-
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für einen Stromkreis in einem Fahrzeug.
-
In Fahrzeugen, insbesondere in Elektrofahrzeugen, kommen Batterien mit hohen Spannungen zum Einsatz. Die Batterien führen hierbei konstant eine Spannung und lassen sich nicht ausschalten. Bei einer Fehlfunktion oder einem Schaden der Batterie oder des Stromkreises muss deshalb eine zuverlässige Trennung der Batterien vom übrigen Stromkreis sichergestellt sein, um den Stromkreis und die Fahrzeuginsassen vor Schäden und/oder Verletzungen zu schützen. Üblicherweise ist hierfür eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, die zwischen der Batterie und dem übrigen Stromkreis angeordnet ist. Die Sicherheitseinrichtung weist zumindest eine Vorrichtung zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie und dem Stromkreis auf.
-
Diese Sicherheitseinrichtungen müssen sehr zuverlässig funktionieren, um eine sichere Trennung der Batterie vom Stromkreis zu gewährleisten. Des Weiteren sollen solche Sicherheitseinrichtung möglichst kompakt ausgebildet sein, um die Sicherheitseinrichtung möglichst flexibel im Fahrzeug verbauen zu können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherheitseinrichtung für einen Stromkreis in einem Fahrzeug bereitzustellen, die eine Batterie zuverlässig vom Stromkreis des Fahrzeugs trennen kann, wobei die Sicherheitseinrichtung einen möglichst kleinen Bauraum aufweisen soll.
-
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Sicherheitseinrichtung für einen Stromkreis vorgesehen, insbesondere für einen Stromkreis in einem Fahrzeug, mit einer Batterie und zumindest einem Verbraucher, wobei die Sicherheitseinrichtung im Stromkreis angeordnet werden kann und die Batterie vom Stromkreis trennen kann. Die Sicherheitseinrichtung weist zumindest eine Schaltvorrichtung zum Unterbrechen des Stromkreises, eine Trennvorrichtung zur Unterbrechung des Stromkreises sowie eine Steuereinrichtung zur Überwachung des Stromkreislaufes und zur Steuerung der zumindest einen Schaltvorrichtung und der Trennvorrichtung auf. Die zumindest eine Schaltvorrichtung weist zumindest ein Halbleiterrelais auf.
-
Üblicherweise steuert die Steuerung die zumindest eine Schaltvorrichtung zum Trennen der Batterie vom Stromkreis an. Sollte eine Fehlfunktion der Schaltvorrichtung vorliegen oder eine zusätzliche Trennung des Stromkreises von der Batterie erforderlich sein, kann die Trennvorrichtung aktiviert werden. Als Schaltvorrichtung werden im Stand der Technik üblicherweise sogenannte Schütze, also elektrische oder elektromagnetische Schalter verwendet, die den Stromkreis unterbrechen können oder eine Verbindung herstellen können. Diese weisen aber einen relativ großen Bauraum auf. Zudem sind diese Schalter relativ empfindlich gegen mechanische Belastung, beispielsweise Stöße, Vibrationen oder Lageänderungen.
-
Halbleiterrelais weisen einen wesentlich geringeren Bauraum auf und sind mechanisch unempfindlicher. Die vorstehend beschriebene Sicherungseinrichtung ist somit wesentlich kleiner und unempfindlicher gegen mechanische Belastungen. Dadurch lässt sich die Sicherungseinrichtung wesentlich flexibler im Fahrzeug verbauen.
-
Die Sicherheitseinrichtung muss eine zuverlässige Trennung der Batterie vom Stromkreis gewährleisten. Beispielsweise weist die Sicherheitseinrichtung einen ersten Strompfad auf, der einen ersten Anschluss für einen ersten Batteriepol der Batterie und einen ersten Kontakt für den zumindest einen Verbraucher aufweist, wobei eine erste Schaltvorrichtung im ersten Strompfad vorgesehen ist. Durch die Schaltvorrichtung kann dieser Strompfad unmittelbar vom Stromkreis getrennt werden.
-
Vorzugsweise weist die Sicherheitseinrichtung zusätzlich einen zweiten Strompfad auf, der einen zweiten Anschluss für einen zweiten Batteriepol der Batterie und einen zweiten Kontakt für den zumindest einen Verbraucher aufweist, wobei der zweite Schaltvorrichtung im zweiten Strompfad vorgesehen ist. Durch die Sicherheitseinrichtung werden somit beide Pole der Batterie vom Stromkreis getrennt, sodass eine vollständige Trennung der Batterie vom Stromkreis gewährleistet ist.
-
Die Ladeströme beim Aufladen der Batterie weisen üblicherweise eine andere Charakteristik auf als die Ströme, die im regulären Betrieb des Fahrzeugs fließen. Aus diesem Grund weist die Sicherheitseinrichtung vorzugsweise am ersten Strompfad oder am zweiten Strompfad ein dritter Strompfad für einen Ladestrom auf, wobei eine dritte Schaltvorrichtung im dritten Strompfad vorgesehen ist. Fließt ein Ladestrom, ist es lediglich erforderlich, die Ladestromquelle von der Fahrzeugbatterie zu trennen. Dies kann durch die dritte Schaltvorrichtung erfolgen, so dass der übrige Stromkreis mit der Batterie verbunden bleiben kann. Die dritte Schaltvorrichtung und/oder dessen Steuerung ist beispielsweise auf die Charakteristik des Ladestroms ausgelegt bzw. dimensioniert, wobei die Dimensionierung von der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung bzw. deren Steuerung abweichen kann.
-
Für eine ausreichende Funktion der Sicherheitseinrichtung ist es erforderlich, wenn jeder Schaltvorrichtung ein Halbleiterrelais aufweist, dass für die vorherrschende Stromrichtung ausgelegt ist. Dadurch können zudem die Widerstände bzw. Verluste durch die Halbleiterrelais minimiert werden. Um eine zusätzliche Sicherheit zu gewährleisten, weist vorzugsweise zumindest eine Schaltvorrichtung, insbesondere alle Schaltvorrichtungen, zwei Halbleiterrelais auf. Die paarweise angeordneten Halbleiterrelais sind so angeordnet, dass jeweils ein Halbleiterrelais für jede Stromrichtung ausgelegt ist. Somit können die Batterie und der Stromkreis unabhängig von der Stromrichtung zuverlässig voneinander getrennt werden.
-
Beispielsweise weist zumindest ein Halbleiterrelais einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor auf.
-
Alternativ können die Halbleiterrelais auch einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode aufweisen.
-
Die Trennvorrichtung weist vorzugsweise ein anderes Funktionsprinzip auf und dient als zusätzliche Sicherheitseinrichtung, falls die Schaltvorrichtungen defekt sein sollten, eine Fehlfunktion aufweisen oder aus andere Gründen keine vollständige Trennung der Batterie vom Stromkreis erfolgen sollte. Beispielsweise ist die Trennvorrichtung eine pyrotechnische Trennvorrichtung, durch die der Stromkreis dauerhaft unterbrochen wird. Dadurch ist eine zusätzliche Sicherheit gewährleistet, da eine zuverlässige Trennung der Batterie und des Stromkreises sichergestellt ist.
-
Vorzugsweise sind eine Strommesseinrichtung und/oder eine Spannungsmesseinrichtung vorgesehen, wobei die Strommessvorrichtungen und/oder die Spannungsmessvorrichtung mit der Steuereinrichtung verbunden sind. Die Strommesseinrichtung und/oder die Spannungsmesseinrichtung können beispielsweise verwendet werden, um zu prüfen, ob die Batterie vom Stromkreis getrennt wurde. Detektiert die Strommesseinrichtung und/oder die Spannungsmesseinrichtung nach dem Trennen der Batterie vom Stromkreis durch die zumindest eine Schaltvorrichtung weiterhin einen Strom, kann beispielsweise die Trennvorrichtung ausgelöst werden.
-
Vorzugsweise ist die gesamte Sicherheitseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, sodass eine kompakte Baugruppe bereitgestellt werden kann, durch die ein geringerer Montageaufwand entsteht.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung; und
- 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung.
-
In 1 ist eine Sicherheitseinrichtung 10 für ein Fahrzeug gezeigt. Sicherheitseinrichtung 10 wird elektrisch zwischen der Fahrzeugbatterie 12 und Verbrauchern 14 des Fahrzeugs im Stromkreis 16 angeordnet. Aufgabe der Sicherheitseinrichtung 10 ist es, bei Bedarf die Batterie 12 zuverlässig vom Stromkreis 16 bzw. von den Verbrauchern 14 zu trennen, beispielsweise um bei Isolationsfehlern oder bei Unfällen Verletzungen der Fahrzeuginsassen/oder Schäden am Fahrzeug zu vermeiden. Die Sicherheitseinrichtung 10 ist beispielsweise unmittelbar an der Batterie 12 angeordnet, um bei einer Trennung der Batterie 12 vom Stromkreis 16 die Batterie 12 vollständig von anderen Bauteilen des Fahrzeugs trennen.
-
Die Sicherheitseinrichtung 10 weist einen ersten Strompfad 18 auf, der einen ersten Anschluss 20 für einen ersten Batteriepol 22 aufweist sowie einen ersten Kontakt 24 zu Kontaktierung mit dem Stromkreis 16.des Weiteren ist ein zweiter Strompfad 26 vorgesehen, mit einem zweiten Anschluss 28 für einen den zweiten Pol 30 der Batterie 12 sowie einem zweiten Kontakt 32 für den Stromkreis 16.
-
Am zweiten Strompfad 26 zweigt an zwei Anschlusspunkten 33 ein dritter Stromkreis 34 ab, über den eine Vorladung der Kapazitäten Des Stromkreises 16 erfolgen kann, bevor der zweite Strompfad 26 geschlossen wird. Dadurch werden hohe Stromspitzen im Stromkreis 16 vermieden .
-
Die Sicherheitseinrichtung 10 weist des Weiteren eine Steuervorrichtung 36 sowie eine am zweiten Strompfad 26 vorgesehene Messeinrichtung 38 zur Erfassung von Batterieparametern auf, beispielsweise eine Spannungsmesseinrichtung und/oder eine Strommesseinrichtung.
-
Die Sicherheitseinrichtung 10 weist im ersten Strompfad 18 eine erste Schaltvorrichtung 40 auf, die durch zwei erste Halbleiterrelais 40a, 40b gebildet ist. Die Halbleiterrelais 40a, 40b sind bezüglich der Stromrichtung vom ersten Anschluss 20 zum ersten Kontakt 24 entgegengesetzt ausgerichtet. Beide Halbleiterrelais 40a, 40b sind mit der Messvorrichtung 38 bzw. der Steuervorrichtung 36 verbunden.
-
Im zweiten Strompfad 26 ist eine zweite Schaltvorrichtung 42 mit zwei Halbleiterrelais des 42a, 42b vorgesehen, die bezüglich der Stromrichtung vom zweiten Anschluss 28 zum zweiten Kontakt 32 ebenfalls entgegengesetzt ausgerichtet sind. Wie in 1 zu sehen ist, ist die zweite Schaltvorrichtung 42 zwischen den Anschlusspunkten 33 für den dritten Strompfad 34 vorgesehen.
-
Eine dritte Schaltvorrichtung 44 mit zwei Halbleiterrelais sind 44a, 44b ist im dritten Strompfad 34 gesehen, wobei auch diese Halbleiterrelais des 44a, 44b bezüglich der Stromrichtung entgegengesetzt angeordnet sind.
-
Im ersten Strompfad ist des Weiteren eine Trennvorrichtung 46 vorgesehen, die durch eine pyrotechnische Sicherung gebildet ist.
-
Die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 sowie die Trennvorrichtung 46 sind über Signalleitungen 48, 50, 52, 54 mit der Steuervorrichtung 36 verbunden, wobei die Signalleitungen 48, 50, 52, 54 in der hier gezeigten Ausführungsform über die Messvorrichtung 38 verlaufen. Es ist aber auch möglich, dass die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 sowie die Trennvorrichtung 46 direkt mit der Steuervorrichtung 36 verbunden sind.
-
Die Messvorrichtung 38 ist über weitere Signalleitungen 56, 58, 60 ,62 mit dem ersten Strompfad 18, den zweiten Strompfad 26 sowie dem dritten Strompfad 34 verbunden.
-
Die Messvorrichtung 38 ist des Weiteren mit der Steuervorrichtung 36. Die Steuerung 30 weist eine Kommunikationseinrichtung 60 zu Kommunikation mit einer Fahrzeugelektronik auf.
-
Die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44, die Trennvorrichtung 46 sowie die Messvorrichtung 38 können in einem separaten Gehäuse 66 angeordnet sein. Insbesondere kann dieses Gehäuse 66 eine galvanische Trennung aufweisen, um einen Spannungsüberschlag von den Strompfaden 18, 26, 34 auf die Steuerung 38 oder andere Fahrzeugteile zu verhindern. Da die Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b nur einen sehr geringen Bauraum benötigen, können diese platzsparend in einem Gehäuse 66 angeordnet werden.
-
Ist eine Trennung der Batterie 12 Stromkreis 16 erwünscht, werden über die Steuerung zunächst die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 angesteuert, so dass die Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b den jeweiligen Strompfad 18, 26, 34 unterbrechen. Die Ansteuerung der Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 kann hierbei in Abhängigkeit des Betriebszustandes erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit, ob ein normaler Fahrzeugbetrieb vorliegt oder ein Ladevorgang.
-
Sobald die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 aktiviert sind, wird über die Messvorrichtung 38 geprüft, ob im ersten Strompfad 18, im zweiten Strompfad 26 oder am dritten Strompfad 34 weiterhin ein Strom fließt. Ist dies weiterhin der Fall, kann über die Steuervorrichtung 36 die Trennvorrichtung 46 aktiviert werden. Diese weist einen pyrotechnischen Zünder auf, der eine dauerhafte Trennung des Stromkreises 16 von der Fahrzeugbatterie 12 herstellt.
-
Stellt die Messvorrichtung 38 dagegen fest, dass eine Trennung des Stromkreises 16 von der Fahrzeugbatterie 12 erfolgt ist, ist eine Auslösung der Trennvorrichtung 48 nicht erforderlich. Ist die Situation, in der eine Trennung des Stromkreises 16 von der Fahrzeugbatterie 12 gewünscht ist, beendet, können die Schaltvorrichtungen 40, 42, 44 erneut angesteuert und die Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b wieder geschlossen werden, um die Stromkreis 16 wieder mit der Fahrzeugbatterie 12 zu verbinden.
-
Die in 1 gezeigte Sicherheitseinrichtung weist jeweils zwei Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b für jede Schaltvorrichtung 40, 42, 44 auf. Damit können Ströme in beide Stromflussrichtungen zuverlässig unterbrochen werden.
-
Üblicherweise ist aber im regulären Fahrzeugbetrieb lediglich eine Stromrichtung vorhanden. Ein Ladestrom, der ebenfalls eine feste Stromrichtung aufweist, wird über den dritten Strompfad 34 geleitet. Ist sichergestellt, dass 18, 26, 34 lediglich eine Stromrichtung vorhanden ist, kann jede Schaltvorrichtung 40, 42, 44 auch nur ein Halbleiterrelais 40a, 42a, 44b aufweisen, dass auf die entsprechende Stromrichtung ausgerichtet ist, wodurch der Bauraum zusätzlich reduziert werden kann. Da es innerhalb der Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b zu Verlusten kommt, können diese Verluste durch die Reduzierung der Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b minimiert werden.
-
Die Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b können beispielsweise MOSFETS (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) aufweisen. Alternativ können die Halbleiterrelais 40a, 40b, 42a, 42b, 44a, 44b auch jeweils Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode aufweisen.
