DE102022201036A1

DE102022201036A1 - Switching device for disconnecting a high-voltage battery from a vehicle's electrical system

Info

Publication number: DE102022201036A1
Application number: DE102022201036.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Swoboda; Berengar Krieg; Samuel Vasconcelos Araujo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023147907A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung (1) zum Trennen einer Hochspannungsbatterie (2) von einem Bordnetz (3) eines Fahrzeuges, umfassend einen ersten Strompfad (4), welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Pol der Hochspannungsbatterie (2) mit einem ersten Spannungseingang (6) des Bordnetzes (3) zu verbinden, wobei der erste Strompfad eine erste Schalteinheit (9) umfasst, die ein Unterbrechen des ersten Strompfads (4) ermöglicht, wobei die erste Schalteinheit einen ersten Transistor (11) und einen zweiten Transistor (12) umfasst, wobei der erste Transistor (11) und der zweite Transistor (12) derart in Reihe geschaltet sind, dass deren Inversdioden (15, 16) in dem ersten Strompfad (4) gegenpolig miteinander verbunden sind, und einen zweiten Strompfad (5), welcher dazu eingerichtet ist, einen zweiten Pol der Hochspannungsbatterie (2) mit einem zweiten Spannungseingang (7) des Bordnetzes (3) zu verbinden, wobei der zweite Strompfad (5) eine zweite Schalteinheit (10) umfasst, die ein Unterbrechen des zweiten Strompfads (5) ermöglicht, und eine Steuereinheit (8), welche dazu eingerichtet ist, die erste Schalteinheit (9) und/oder die zweite Schalteinheit (10) anzusteuern. Die Vorrichtung kann in unterschiedlichen Modi betrieben werden, um einen Stromfluss durch die Strompfade zu kontrollieren.The present invention relates to a switching device (1) for disconnecting a high-voltage battery (2) from an on-board electrical system (3) of a vehicle, comprising a first current path (4) which is set up to connect a first pole of the high-voltage battery (2) to a first voltage input (6) of the vehicle electrical system (3), the first current path comprising a first switching unit (9) which enables the first current path (4) to be interrupted, the first switching unit having a first transistor (11) and a second transistor (12 ) comprises, wherein the first transistor (11) and the second transistor (12) are connected in series in such a way that their inverse diodes (15, 16) are connected to one another in opposite polarity in the first current path (4), and a second current path (5) , which is set up to connect a second pole of the high-voltage battery (2) to a second voltage input (7) of the vehicle electrical system (3), the second current path (5) comprising a second switching unit (10) which interrupts the second current path (5) allows, and a control unit (8), which is set up to control the first switching unit (9) and / or the second switching unit (10). The device can be operated in different modes in order to control a current flow through the current paths.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Trennen einer Hochspannungsbatterie von einem Bordnetz eines Fahrzeuges.The present invention relates to a switching device for disconnecting a high-voltage battery from an on-board network of a vehicle.

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.Currently, high-voltage batteries, also referred to as high-voltage batteries, are connected to or disconnected from the rest of the on-board electrical system of a vehicle via electromechanical switches, usually contactors. Here there are only the states "connected" and "not connected", depending on the switching state of the electromechanical switch.

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.Only an on/off function is thus provided by such switching devices for disconnecting a high-voltage battery. The potential of such switching devices is not yet fully exploited.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

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.The switching device according to the invention for disconnecting a high-voltage battery from an on-board network of a vehicle comprises a first current path which is set up to connect a first pole of the high-voltage battery to a first voltage input of the on-board network, the first current path comprising a first switching unit which interrupts the first Allows current path, wherein the first switching unit comprises a first transistor and a second transistor, wherein the first transistor and the second transistor are connected in series such that their inverse diodes are connected to each other in opposite polarity in the first current path, and a second current path, which set up is to connect a second pole of the high-voltage battery to a second voltage input of the vehicle electrical system, the second current path comprising a second switching unit that enables the second current path to be interrupted. The switching device also includes a control unit which is set up to activate the first switching unit and/or the second switching unit.

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.The first pole is, for example, a positive pole of the high-voltage battery and the second pole is a negative pole of a high-voltage battery. The first and the second transistor are in particular MOSFET transistors.

Der erste Transistor und/oder der zweite Transistor kann auch aus einer Kombination mehrerer einzelner Transistoren bestehen, beispielsweise ein Transistor-Array sein.The first transistor and/or the second transistor can also consist of a combination of several individual transistors, for example a transistor array.

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.Two transistors are connected in series with one another in the first switching unit. In this case, two, in particular, the source contacts of the two transistors are coupled to one another in the series circuit, with the drain contacts of the two transistors each forming an input and an output of the first switching unit. Alternatively, two drain contacts of the two transistors are coupled to one another in the series circuit, with the source contacts of the two transistors each forming an input and an output of the first switching unit.

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.Both the first and the second transistor have an inverse diode, which is typically a parasitic diode of the transistor. By connecting the first transistor to the second transistor, the two inverse diodes of the two transistors are coupled to one another with the same poles and are therefore connected to one another with opposite polarity. This means that the inverse diodes of the first and of the second transistor have opposite forward directions.

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.The first transistor can either be switched to an on state or switched to an off state. This is typically done by applying a control voltage to a gate contact of the first transistor. If the first transistor is switched on, a current can flow through the first transistor regardless of its direction of flow. If the first transistor is not switched on, a current can flow through its inverse diode, but a current flow in the opposite direction is interrupted. This also applies in a corresponding manner to the second 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.The first switching unit is set up to interrupt the first current path. This results from the fact that both the first transistor and the second transistor can be placed in a non-conductive state by the control unit. Since the two inverse diodes are arranged with opposite poles to one another, at least one of the two inverse diodes is aligned in a reverse direction, regardless of whether a charging current or a discharging current flows from or to the high-voltage battery.

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.The second switching unit is optionally structurally identical to the first switching unit, the second switching unit having a third transistor and a fourth transistor, the third transistor and the fourth transistor being connected in series in such a way that their inverse diodes in the second current path are connected to one another with opposite poles. The third transistor and/or the fourth transistor can also consist of a combination of several individual transistors, for example a transistor array. Alternatively, the second switch has a unit an electromechanical switch, such as a contactor. The second switching unit is therefore also suitable for interrupting the second current path when this is correspondingly activated by the control unit.

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.The switching device for disconnecting a high-voltage battery from an on-board network of a vehicle is preferably arranged in a vehicle and makes it possible to disconnect the high-voltage battery of the vehicle from the on-board network. Thus, a vehicle having the switching device and the high-voltage battery also has the advantages of the switching device according to the invention.

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.The two poles of the inverse diodes are referred to as anode contact and cathode contact. If the inverse diodes are connected to one another with opposite poles, then either two anode contacts or two cathode contacts are connected to one another. There are thus two similar contacts connected to each other. The control unit is, for example, an electronic computing unit, in particular a driver chip, which provides control signals which are provided to the first and to the second switching unit and are typically also present at the gate contacts of the transistors.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

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.The control unit is preferably set up to activate the first switching unit in a first mode in such a way that the first transistor and the second transistor are not switched on. The first mode can also be referred to as off mode. In this mode, a current flow via the first current path, ie a current flow between the first pole of the high-voltage battery and the first voltage input of the vehicle electrical system, is prevented. In the first mode, the second current path is preferably also interrupted by a corresponding switching of the second switching unit. In this case, in particular, an electromechanical switch of the second switching unit is switched to an open state, or the third transistor and the fourth transistor of the second switching unit are switched to an open state and thus to a non-connected state. In this way, any current flow to or from the high voltage battery can be interrupted. For this purpose, a gate-source voltage of zero volts is applied in particular to the first and to the second transistor by the control unit.

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. It is also advantageous if the control unit is set up to control the first switching unit in a second mode in such a way that the first transistor is switched on and the second transistor is not switched on, the second transistor being arranged in the first current path in such a way that a Current flow from the high-voltage battery in the forward direction via an inverse diode of the second transistor is possible. The second mode can also be referred to as a discharge mode. In this case, a discharge current can flow through the first transistor since it is switched on. The second transistor is not turned on, but a discharge current can flow through the second transistor since its inverse diode is arranged accordingly. In the discharge mode it is ensured that the high-voltage battery is not charged since a charging current would flow in a reverse direction of the inverse diode of the second transistor and is therefore not conducted. A mode is thus provided in which the high-voltage battery can continue to be used to operate the vehicle, but cannot be charged any further.

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.It is thus possible, for example, that in the event of certain defects a vehicle can still be moved to a workshop, but charging of the high-voltage battery, for example by recuperation, is prevented for safety reasons.

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.It is advantageous if the control unit is set up to detect a current strength of a current flowing through the first current path and then to bring the second transistor into an on state in the second mode when the current coming from the high-voltage battery is in the first current path is above a predefined first threshold, and then bringing the second transistor into an off-state when the current coming from the high-voltage battery in the first current path falls below the predefined first threshold or a possible change in a current flow direction is detected. The current coming from the high voltage battery is a discharge current of the high voltage battery. If this rises above the predefined first threshold value, the inverse diode of the second transistor could be overloaded, for example, which makes it advantageous if the second transistor is switched on in order to allow current to flow through the second transistor away from the inverse diode. It is also ensured that no charging current flows into the high-voltage battery, since this can only be the case when the current in the first current path is below the first threshold value. The first threshold value is therefore preferably selected in such a way that it corresponds to a current which can be conducted via the inverse diode of the second transistor without it the second transistor will be damaged.

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.If the current coming from the high-voltage battery in the first current path drops below the predefined first threshold value, or if a possible change in the direction of current flow is detected, then the second transistor is brought into the non-connected state. It is thus ensured by means of the inverse diode of the second transistor that no charging current flows to the high-voltage battery, but a discharge current can nevertheless be drawn from the high-voltage battery. A current coming from the high-voltage battery has in particular a positive sign and a current flowing to the high-voltage battery preferably has a negative sign. A possible change in the direction of current flow can be detected by different sensors and made available to the control unit as information. For example, it can be predicted that a change in the direction of current flow will take place if a recuperation process is initiated by a control system of the vehicle. This information can be provided to the control unit and cause it to switch the second transistor to the non-conductive state in the second mode.

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.It is also advantageous if the control unit is set up to control the first switching unit in a third mode in such a way that the second transistor is switched on and the first transistor is not switched on, the first transistor being arranged in the first current path in such a way that a Current flow to the high-voltage battery in the forward direction is possible via an inverse diode of the first transistor. The third mode is in particular a charging mode. Conversely to the second mode, in the third mode it is only possible to charge the high-voltage battery, but not to discharge the high-voltage battery. For example, the third mode can be used in situations in which the vehicle's electrical system is no longer to be supplied via the high-voltage battery, but at the same time damage to the high-voltage battery due to excessive discharge is to be prevented. If the second transistor is turned on, a charging current can flow through the second transistor and can also flow to the high-voltage battery via the inverse diode of the first transistor. This can be done even though the first transistor is not turned on.

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.It is advantageous if the control unit detects a current strength of a current flowing through the first current path and the control unit is set up in the third mode to bring the first transistor into an on state when the current flowing to the high-voltage battery is in the first current path is above a predefined second threshold, and then bring the first transistor into an off-state when the current flowing to the high-voltage battery in the first current path falls below the predefined threshold or a possible change in a current flow direction is detected. In this case, the second threshold value is selected in particular in such a way that damage to the first transistor as a result of an excessively high current through its inverse diode is avoided. This makes it possible for particularly high charging currents to be able to flow to the high-voltage battery. If the current flowing to the high-voltage battery, i.e. the charging current, falls below the second threshold value, it can flow through the inverse diode of the first transistor and further charging of the high-voltage battery is ensured, while at the same time it is ensured that no discharge currents flow from the high-voltage battery into the on-board network flow. A possible change in the direction of current flow can be detected by an electronic control system in the vehicle. In this case, the first transistor can be brought into the non-conductive state by the control unit.

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.It is also advantageous if the control unit is set up to control the first switching unit in a fourth mode in such a way that clocked switching of the first transistor regulates a current coming from the high-voltage battery to a target value, and/or the first switching unit in one to control the fifth mode in such a way that a current flowing to the high-voltage battery is regulated to a target value by clocked switching of the second transistor. For this purpose, the first transistor in the fourth mode and the second transistor in the fifth mode are preferably driven by means of a frequency- or pulse-width-modulated signal at its gate contact. The longer the first or the second transistor is switched on, the higher the current flowing through this transistor. A discharge current can thus be specified in the fourth mode and a charging current can be specified in the fifth mode. For example, by limiting a discharge current, an additional safety mode can be provided, which, for example, allows the high-voltage battery to continue to be discharged and the vehicle to continue to be operated if there is a fault in the rest of the vehicle electronics, and it normally it would no longer be possible to ensure safe discharge of the high-voltage battery. In this case, the second switching unit is connected in particular in such a way that the second current path is not interrupted. In which Fourth mode, a vehicle electrical system inductance is preferably used in order to use the principle of a step-up or step-down converter. Depending on the mode and direction of current flow, one or more further diodes are preferably arranged in parallel with the high-voltage battery, with these diodes having the same orientation. The diodes could also be combined in one diode connected between the first transistor and the second transistor. The current would then flow through these body diodes. In addition, a circuit is advantageous by which voltage peaks are respectively limited on the side of the source.

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.It is also advantageous if the control unit is set up to control the first switching unit in a sixth mode such that the first transistor is regulated in its linear range in order to limit a current coming from the high-voltage battery for charging an intermediate circuit capacitor. The problem typically arises that when a high-voltage battery is started up, an intermediate circuit capacitor is initially completely discharged and high currents flow through the intermediate circuit capacitor during a switch-on process. It is therefore advantageous to limit these currents, which is preferably done by operating the first transistor in its linear range and thus regulating a current flow through the first transistor. In this case, the second transistor is preferably switched on. However, this is not absolutely possible since the current for charging the intermediate circuit capacitor can also flow via the inverse diode of the second transistor. In this case, the second switching unit is connected in particular in such a way that the second current path is not interrupted.

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.It is also advantageous if the second switching unit includes the third transistor and the fourth transistor, the third transistor and the fourth transistor being connected in series in such a way that their inverse diodes are connected to one another with opposite poles in the second current path. The second switching unit is constructed in particular in accordance with the first switching unit. So either two source contacts or two drain contacts of the third and fourth transistor are connected to each other. The first and fourth transistors are preferably connected to the high-voltage battery and the second and third transistors are connected to the vehicle electrical system. Electromechanical switches can thus be dispensed with entirely.

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.In this case, it is advantageous if the control unit is set up to drive the third transistor in accordance with the first transistor and to drive the fourth transistor in accordance with the second transistor. This takes place in particular in the first to sixth modes. In this way it is achieved, for example, that in the second mode the discharge current is guaranteed both through the first current path and through the second current path and a charging current cannot flow simultaneously through either the first current path or the second current path. A voltage drop at individual transistors or individual inverse diodes is thus reduced, as a result of which, among other things, higher currents are made possible via the inverse diodes.

Figurenlistecharacter list

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.

Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a schematic representation of a switching device according to the invention,
2 a representation of the switching device when operating in the second mode,
3 an illustration of the circuit when operating in a fourth mode, and
4 a representation of the control device when operating in a sixth mode.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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. 1 is a schematic representation of a switching device 1 for disconnecting a high-voltage battery 2 from a vehicle electrical system 3. The high-voltage battery 2 has a positive pole and a negative pole. The positive pole of the high-voltage battery 2 is connected to a first voltage input 6 of the vehicle electrical system 3 via a first current path 4 . Furthermore, the negative pole of the high-voltage battery 2 is connected to a second voltage input 7 of the vehicle electrical system 3 via a second current path 5 .

In dem ersten Strompfad 4 ist eine erste Schalteinheit 9 angeordnet. In dem zweiten Strompfad 5 ist eine zweite Schalteinheit 10 angeordnet.A first switching unit 9 is arranged in the first current path 4 . A second switching unit 10 is arranged in the second current path 5 .

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.The first switching unit 9 comprises a first transistor 11 and a second transistor 12. The first transistor 11 and the second transistor 12 are connected in series. For this purpose, a source contact of the first transistor 11 is connected to a source contact of the second transistor 12 . A drain contact of the first transistor 11 is connected to the positive pole of the high-voltage battery 2 . A drain contact of the second transistor 12 is connected to the first voltage input 6 of the vehicle electrical system 3 . This leads to the inverse diodes 15, 16 of the first transistor 11 and of the second transistor 12 being connected to one another with opposite poles. So is an anode of a first inverse diode 15, which is the inverse diode of the first transistor 11 is connected to an anode of a second inverse diode 16 which is the inverse diode of the second transistor 12 .

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.The second switching unit 10 comprises a third transistor 13 and a fourth transistor 14. The third transistor 13 is connected in series with the fourth transistor 14, the third transistor 13 and the fourth transistor 14 being connected in series in such a way that their inverse diodes 17, 18 are connected to each other in opposite polarity. A source contact of the third transistor 13 is thus connected to a source contact of the fourth transistor 14 . A drain contact of the fourth transistor 14 is connected to the negative pole of the high-voltage battery 2 . A drain contact of third transistor 12 is connected to second voltage input 7 of vehicle electrical system 3 . This leads to the inverse diodes 17, 18 of the third transistor 13 and the fourth transistor 14 being connected to one another with opposite poles. Thus, an anode of a third inverse diode 17, which is the inverse diode of the third transistor 13, is connected to an anode of a fourth inverse diode 18, which is the inverse diode of the fourth transistor 14.

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.Opposite polarity means that the inverse diodes are arranged with reversed polarity in the associated current path, which means that like poles of the inverse diodes are connected to one another. The anode and the cathode of the inverse diodes are to be regarded as their poles.

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.In the exemplary embodiment described here, the second switching unit 10 is formed by the third transistor 13 and the fourth transistor 14 . However, it is pointed out that in alternative embodiments, the second switching unit 10 can also be formed by a single electromechanical switch, for example by a contactor. If this is the case, then the electromechanical switch is always turned on when a mode is present in which a current is intended to flow through the first current path.

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.The switching device 1 also includes a control unit 8, which is a digital driver unit, for example. The control unit 8 is set up to control the first switching unit 9 and the second switching unit 10 . For this purpose, the control unit 8 is connected to the gate contacts of the first to fourth transistors 11 to 14 via a respective connection contact x ₁ to x ₄ .

Die Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, unterschiedliche Modi auszuführen. Durch die unterschiedlichen Modi werden unterschiedliche Funktionen bereitgestellt.The control unit 8 is set up to run different modes. Different functions are provided by the different modes.

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.The switching device 1 can thus be operated in a first mode by the control unit 8 . In the first mode, the high-voltage battery 2 is completely disconnected from the vehicle electrical system 3 . For this purpose, the control unit 8 is set up to control the first switching unit 9 in the first mode in such a way that the first transistor 11 and the second transistor 12 are not switched on. Furthermore, the control unit 8 is set up to control the third transistor 13 and the fourth transistor 14 in the first mode in such a way that they are not switched on. A current can therefore flow neither through the first current path 4 nor through the second current path 5 . Although a current could flow via one of the inverse diodes 15 to 18, the current will not flow through the entire current path since the inverse diodes of a current path are arranged with opposite poles to one another.

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. The control unit 8 is set up to operate the switching device 1 in a second mode. In the second mode, which can also be referred to as the discharge mode, discharging of the high-voltage battery 2 is enabled, but charging of the high-voltage battery 2 is prevented. This makes it possible, for example, for a vehicle to be moved to a workshop using the energy still in the high-voltage battery 2, although charging the high-voltage battery 2 is no longer recommended for safety reasons.

In den 2 bis 4 ist ein Weg eines Stromflusses 19 durch die Schaltvorrichtung 1 dargestellt.In the 2 until 4 a path of a current flow 19 through the switching device 1 is shown.

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.Operation of the switching device 1 in the second mode is shown in FIG 2 shown. An arrow with a solid line shows that a transistor is switched on. A crossed-out arrow correspondingly shows that a transistor is not switched through. The dashed arrows show the direction in which a current can flow through the inverse diodes of a transistor.

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.If the first transistor 11 is switched on, a current can flow through it from the high-voltage battery 2 in the direction of the vehicle electrical system 3 . Although the second transistor 12 is not switched on, the current can flow from the high-voltage battery 2 through the second inverse diode 16 of the second transistor 12 to the vehicle electrical system 3 . In the second current path 5, the current can flow through the third transistor 13, which is controlled in accordance with the first transistor 11 and is therefore also switched through. The fourth transistor 14 is according to the second transistor 12 driven and is therefore not turned on. Nevertheless, the current can flow through this fourth transistor 14, namely via the fourth inverse diode 18 of the second transistor 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.The result is that the flow direction for the current in the second current path 5 is the opposite of that in the first current path 4, so that a closed circuit is formed.

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. The control unit 8 is set up to detect a current strength of a current flowing through the first current path 4 and to bring the second transistor 12 into an on state in the second mode when the current coming from the high-voltage battery 2 in the first current path 4 over a predefined first threshold value. The first threshold value is defined in such a way that the second transistor 12 is turned on before the second transistor is damaged by the current flowing through the second inverse diode 16 . Thus, in the second mode, both the first transistor 11 and the second transistor 12 are on when the current is above the first threshold.

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.If the current falls below the first threshold value again, the second transistor 12 is brought back into the non-conductive state. The first transistor 11 remains in the on state. This is also advantageous when a possible change in the direction of current flow is detected, which is typically the case either when the detected current intensity approaches zero and a sign change of the detected current is imminent or when an external sensor system signals that a charging current is being provided is, for example, because a recuperation process was started.

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.In the second mode, the fourth transistor 14 is switched corresponding to the second transistor 12 and the third transistor 13 is switched corresponding to the first transistor 11 .

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.The control unit 8 is also set up to control the first switching unit 9 in a third mode in such a way that the second transistor 12 is switched on and the first transistor 11 is not switched on, the first transistor 11 being arranged in the first current path 4 in such a way that a current flow to the high-voltage battery 2 in the forward direction via an inverse diode, here the first inverse diode 15, of the first transistor 11 is possible. The functionality of the third mode corresponds to that of the second mode, but the current directions are reversed. Thus, a charging current is suppressed by the second mode and a discharging current is suppressed by the third mode. In the third mode, the high-voltage battery 2 can thus be charged via the switching device 1 but cannot be discharged in order to supply the vehicle electrical system 3 . This can be particularly advantageous when there is a defect in the vehicle electrical system 3, but a discharge of the high-voltage battery 2 over time is to be avoided.

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.If the transistors 11 to 14 are switched in accordance with the third mode, the current can flow through the switched-on second transistor 12 and the first inverse diode 15 of the first transistor 11, as a result of which a charging current can flow from the vehicle electrical system 3 to the high-voltage battery 2. Conversely, no discharge current can flow via the first current path 4 since this cannot flow through the first inverse diode 15 of the first transistor 11 and the first transistor 11 is not switched on.

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 the third mode, too, the control unit 8 is set up to detect a current intensity of a current flowing through the first current path 4 and to bring the first transistor 11 into the switched-on state in the third mode when the current flowing to the high-voltage battery 2 is in the first current path 4 is above a previously predefined second threshold, and then bring the first transistor 11 into the non-conductive state when the current flowing to the high-voltage battery 2 in the first current path 4 falls below the predefined second threshold or a possible change in a Direction of current flow is detected. The second transistor 12 remains in the on state. The second threshold value is selected in such a way that damage to the first transistor 11 by a current flowing through the first inverse diode 15 is avoided. If the first transistor 11 is turned on, then the current no longer has to flow completely through the first inverse diode 15 . If the current falls below the second threshold value again, the first transistor 11 is brought back into the switched-off state, as a result of which a current flow in the opposite direction, i.e. a discharge current, cannot flow through the first transistor 11 since it cannot flow in the reverse direction flows through the first inverse diode 15. In the third mode, first transistor 11 can also be switched back to the switched-on state when a possible change in the direction of current flow is detected, for example when control electronics of vehicle electrical system 3 indicate that a consumer has been activated.

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.In the third mode, the fourth transistor 14 becomes corresponding to the second transistor 12 and the third transistor 13 corresponding to the first transistor 11 connected.

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.The control unit 8 is set up to control the first switching unit 9 in a fourth mode such that a current coming from the high-voltage battery, ie a discharge current, is regulated to a target value by clocked switching of the first transistor 11 . This is an example in 3 shown. The first transistor 11 is switched by a pulse-width modulated or a frequency-modulated signal and is thus brought alternately into the switched-on state and into the non-switched-on state. The longer the time intervals in which the first transistor 11 is in the on state, the greater the current flowing through the first transistor. The first transistor 11 can thus be operated as a current or voltage regulator, in particular as a DC converter. The second transistor 12 is either in a switched-on state or in a non-switched-on state. If the second transistor 12 is in a switched-through state, a current flowing to the high-voltage battery 2, ie a charging current, can also be regulated to a target value by the clocked switching of the first transistor.

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.In a corresponding manner, a current can also be regulated to a target value in a fifth mode by the second transistor 12, with the second transistor 12 being controlled in a fifth mode in such a way that clocked switching of the second transistor 12 supplies a to the high-voltage battery 2 flowing current is regulated to a target value. The second transistor 12 can thus also act as a current or voltage regulator. In this case, it is advantageous if the switching device 1 also includes a current or voltage sensor in order to enable regulation to a target value. Alternatively, however, the intervals for the pulse-width modulations or the frequencies for the frequency modulation can be fixed, predetermined values.

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.When charging, the high-voltage battery first goes through a phase in which the current is regulated (constant current). Towards the end of the charging process, there is a switchover and the voltage is regulated (constant voltage). With this battery topology, the onboard charger or the external DC charging station can now be designed as an adjustable voltage source (only CV possible). The battery automatically regulates the constant current phase of charging through its current limitation, which is made possible by the fifth mode. This also eliminates the need to coordinate the ancillary units (12V supply / air conditioning for battery cooling) and communication with the charging station is simplified.

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.In the fourth and fifth modes, the fourth transistor 14 is switched corresponding to the second transistor 12 and the third transistor 13 is switched corresponding to the first transistor 11 .

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.The control unit 8 is also set up to be driven in a sixth mode, which enables an intermediate circuit capacitor 20 to be charged. This is an example in 4 shown. The first current path 4 is connected to the second current path 5 via the intermediate circuit capacitor 20 . Thus, the intermediate circuit capacitor 20 is connected in particular with a first pole to the first voltage input 6 of the vehicle electrical system and with a second pole to the second voltage input 7 of the vehicle electrical system. In order to prevent a high short-circuit current from flowing immediately after the high-voltage battery 2 has been put into operation, for example after the first mode has ended, the switching device 1 can be operated in accordance with the sixth mode. In this case, the first transistor 11 is regulated in its linear range, as a result of which a resistance of the first transistor 11 can be set. The current flow through the first transistor 11 is thus limited, since the first transistor acts as a resistor, and controlled charging of the intermediate circuit capacitor 20 can take place. In parallel with this, the charging current for the intermediate circuit capacitor is also made possible by operating the third transistor 13 in its linear operating range.

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.The transistors in the first and/or second path are therefore controlled in such a way that the current is limited in such a way that the power loss at the switches is low enough but the intermediate circuit capacitor can be precharged.

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.The use of purely electronic switches, for example semiconductor switches, expands these possible states and thus enables the high-voltage battery 2 to become an active element in the system. For example, functions such as active current limitation, pre-charging of an intermediate circuit capacitor or limitation of the current direction (only discharge or only charge) are made possible.

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.The basic technology that makes this possible is the use of semiconductor switches, i.e. transistors. For example, each contactor is replaced by two groups of transistors (a group can consist of several parallel switches), since each group can only block the current in one direction. By selectively switching off individual switch groups, clocking this switch or operation in the linear range (partially conducting) it is possible to achieve the advantages mentioned above.

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.A freewheeling diode can preferably also be implemented as an actively switched freewheeling. If the cell voltage information is lost, current-limited discharging can be permitted, the current intensity of which must be ensured with sufficient reliability (ASIL x). In order not to be dependent on external systems alone, a discharge current can be limited with the switching device.

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.Since the high-voltage battery with the switching device can automatically limit the discharge current to the charging and discharging current permissible for them, the rest of the vehicle's system can be made simpler and the vehicle's HV system can be can also be expanded with less development effort. Additional consumers can be easily added and, if the battery power is limited, only need a switch-off input of a vehicle control unit (VCU) and may have to be but not included in a power balance of the VCU.

Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 4 verwiesen.In addition to the above written disclosure, reference is made explicitly to the disclosure of 1 until 4 referred.

Claims

Switching device (1) for disconnecting a high-voltage battery (2) from an on-board network (3) of a vehicle, comprising: - a first current path (4), which is set up to connect a first pole of the high-voltage battery (2) to a first voltage input (6) of the vehicle electrical system (3), - wherein the first current path comprises a first switching unit (9) which enables the first current path (4) to be interrupted, wherein the first switching unit comprises a first transistor (11) and a second transistor (12), the first transistor (11) and the second transistor (12) are connected in series in such a way that their inverse diodes (15, 16) are connected to one another with opposite poles in the first current path (4), and - a second current path (5), which is set up to connect a second pole of the high-voltage battery (2) to a second voltage input (7) of the vehicle electrical system (3), - Wherein the second current path (5) comprises a second switching unit (10) which enables the second current path (5) to be interrupted, and - A control unit (8) which is set up to control the first switching unit (9) and/or the second switching unit (10).

Switching device (1) according to claim 1 , wherein the control unit (8) is set up to control the first switching unit (9) in a first mode such that the first transistor (11) and the second transistor (12) are not turned on.

Switching device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (8) is set up to control the first switching unit (9) in a second mode such that the first transistor (11) is switched on and the second transistor (11) is not is switched through, the second transistor (12) being arranged in the first current path (4) in such a way that current can flow from the high-voltage battery (2) in the forward direction via an inverse diode (16) of the second transistor (12).

Switching device (1) according to claim 3 , wherein the control unit (8) is set up to detect a current strength of a current flowing through the first current path (4) and in the second mode a. bringing the second transistor (12) into an on state when the current in the first current path (4) coming from the high-voltage battery (2) is above a predefined first threshold value, and b. bringing the second transistor (12) into a non-conducting state when the current coming from the high-voltage battery (2) in the first current path (4) falls below the predefined threshold value or a possible change in the direction of current flow is detected.

Switching device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (8) is set up to control the first switching unit (9) in a third mode such that the second transistor (12) is switched on and the first transistor (11) is not is switched on, the first transistor (11) being arranged in the first current path (4) in such a way that a current flow to the high-voltage battery (2) in the forward direction via an inverse diode (15) of the first transistor (11) is possible.

Switching device (1) according to claim 5 , wherein the control unit (8) is set up to detect a current strength of a current flowing through the first current path (4) and in the third mode - to bring the first transistor (11) into an on state when the to the high-voltage battery (2) current flowing in the first current path (4) is above a predefined second threshold value, and - then bringing the first transistor (11) into a non-conductive state when the current flowing to the high-voltage battery (2) in the first current path (4) falls below the predefined second threshold value or a possible change in the direction of current flow is detected.

Switching device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (8) is set up to - to control the first switching unit (9) in a fourth mode in such a way that a current coming from the high-voltage battery (2) is regulated to a target value by clocked switching of the first transistor (11), and/or - to control the first switching unit (9) in a fifth mode in such a way that a current flowing to the high-voltage battery (2) is regulated to a target value by clocked switching of the second transistor (12).

Switching device (1) according to one of the preceding claims, wherein the control unit (8) is set up to - to control the first switching unit (9) in a sixth mode such that the first transistor (11) is regulated in its linear range in order to limit a current coming from the high-voltage battery (2) for charging an intermediate circuit capacitor (20).

Switching device (1) according to one of the preceding claims, wherein the second switching unit (10) comprises a third transistor (13) and a fourth transistor (14), the third transistor (13) and the fourth transistor (14) being connected in series in this way are that their inverse diodes are connected to one another in opposite polarity in the second current path (5).

Switching device (1) according to claim 9 , wherein the control unit (8) is set up to drive the third transistor (13) according to the first transistor (11) and to drive the fourth transistor (14) according to the second transistor (12).