum Bestimmen eines Stroms in einer der beiden Hochvoltleitungen 54, 56 ausgebildet. Temperaturmesseinrichtungen 40, 42 zum Bestimmen einer Temperatur sind in der Hochvoltleitung 54 mit positivem Potential und in der Hochvoltleitung 56 mit negativem Potential angeordnet. Insbesondere können die Temperaturmesseinrichtungen 40, 42, wie in 1 durch die dünneren Linien der Hochvoltleitungen 54, 56 angedeutet, an Engstellen 60, 62 der Hochvoltleitungen 54, 56 angeordnet sein. Engstellen 60, 62 erhitzen sich thermisch zuerst beim Ansteigen des Stroms und eignen sich deshalb besser zum Detektieren einer Fehlfunktion.
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Die Hochvoltbatterie 10 kann so mit der Vorrichtung über den Schutzschalter 16 von dem Hochvoltsystem 20 getrennt werden, wenn ein Stromgrenzwert der Hochvoltleitung 56 oder wenn ein Temperaturgrenzwert in den Hochvoltleitungen 54, 56 überschritten ist.
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Die Signale der beiden Temperaturmesseinrichtungen 40, 42, welche beispielsweise als Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) ausgebildet sein können, werden über einen Differenzwertgeber 44 zum Bestimmen einer Differenz zwischen den Temperaturen der beiden Hochvoltleitungen 54, 56 der Ansteuerungseinheit 28 zugeführt. Parallel werden die Temperaturmesswerte über Absolutwertgeber 46, 48 der Ansteuerungseinheit 28 zugeführt. Die Ansteuerungseinheit 28 wertet die Differenz der beiden Temperaturen und die Absolutwerte der beiden Temperaturen aus.
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Die Strommesseinrichtung 30 wird über einen Mikrocontroller 26 betrieben, welcher wiederum über eine CAN-Schnittstelle 24 und einen CAN-Leitung 64 mit der Hochvoltbatterie 10 verbunden ist.
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Die Strommesswerte werden über zwei Integratoren 32, 34 zum Bestimmen eines Stromintegralwerts des mittels der Strommesseinrichtung 30 bestimmten Stroms ebenfalls der Ansteuerungseinheit 28 zugeführt.
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Die Ansteuerungseinheit 28 ist zum Auslösen eines Trennsignals für den Schutzschalter 16 ausgebildet, wenn wenigstens ein Grenzwert für die Differenz der Temperaturmesswerte, oder ein Grenzwert für die absoluten Temperaturmesswerte, oder ein Grenzwert für die Stromintegralwerte überschritten ist. Dazu kann die Ansteuerungseinheit 28 eine entsprechende Oder-Funktion (OR) zur Verknüpfung der Eingangssignale aufweisen.
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Es können auch unterschiedliche Stromgrenzwerte oder Temperaturmesswerte als Abschaltbedingung definiert werden. Ein zeitlicher Anstieg der Messwerte kann zur Diskriminierung von unterschiedlich schnell erfolgenden Abschaltsignalen herangezogen werden.
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Die Ansteuerungseinheit 28 schickt dann das Trennsignal über die Steuerleitung 66 an den Schutzschalter 16 der Hochvoltbatterie 10.
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Der Schutzschalter 16, der beispielsweise als sogenannter „Breaktor“ ausgebildet sein kann, ist zum mehrmaligen Trennen der Hochvoltbatterie 10, insbesondere unter hoher Last, ausgebildet.
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Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 kann so das Hochvoltsystem 20 eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs über einen Schutzschalter 16, insbesondere einen elektronischen Schutzschalter 16, der Hochvoltbatterie 10 deaktiviert werden, indem mittels einer Ansteuerungseinheit 28 des Hochvoltsystems 20 für den Schutzschalter 16 Signale wenigstens einer Strommesseinrichtung 30 und wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung 40, 42 verarbeitet werden. Die Hochvoltbatterie 10 wird auf diese Weise mittels des Schutzschalters 16 von dem Hochvoltsystem 20 getrennt, wenn der Strom der wenigstens einen Hochvoltleitung 54, 56 einen Stromgrenzwert überschreitet oder wenn die Temperatur der Hochvoltleitung einen Temperaturgrenzwert überschreitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltenergiespeicher
- 12
- Batteriezellen
- 14
- Trennstelle
- 16
- Schutzschalter
- 20
- Hochvoltsystem
- 22
- Leistungsverteilungseinheit
- 24
- CAN-Schnittstelle
- 26
- Mikrocontroller
- 28
- Ansteuerungseinheit
- 30
- Strommesseinrichtung
- 32
- Integrator
- 34
- Integrator
- 40
- Temperaturmesseinrichtung
- 42
- Temperaturmesseinrichtung
- 44
- Differenzwertgeber
- 46
- Absolutwertgeber
- 48
- Absolutwertgeber
- 50
- Hochvoltleitung
- 52
- Hochvoltleitung
- 54
- Hochvoltleitung
- 56
- Hochvoltleitung
- 60
- Engstelle
- 62
- Engstelle
- 64
- CAN-Leitung
- 66
- Steuerleitung
- 70
- Hochvoltkomponenten
- 100
- Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015217190 A1 [0003]
