-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Trennen einer Hochspannungsbatterie von einem Bordnetz eines Fahrzeuges.
-
Aktuell werden Hochspannungsbatterien, auch als Hochvoltbatterien bezeichnet, über elektromechanische Schalter, meist Schütze, mit dem restlichen Bordnetz eines Fahrzeuges verbunden bzw. von diesem getrennt. Hier gibt es nur die Zustände „verbunden“ und „nicht verbunden“, je nach Schaltzustand des elektromechanischen Schalters.
-
Durch solche Schaltvorrichtungen zum Trennen einer Hochspannungsbatterie wird somit lediglich eine An-/Aus-Funktion bereitgestellt. Das Potenzial solcher Schaltvorrichtungen wird dabei noch nicht voll ausgenutzt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zum Trennen einer Hochspannungsbatterie von einem Bordnetz eines Fahrzeuges umfasst einen ersten Strompfad, welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Pol der Hochspannungsbatterie mit einem ersten Spannungseingang des Bordnetzes zu verbinden, wobei der erste Strompfad eine erste Schalteinheit umfasst, die ein Unterbrechen des ersten Strompfades ermöglicht, wobei die erste Schalteinheit einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, wobei der erste Transistor und der zweite Transistor derart in Reihe geschaltet sind, dass deren Inversdioden in dem ersten Strompfad gegenpolig miteinander verbunden sind, und einen zweiten Strompfad, welcher dazu eingerichtet ist, einen zweiten Pol der Hochspannungsbatterie mit einem zweiten Spannungseingang des Bordnetzes zu verbinden, wobei der zweite Strompfad eine zweite Schalteinheit umfasst, die ein Unterbrechen des zweiten Strompfades ermöglicht. Die Schaltvorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit anzusteuern.
-
Der erste Pol ist dabei beispielsweise ein positiver Pol der Hochspannungsbatterie und der zweite Pol ist ein negativer Pol einer Hochspannungsbatterie. Der erste und der zweite Transistor sind dabei insbesondere MOSFET-Transistoren.
-
Der erste Transistor und/oder der zweite Transistor kann auch aus einer Kombination mehrerer einzelner Transistoren bestehen, beispielsweise ein Transistor-Array sein.
-
In der ersten Schalteinheit sind zwei Transistoren miteinander in Serie geschaltet. Dabei sind in der Serienschaltung zwei insbesondere die Source-Kontakte der beiden Transistoren miteinander gekoppelt, wobei die Drain-Kontakte der beiden Transistoren jeweils einen Eingang und einen Ausgang der ersten Schalteinheit bilden. Alternativ sind in der Serienschaltung zwei Drain-Kontakte der beiden Transistoren miteinander gekoppelt, wobei die Source-Kontakte der beiden Transistoren jeweils einen Eingang und einen Ausgang der ersten Schalteinheit bilden.
-
Sowohl der erste als auch der zweite Transistor weisen eine Inversdiode auf, welche typischerweise eine parasitäre Diode des Transistors ist. Durch die Verbindung des ersten Transistors mit dem zweiten Transistor sind die beiden Inversdioden der beiden Transistoren mit gleichen Polen aneinandergekoppelt und sind somit gegenpolig miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die Inversdioden des ersten und des zweiten Transistors entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen.
-
Der erste Transistor kann entweder in einen durchgeschalteten Zustand geschaltet werden oder in einen nicht durchgeschalteten Zustand geschaltet werden. Dies erfolgt typischerweise durch ein Anlegen einer Steuerspannung an einem Gate-Kontakt des ersten Transistors. Ist der erste Transistor durchgeschaltet, so kann ein Strom unabhängig von dessen Flussrichtung durch den ersten Transistor fließen. Ist der erste Transistor nicht durchgeschaltet, so kann zwar ein Strom über dessen Inversdiode fließen, ein Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung ist jedoch unterbrochen. Dies gilt in entsprechender Weise auch für den zweiten Transistor.
-
Die erste Schalteinheit ist zum Unterbrechen des ersten Strompfades eingerichtet. Dies resultiert daraus, dass sowohl der erste Transistor als auch der zweite Transistor durch die Steuereinheit in einen nicht durchgeschalteten Zustand versetzt werden können. Da die beiden Inversdioden gegenpolig zueinander angeordnet sind, ist zumindest eine der beiden Inversdioden in einer Sperrrichtung ausgerichtet, egal ob ein Ladestrom oder ein Entladestrom von oder zu der Hochspannungsbatterie fließt.
-
Die zweite Schalteinheit ist optional baugleich zu der ersten Schalteinheit, wobei die zweite Schalteinheit einen dritten Transistor und einen vierten Transistor aufweist, wobei der dritte Transistor und der vierte Transistor derart in Reihe geschaltet sind, dass deren Inversdioden in dem zweiten Strompfad gegenpolig miteinander verbunden sind. Der dritte Transistor und/oder der vierte Transistor kann auch aus einer Kombination mehrerer einzelner Transistoren bestehen, beispielsweise ein Transistor-Array sein. Alternativ weist die zweite Schalteinheit einen elektromechanischen Schalter, beispielsweise einen Schütz, auf. Somit ist auch die zweite Schalteinheit dazu geeignet, den zweiten Strompfad zu unterbrechen, wenn dieser entsprechend von der Steuereinheit angesteuert wird.
-
Die Schaltvorrichtung zum Trennen einer Hochspannungsbatterie von einem Bordnetz eines Fahrzeuges ist bevorzugt in einem Fahrzeug angeordnet und ermöglicht es, die Hochspannungsbatterie des Fahrzeuges von dem Bordnetz zu trennen. Somit weist ein Fahrzeug, welches die Schaltvorrichtung und die Hochspannungsbatterie aufweist, auch die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung auf.
-
Die beiden Pole der Inversdioden werden als Anoden-Kontakt und Kathoden-Kontakt bezeichnet. Sind die Inversdioden gegenpolig miteinander verbunden, so sind entweder zwei Anoden-Kontakte oder zwei Kathoden-Kontakte miteinander verbunden. Es sind somit zwei gleichartige Kontakte miteinander verbunden. Die Steuereinheit ist beispielsweise eine elektronische Recheneinheit, insbesondere ein Treiberchip, durch welche Steuersignale bereitgestellt werden, die der ersten und der zweiten Schalteinheit bereitgestellt werden, und dabei typischerweise auch an den Gate-Kontakten der Transistoren anliegen.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die erste Schalteinheit in einen ersten Modus derart anzusteuern, dass der erste Transistor und der zweite Transistor nicht durchgeschaltet sind. Der erste Modus kann dabei auch als Off-Modus bezeichnet werden. In diesem Modus ist ein Stromfluss über den ersten Strompfad, also ein Stromfluss zwischen dem ersten Pol der Hochspannungsbatterie und dem ersten Spannungseingang des Bordnetzes unterbunden. Bevorzugt wird in dem ersten Modus auch der zweite Strompfad durch ein entsprechendes Schalten der zweiten Schalteinheit unterbrochen. Dabei wird insbesondere ein elektromechanischer Schalter der zweiten Schalteinheit in einen offenen Zustand geschaltet oder es werden der dritte Transistor und der vierte Transistor der zweiten Schalteinheit in einen offenen Zustand, und somit in einen nicht durchgeschalteten Zustand gebracht. Auf diese Weise kann jeglicher Stromfluss zu der Hochspannungsbatterie oder von der Hochspannungsbatterie unterbrochen werden. Dazu wird insbesondere an den ersten und an den zweiten Transistor jeweils eine Gate-Source-Spannung von null Volt durch die Steuereinheit angelegt.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit in einem zweiten Modus derart anzusteuern, dass der erste Transistor durchgeschaltet ist und der zweite Transistor nicht durchgeschaltet ist, wobei der zweite Transistor derart in dem ersten Strompfad angeordnet ist, dass ein Stromfluss von der Hochspannungsbatterie in Durchlassrichtung über eine Inversdiode des zweiten Transistors möglich ist. Der zweite Modus kann auch als ein Entlademodus bezeichnet werden. Dabei kann ein Entladestrom über den ersten Transistor fließen, da dieser durchgeschaltet ist. Der zweite Transistor ist nicht durchgeschaltet, dennoch kann ein Entladestrom über den zweiten Transistor fließen, da dessen Inversdiode entsprechend angeordnet ist. In dem Entlademodus ist sichergestellt, dass die Hochspannungsbatterie nicht geladen wird, da ein Ladestrom in eine Sperrrichtung der Inversdiode des zweiten Transistors fließen würde und somit nicht geleitet wird. Es wird somit ein Modus bereitgestellt, in dem die Hochspannungsbatterie weiterhin für einen Betrieb des Fahrzeuges genutzt werden kann, jedoch nicht weiter geladen werden kann.
-
Somit wird es beispielsweise möglich, dass bei bestimmten Defekten ein Fahrzeug noch bis zu einer Werkstatt bewegt werden kann, jedoch aus Sicherheitsgründen ein Laden der Hochspannungsbatterie, beispielsweise durch Rekuperation, unterbunden wird.
-
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, eine Stromstärke eines durch den ersten Strompfad fließenden Stromes zu detektieren und in dem zweiten Modus den zweiten Transistor dann in einen durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der von der Hochspannungsbatterie kommende Strom in dem ersten Strompfad über einem vordefinierten ersten Schwellenwert liegt, und den zweiten Transistor dann in einen nicht durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der von der Hochspannungsbatterie kommende Strom in dem ersten Strompfad unter den vordefinierten ersten Schwellenwert abfällt oder ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert wird. Der Strom, der von der Hochspannungsbatterie kommt, ist ein Entladestrom der Hochspannungsbatterie. Steigt dieser über den vordefinierten ersten Schwellenwert an, so könnte es beispielsweise zu einer Überlastung der Inversdiode des zweiten Transistors kommen, wodurch es vorteilhaft ist, wenn der zweite Transistor durchgeschaltet wird, um einen Stromfluss durch den zweiten Transistor abseits der Inversdiode zu ermöglichen. Es ist dabei weiterhin sichergestellt, dass kein Ladestrom in die Hochspannungsbatterie fließt, da dies nur dann der Fall sein kann, wenn der Strom in dem ersten Strompfad unter dem ersten Schwellenwert liegt. Der erste Schwellenwert ist daher bevorzugt so gewählt, dass dieser einem Strom entspricht, der über die Inversdiode des zweiten Transistors geleitet werden kann, ohne dass es zu einer Beschädigung des zweiten Transistors kommt.
-
Fällt der von der Hochspannungsbatterie kommende Strom in dem ersten Strompfad unter den vordefinierten ersten Schwellenwert ab, oder wird ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert, so wird der zweite Transistor in den nicht durchgeschalteten Zustand gebracht. Somit ist mittels der Inversdiode des zweiten Transistors sichergestellt, dass kein Ladestrom zu der Hochspannungsbatterie fließt, dennoch ein Entladestrom von der Hochspannungsbatterie entnommen werden kann. Ein von der Hochspannungsbatterie kommender Strom hat dabei insbesondere ein positives Vorzeichen und ein zu der Hochspannungsbatterie fließender Strom hat dabei bevorzugt ein negatives Vorzeichen. Ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung kann durch unterschiedliche Sensoriken detektiert und der Steuereinheit als Information bereitgestellt werden. So kann beispielsweise vorausgesagt werden, dass ein Wechsel einer Stromflussrichtung erfolgen wird, wenn durch ein Steuersystem des Fahrzeuges ein Rekuperationsvorgang eingeleitet wird. Diese Information kann der Steuereinheit bereitgestellt werden und diese dazu veranlassen, in dem zweiten Modus den zweiten Transistor in den nicht durchgeschalteten Zustand zu bringen.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit in einem dritten Modus derart anzusteuern, dass der zweite Transistor durchgeschaltet ist und der erste Transistor nicht durchgeschaltet ist, wobei der erste Transistor derart in dem ersten Strompfad angeordnet ist, dass ein Stromfluss zu der Hochspannungsbatterie in Durchlassrichtung über eine Inversdiode des ersten Transistors möglich ist. Der dritte Modus ist dabei insbesondere ein Lademodus. Umgekehrt zu dem zweiten Modus ist in dem dritten Modus lediglich ein Laden der Hochspannungsbatterie möglich, nicht jedoch ein Entladen der Hochspannungsbatterie möglich. So kann der dritte Modus beispielsweise in Situationen verwendet werden, in denen das Bordnetz des Fahrzeuges nicht weiter über die Hochspannungsbatterie versorgt werden soll, jedoch gleichzeitig eine Schädigung der Hochspannungsbatterie durch eine zu tiefe Entladung verhindert werden soll. Ist der zweite Transistor durchgeschaltet, so kann ein Ladestrom durch den zweiten Transistor fließen und kann ferner über die Inversdiode des ersten Transistors zu der Hochspannungsbatterie fließen. Dies kann erfolgen, obwohl der erste Transistor nicht durchgeschaltet ist.
-
Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Stromstärke eines durch den ersten Strompfad fließenden Stromes durch die Steuereinheit detektiert wird und die Steuereinheit in dem dritten Modus dazu eingerichtet ist, den ersten Transistor dann in einen durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der zu der Hochspannungsbatterie fließende Strom in dem ersten Strompfad über einem vordefinierten zweiten Schwellenwert liegt, und den ersten Transistor dann in einen nicht durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der zu der Hochspannungsbatterie fließende Strom in dem ersten Strompfad unter den vordefinierten Schwellenwert abfällt oder ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert wird. Der zweite Schwellenwert ist dabei insbesondere so gewählt, dass eine Beschädigung des ersten Transistors durch einen zu hohen Strom durch dessen Inversdiode vermieden wird. Somit wird es ermöglicht, dass insbesondere hohe Ladeströme zu der Hochspannungsbatterie fließen können. Fällt der zu der Hochspannungsbatterie fließende Strom, also der Ladestrom, unter den zweiten Schwellenwert ab, so kann dieser durch die Inversdiode des ersten Transistors fließen und ein weiteres Laden der Hochspannungsbatterie ist sichergestellt, wobei zugleich sichergestellt ist, dass keine Entladungsströme von der Hochspannungsbatterie in das Bordnetz fließen. Ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung kann von einer Steuerelektronik des Fahrzeuges detektiert werden. In diesem Fall kann der erste Transistor von der Steuereinheit in den nicht durchgeschalteten Zustand gebracht werden.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit in einem vierten Modus derart anzusteuern, dass durch ein getaktetes Schalten des ersten Transistors ein von der Hochspannungsbatterie kommender Strom auf einen Zielwert geregelt wird, und/oder die erste Schalteinheit in einem fünften Modus derart anzusteuern, dass durch ein getaktetes Schalten des zweiten Transistors ein zu der Hochspannungsbatterie fließender Strom auf einen Zielwert geregelt wird. Dazu wird der erste Transistor in dem vierten Modus und der zweite Transistor in dem fünften Modus bevorzugt mittels eines frequenz- oder pulsweitenmodulierten Signales an dessen Gate-Kontakt angesteuert. Je länger der erste oder der zweite Transistor durchgeschaltet ist, desto höher der durch diesen Transistor fließende Strom. Somit kann in dem vierten Modus ein Entladestrom festgelegt werden und in dem fünften Modus ein Ladestrom festgelegt werden. Es können somit beispielsweise durch ein Begrenzen eines Entladestroms ein zusätzlicher Sicherheitsmodus bereitgestellt werden, welcher es beispielsweise erlaubt, die Hochspannungsbatterie auch dann weiter zu entladen und das Fahrzeug somit weiter zu betreiben, wenn es zu einem Fehler in der übrigen Fahrzeugelektronik gekommen ist, und es normalerweise nicht mehr möglich wäre, eine sichere Entladung der Hochspannungsbatterie zu gewährleisten. Die zweite Schalteinheit ist dabei insbesondere so geschaltet, dass der zweite Strompfad nicht unterbrochen ist. In dem vierten Modus wird bevorzugt eine Bordnetzinduktivität genutzt, um das Prinzip eines Hoch- bzw. Tiefsetzstellers zu nutzen. Je nach Modus und Stromflussrichtung ist dabei bevorzugt eine oder mehrere weitere Dioden parallel zu der Hochspannungsbatterie angeordnet, wobei diese eine gleiche Orientierung aufweisen. Die Dioden könnten auch in einer Diode zusammengefasst sein, die zwischen dem ersten Transistor und dem zweiten Transistor verbunden ist. Der Strom würde dann über diese Body-Dioden fließen. Außerdem ist dabei eine Schaltung vorteilhaft, durch welche Spannungsspitzen jeweils auf der Seite der Quelle begrenzt werden.
-
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit in einem sechsten Modus derart anzusteuern, dass der erste Transistor in seinem Linearbereich geregelt wird, um einen von der Hochspannungsbatterie kommenden Strom zum Laden eines Zwischenkreiskondensators zu begrenzen. So ergibt sich typischerweise das Problem, dass bei einer Inbetriebnahme einer Hochspannungsbatterie ein Zwischenkreiskondensator zunächst komplett entladen ist und bei einem Einschaltvorgang hohe Ströme durch den Zwischenkreiskondensator fließen. Daher ist es vorteilhaft, diese Ströme zu begrenzen, was bevorzugt dadurch erfolgt, dass der erste Transistor in seinem Linearbereich betrieben wird und somit ein Stromfluss durch den ersten Transistor geregelt wird. Der zweite Transistor ist dabei bevorzugt durchgeschaltet. Dies ist jedoch nicht zwingend möglich, da der Strom zum Laden des Zwischenkreiskondensators auch über die Inversdiode des zweiten Transistors fließen kann. Die zweite Schalteinheit ist dabei insbesondere so geschaltet, dass der zweite Strompfad nicht unterbrochen ist.
-
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zweite Schalteinheit den dritten Transistor und den vierten Transistor umfasst, wobei der dritte Transistor und der vierte Transistor derart in Reihe geschaltet sind, dass deren Inversdioden in dem zweiten Strompfad gegenpolig miteinander verbunden sind. Die zweite Schalteinheit ist dabei insbesondere entsprechend der ersten Schalteinheit aufgebaut. So sind entweder zwei Source-Kontakte oder zwei Drain-Kontakte des dritten und vierten Transistors miteinander verbunden. Bevorzugt sind der erste und vierte Transistor mit der Hochspannungsbatterie und der zweite und dritte Transistor mit dem Bordnetz verbunden. Es kann somit gänzlich auf elektromechanische Schalter verzichtet werden.
-
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den dritten Transistor entsprechend dem ersten Transistor anzusteuern und den vierten Transistor entsprechend dem zweiten Transistor anzusteuern. Dies erfolgt insbesondere in dem ersten bis sechsten Modus. Auf diese Weise wird beispielsweise erreicht, dass in dem zweiten Modus der Entladestrom sowohl durch den ersten Strompfad als auch durch den zweiten Strompfad gewährleistet ist und ein Ladestrom gleichzeitig weder durch den ersten Strompfad noch durch den zweiten Strompfad fließen kann. Es wird damit ein Spannungsabfall an einzelnen Transistoren bzw. einzelnen Inversdioden reduziert, wodurch unter Anderem höhere Ströme über die Inversdioden ermöglicht werden.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,
- 2 eine Darstellung der Schaltvorrichtung bei einem Betrieb in dem zweiten Modus,
- 3 eine Darstellung der Schaltung bei einem Betrieb in einem vierten Modus, und
- 4 eine Darstellung der Steuervorrichtung bei einem Betrieb in einem sechsten Modus.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 ist eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung 1 zum Trennen einer Hochspannungsbatterie 2 von einem Bordnetz 3. Die Hochspannungsbatterie 2 weist dabei einen positiven Pol und einen negativen Pol auf. Der positive Pol der Hochspannungsbatterie 2 ist über einen ersten Strompfad 4 mit einem ersten Spannungseingang 6 des Bordnetzes 3 verbunden. Ferner ist die Hochspannungsbatterie 2 mit ihrem negativen Pol über einen zweiten Strompfad 5 mit einem zweiten Spannungseingang 7 des Bordnetzes 3 verbunden.
-
In dem ersten Strompfad 4 ist eine erste Schalteinheit 9 angeordnet. In dem zweiten Strompfad 5 ist eine zweite Schalteinheit 10 angeordnet.
-
Die erste Schalteinheit 9 umfasst einen ersten Transistor 11 und einen zweiten Transistor 12. Der erste Transistor 11 und der zweite Transistor 12 sind in Reihe geschaltet. Dazu ist ein Source-Kontakt des ersten Transistors 11 mit einem Source-Kontakt des zweiten Transistors 12 verbunden. Ein Drain-Kontakt des ersten Transistors 11 ist mit dem positiven Pol der Hochspannungsbatterie 2 verbunden. Ein Drain-Kontakt des zweiten Transistors 12 ist mit dem ersten Spannungseingang 6 des Bordnetzes 3 verbunden. Dies führt dazu, dass die Inversdioden 15, 16 des ersten Transistors 11 und des zweiten Transistors 12 gegenpolig miteinander verbunden sind. So ist eine Anode einer ersten Inversdiode 15, welche die Inversdiode des ersten Transistors 11 ist, mit einer Anode einer zweiten Inversdiode 16, welche die Inversdiode des zweiten Transistors 12 ist, verbunden.
-
Die zweite Schalteinheit 10 umfasst einen dritten Transistor 13 und einen vierten Transistor 14. Der dritte Transistor 13 ist mit dem vierten Transistor 14 in Reihe geschaltet, wobei der dritte Transistor 13 und der vierte Transistor 14 derart in Reihe geschaltet sind, dass deren Inversdioden 17, 18 gegenpolig miteinander verbunden sind. So ist ein Source-Kontakt des dritten Transistors 13 mit einem Source-Kontakt des vierten Transistors 14 verbunden. Ein Drain-Kontakt des vierten Transistors 14 ist mit dem negativen Pol der Hochspannungsbatterie 2 verbunden. Ein Drain-Kontakt des dritten Transistors 12 ist mit dem zweiten Spannungseingang 7 des Bordnetzes 3 verbunden. Dies führt dazu, dass die Inversdioden 17, 18 des dritten Transistors 13 und des vierten Transistors 14 gegenpolig miteinander verbunden sind. So ist eine Anode einer dritten Inversdiode 17, welche die Inversdiode des dritten Transistors 13 ist, mit einer Anode einer vierten Inversdiode 18, welche die Inversdiode des vierten Transistors 14 ist, verbunden.
-
Gegenpolig bedeutet, dass die Inversdioden mit umgekehrter Polung in dem zugehörigen Strompfad angeordnet sind, das bedeutet, dass gleichartige Pole der Inversdioden miteinander verbunden sind. Die Anode und die Kathode der Inversdioden sind dabei als deren Pole zu betrachten.
-
In der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Schalteinheit 10 durch den dritten Transistor 13 und den vierten Transistor 14 gebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in alternativen Ausführungsformen die zweite Schalteinheit 10 auch durch einen einzelnen elektromechanischen Schalter, beispielsweise durch einen Schützen, gebildet werden kann. Ist dies der Fall, so wird der elektromechanische Schalter immer dann durchgeschaltet, wenn ein Modus vorliegt, in dem ein Strom durch den ersten Strompfad fließen soll.
-
Die Schaltvorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinheit 8, welche beispielsweise eine digitale Treibereinheit ist. Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, die erste Schalteinheit 9 und die zweite Schalteinheit 10 anzusteuern. Dazu ist die Steuereinheit 8 über jeweils einen Anschlusskontakt x1 bis x4 mit den Gate-Kontakten des ersten bis vierten Transistors 11 bis 14 verbunden.
-
Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, unterschiedliche Modi auszuführen. Durch die unterschiedlichen Modi werden unterschiedliche Funktionen bereitgestellt.
-
So kann durch die Steuereinheit 8 die Schaltvorrichtung 1 in einem ersten Modus betrieben werden. In dem ersten Modus wird die Hochspannungsbatterie 2 vollständig von dem Bordnetz 3 getrennt. Dazu ist die Steuereinheit 8 dazu eingerichtet, die erste Schalteinheit 9 in dem ersten Modus derart anzusteuern, dass der erste Transistor 11 und der zweite Transistor 12 nicht durchgeschaltet sind. Ferner ist die Steuereinheit 8 dazu eingerichtet, in dem ersten Modus den dritten Transistor 13 und den vierten Transistor 14 derart anzusteuern, dass diese nicht durchgeschaltet sind. Es kann somit weder durch den ersten Strompfad 4 noch durch den zweiten Strompfad 5 ein Strom fließen. Zwar könnte ein Strom über eine der Inversdioden 15 bis 18 fließen, jedoch wird der Strom nicht durch den gesamten Strompfad fließen, da die Inversdioden eines Strompfades gegenpolig zueinander angeordnet sind.
-
Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, die Schaltvorrichtung 1 in einem zweiten Modus zu betreiben. In dem zweiten Modus, welcher auch als Entlademodus bezeichnet werden kann, wird ein Entladen der Hochspannungsbatterie 2 ermöglicht, ein Laden der Hochspannungsbatterie 2 jedoch unterbunden. Auf diese Weise wird es beispielsweise ermöglicht, dass ein Fahrzeug mittels der noch in der Hochspannungsbatterie 2 befindlichen Energie zu einer Werkstatt bewegt werden kann, obwohl ein Laden der Hochspannungsbatterie 2 aus Sicherheitsgründen nicht mehr empfehlenswert ist.
-
In den 2 bis 4 ist ein Weg eines Stromflusses 19 durch die Schaltvorrichtung 1 dargestellt.
-
Ein Betrieb der Schaltvorrichtung 1 in dem zweiten Modus ist beispielhaft in 2 dargestellt. Dabei wird durch einen Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt, dass ein Transistor durchgeschaltet ist. Durch einen durchgestrichenen Pfeil wird in entsprechender Weise dargestellt, dass ein Transistor nicht durchgeschaltet ist. Durch die gestrichelten Pfeile ist dargestellt, in welche Richtung ein Stromfluss durch die Inversdioden eines Transistors erfolgen kann.
-
Ist der erste Transistor 11 durchgeschaltet, so kann durch diesen ein Strom von der Hochspannungsbatterie 2 in Richtung des Bordenetzes 3 fließen. Zwar ist der zweite Transistor 12 nicht durchgeschaltet, jedoch kann der Strom von der Hochspannungsbatterie 2 durch die zweite Inversdiode 16 des zweiten Transistors 12 zu dem Bordnetz 3 fließen. In dem zweiten Strompfad 5 kann der Strom durch den dritten Transistor 13 fließen, welcher entsprechend dem ersten Transistor 11 gesteuert ist und somit ebenso durchgeschaltet ist. Der vierte Transistor 14 wird entsprechend dem zweiten Transistor 12 angesteuert und ist daher nicht durchgeschaltet. Dennoch kann der Strom durch diesen vierten Transistor 14 fließen, nämlich über die vierte Inversdiode 18 des zweiten Transistors 14.
-
Es ergibt sich, dass die Flussrichtung für den Strom in dem zweiten Strompfad 5 umgekehrt zu dem ersten Strompfad 4 ist, damit ein geschlossener Stromkreis gebildet wird.
-
Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, eine Stromstärke eines durch den ersten Strompfad 4 fließenden Stromes zu detektieren und in dem zweiten Modus den zweiten Transistor 12 dann in einen durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der von der Hochspannungsbatterie 2 kommende Strom in dem ersten Strompfad 4 über einem vordefinierten ersten Schwellenwert liegt. Der erste Schwellenwert ist dabei so definiert, dass der zweite Transistor 12 durchgeschaltet wird, bevor es zu einer Beschädigung des zweiten Transistors durch den über die zweite Inversdiode 16 fließenden Strom kommt. Somit sind sowohl der erste Transistor 11 als auch der zweite Transistor 12 in dem zweiten Modus durchgeschaltet, wenn der Strom über dem ersten Schwellenwert liegt.
-
Fällt der Strom wieder unter den ersten Schwellenwert ab, so wird der zweite Transistor 12 wieder in den nicht durchgeschalteten Zustand gebracht. Der erste Transistor 11 verbleibt in dem durchgeschalteten Zustand. Dies ist auch dann vorteilhaft, wenn ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert wird, was typischerweise entweder dann der Fall ist, wenn die detektierte Stromstärke gegen null geht und ein Vorzeichenwechsel des detektierten Stromes bevorsteht oder wenn durch eine externe Sensorik signalisiert wird, dass ein Ladestrom bereitgestellt wird, beispielsweise, weil ein Rekuperationsvorgang gestartet wurde.
-
In dem zweiten Modus wird der vierte Transistor 14 entsprechend dem zweiten Transistor 12 und der dritte Transistor 13 entsprechend dem ersten Transistor 11 geschaltet.
-
Die Steuereinheit 8 ist ferner dazu eingerichtet, die erste Schalteinheit 9 in einem dritten Modus derart anzusteuern, dass der zweite Transistor 12 durchgeschaltet ist und der erste Transistor 11 nicht durchgeschaltet ist, wobei der erste Transistor 11 derart in dem ersten Strompfad 4 angeordnet ist, dass ein Stromfluss zu der Hochspannungsbatterie 2 in Durchlassrichtung über eine Inversdiode, hier die erste Inversdiode 15, des ersten Transistors 11 möglich ist. Die Funktionsweise des dritten Modus entspricht der des zweiten Modus, wobei jedoch die Stromrichtungen vertauscht sind. So wird durch den zweiten Modus ein Ladestrom unterbunden und durch den dritten Modus ein Entladestrom unterbunden. In dem dritten Modus kann die Hochspannungsbatterie 2 somit über die Schaltvorrichtung 1 geladen werden, jedoch nicht entladen werden, um das Bordnetz 3 zu versorgen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein Defekt in dem Bordnetz 3 vorliegt, eine Entladung der Hochspannungsbatterie 2 über die Zeit jedoch vermieden werden soll.
-
Sind die Transistoren 11 bis 14 entsprechend dem dritten Modus geschaltet, so kann der Strom durch den durchgeschalteten zweiten Transistor 12 und die erste Inversdiode 15 des ersten Transistors 11 fließen, wodurch ein Ladestrom von dem Bordnetz 3 zu der Hochspannungsbatterie 2 fließen kann. Umgekehrt kann kein Entladestrom über den ersten Strompfad 4 fließen, da dieser nicht durch die erste Inversdiode 15 des ersten Transistors 11 fließen kann und der erste Transistor 11 nicht durchgeschaltet ist.
-
Auch in dem dritten Modus ist die Steuereinheit 8 dazu eingerichtet, eine Stromstärke eines durch den ersten Strompfad 4 fließenden Stromes zu detektieren und in dem dritten Modus den ersten Transistor 11 dann in den durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der zu der Hochspannungsbatterie 2 fließende Strom in dem ersten Strompfad 4 über einen zuvor vordefinierten zweiten Schwellenwert liegt, und den ersten Transistor 11 dann in den nicht durchgeschalteten Zustand zu bringen, wenn der zu der Hochspannungsbatterie 2 fließende Strom in dem ersten Strompfad 4 unter den vordefinierten zweiten Schwellenwert abfällt oder ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert wird. Der zweite Transistor 12 verbleibt in dem durchgeschalteten Zustand. Der zweite Schwellenwert ist so gewählt, dass eine Beschädigung des ersten Transistors 11 durch einen durch die erste Inversdiode 15 fließenden Strom vermieden wird. Wird der erste Transistor 11 durchgeschaltet, so muss der Strom nicht weiter vollständig durch die erste Inversdiode 15 fließen. Fällt der Strom wieder unter den zweiten Schwellenwert ab, so wird der erste Transistor 11 zurück in den nicht durchgeschalteten Zustand gebracht, wodurch ein Stromfluss in umgekehrter Richtung, also ein Entladestrom, nicht durch den ersten Transistor 11 fließen kann, da dieser in der Sperrrichtung nicht durch die erste Inversdiode 15 fließt. Der erste Transistor 11 kann in dem dritten Modus auch dann in den durchgeschalteten Zustand zurückgeschaltet werden, wenn ein möglicher Wechsel einer Stromflussrichtung detektiert wird, beispielsweise, wenn von einer Steuerelektronik des Bordnetzes 3 indiziert wird, dass ein Verbraucher aktiviert wurde.
-
In dem dritten Modus wird der vierte Transistor 14 entsprechend dem zweiten Transistor 12 und der dritte Transistor 13 entsprechend dem ersten Transistor 11 geschaltet.
-
Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, die erste Schalteinheit 9 in einem vierten Modus derart anzusteuern, dass durch ein getaktetes Schalten des ersten Transistors 11 ein von der Hochspannungsbatterie kommender Strom, also ein Entladestrom, auf einen Zielwert geregelt wird. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt. Der erste Transistor 11 wird dabei durch ein pulsweitenmoduliertes oder ein frequenzmoduliertes Signal geschaltet und somit wechselweise in den durchgeschalteten Zustand und in den nicht durchgeschalteten Zustand gebracht. Je länger die Zeitintervalle sind, in denen sich der erste Transistor 11 in dem durchgeschalteten Zustand befindet, desto größer ist der durch den ersten Transistor fließende Strom. Der erste Transistor 11 kann somit als ein Strom- oder Spannungsregler, insbesondere als Gleichstromwandler, betrieben werden. Der zweite Transistor 12 befindet sich dabei entweder in einem durchgeschalteten Zustand oder in einem nicht durchgeschalteten Zustand. Befindet sich der zweite Transistor 12 in einem durchgeschalteten Zustand, so kann durch das getaktete Schalten des ersten Transistors auch ein zu der Hochspannungsbatterie 2 fließender Strom, also ein Ladestrom, auf einen Zielwert geregelt werden.
-
In entsprechender Weise kann das Regeln eines Stromes auf einen Zielwert in einem fünften Modus auch durch den zweiten Transistor 12 erfolgen, wobei der zweite Transistor 12 in einem fünften Modus derart angesteuert wird, dass durch ein getaktetes Schalten des zweiten Transistors 12 ein zu der Hochspannungsbatterie 2 fließender Strom auf einen Zielwert geregelt wird. Auch der zweite Transistor 12 kann somit als ein Strom- oder Spannungsregler agieren. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Schaltvorrichtung 1 ferner einen Strom- oder Spannungssensor umfasst, um das Regeln auf einen Zielwert zu ermöglichen. Alternativ können die Intervalle für die pulsweiten Modulationen oder die Frequenzen für die Frequenzmodulation jedoch fixe vorgegebene Werte sein.
-
Die Hochspannungsbatterie durchläuft beim Laden zunächst eine Phase, in der auf den Strom geregelt wird (Constant Current). Gegen Ende des Ladevorgangs wird umgeschaltet und auf Spannung geregelt (Constant Voltage). Der Onboard-Lader oder die externe Gleichspannungs-Ladesäule kann nun mit dieser Batterietopologie als regelbare Spannungsquelle (nur CV möglich) ausgeführt werden. Die Regelung der Constant Current-Phase des Ladens übernimmt die Batterie selbsttätig durch ihre Strombegrenzung, welche durch den fünften Modus ermöglicht wird. Dadurch entfällt auch das Koordinieren der Neben-Aggregate (12V-Versorgung / Klimaanlage zur Batteriekühlung) und die Kommunikation mit der Ladesäule wird vereinfacht.
-
In dem vierten und fünften Modus wird der vierte Transistor 14 entsprechend dem zweiten Transistor 12 und der dritte Transistor 13 entsprechend dem ersten Transistor 11 geschaltet.
-
Die Steuereinheit 8 ist ferner dazu eingerichtet, in einem sechsten Modus angesteuert zu werden, welcher ein Aufladen eines Zwischenkreiskondensators 20 ermöglicht. Dies ist beispielhaft in 4 dargestellt. Über den Zwischenkreiskondensator 20 ist der erste Strompfad 4 mit dem zweiten Strompfad 5 verbunden. So ist der Zwischenkreiskondensator 20 insbesondere mit einem ersten Pol mit dem ersten Spannungseingang 6 des Bordnetzes und mit einem zweiten Pol mit dem zweiten Spannungseingang 7 des Bordnetzes verbunden. Um ein Fließen eines hohen Kurzschlussstromes unmittelbar nach einer Inbetriebnahme der Hochspannungsbatterie 2, beispielsweise nach einem Beenden des ersten Modus, zu verhindern, kann die Schaltvorrichtung 1 gemäß dem sechsten Modus betrieben werden. Dabei wird der erste Transistor 11 in seinem Linearbereich geregelt, wodurch ein Widerstand des ersten Transistors 11 eingestellt werden kann. Der Stromfluss durch den ersten Transistor 11 ist somit begrenzt, da der erste Transistor als Widerstand agiert, und es kann ein kontrolliertes Laden des Zwischenkreiskondensators 20 erfolgen. Parallel dazu wird der Ladestrom für den Zwischenkreiskondensator ebenfalls durch ein Betreiben des dritten Transistors 13 in seinem linearen Arbeitsbereich ermöglicht.
-
Die Transistoren im ersten und oder zweiten Pfad werden also so angesteuert, dass der Strom in der Form begrenzt ist, dass die Verlustleistung an den Schaltern niedrig genug ist aber der Zwischenkreiskondensator vorgeladen werden kann.
-
Die Verwendung von rein elektronischen Schaltern, beispielsweise Halbleiterschaltern, erweitert diese möglichen Zustände und ermöglicht damit, dass die Hochspannungsbatterie 2 zu einem aktiven Element im System werden kann. So werden beispielsweise Funktionen wie eine aktive Strombegrenzung, Vorladen eines Zwischenkreis-Kondensators oder Limitierung der Stromrichtung (nur entladen oder nur laden) ermöglicht.
-
Die grundlegende Technologie, die dies ermöglicht, ist der Einsatz von Halbleiterschaltern, also Transistoren. Dazu wird beispielsweise jeder Schütz durch zwei Transistor-Gruppen (eine Gruppe kann aus mehreren parallelen Schaltern bestehen) ersetzt werden, da jede Gruppe den Strom nur in eine Richtung sperren kann. Durch selektives Abschalten einzelner Schaltergruppen, das Takten dieser Schalter oder den Betrieb im Linearbereich (teilweise leitend) ist es möglich die oben genannten Vorteile zu erreichen.
-
Bevorzugt kann eine Freilaufdiode auch als aktiv geschalteter Freilauf umgesetzt werden. Bei Verlust der Zellspannungsinformation kann ein stromlimitiertes Entladen zugelassen werden, dessen Stromstärke mit hinreichender Zuverlässigkeit (ASIL x) sichergestellt werden muss. Um nicht auf externe Systeme allein angewiesen zu sein kann mit der Schaltvorrichtung ein Entladestrom begrenzt werden.
-
Da die Hochspannungsbatterie mit der Schaltvorrichtung selbsttätig den Entladestrom auf den für sie zulässigen Lade- und Entladestrom begrenzen kann, kann das Restsystem des Fahrzeugs einfacher gestaltet und das HV-System des Fahrzeugs ggfls. auch mit geringerem Entwicklungsaufwand erweitert werden. Zusätzliche Verbraucher können einfach hinzugefügt werden und brauchen, wenn die Batterieleistung limitiert wird, nur einen Abschalt-Eingang einer Fahrzeugsteuerung (VCU) und müssen ggfls. aber nicht in eine Strombilanz der VCU eingerechnet werden.
-
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 4 verwiesen.