AT524732A1

AT524732A1 - Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug mit einem Schütz und einem pyrotechnischen Stromtrenner

Info

Publication number: AT524732A1
Application number: ATA50070/2021A
Authority: AT
Original assignee: Astotec Automotive Gmbh
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-08-15
Also published as: AT524732B1

Abstract

Eine Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug hat zumindest einen Schütz (12), zu dem für Unterbrechungen hoher Ströme ein pyrotechnischer Stromtrenner (13)in Serie geschaltet ist, der bei Levitation des Schützes (12) gezündet wird. Erfindungsgemäß ist eine Auswerteschaltung (17) zur Detektion der charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen eines Kurzschlusses vorgesehen, die bei Auftreten derartiger Strom-/Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) generiert. Auf diese Weise wird nicht nur Levitation erkannt, sondern es werden u.a. auch verschmorte Kontakte detektiert. Die Messleitungen (18, 18') der Auswerteschaltung können am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sein, aber auch am Schütz (12). In letzterem Fall kann die Auswerteschaltung (17) zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) erzeugen, wenn der Spannungsabfall am Schütz (12) einen Grenzwert überschreitet, sodass auch Überströme erkannt werden, die noch nicht zur Levitation führen.

Description

wird.

In Elektrofahrzeugen muss während des Parkzustands die sogenannte Hochvoltbatterie - es handelt sich hierbei in der Regel um Spannungen zwischen 250 V und 1000 V - allpolig abgeschaltet sein, was mittels zweier Schütze realisiert wird. Zusätzlich können noch weitere Schütze z.B. zum Ändern der Anordnung der Batteriebänke vorhanden sein. Zusätzlich wird zur sicheren Trennung im Falle eines Unfalls oder Kurzschluss ein

Stromtrenner verbaut.

Pyrotechnische Stromtrenner sind mittlerweile etablierte Komponenten zur Erhöhung der Sicherheit von Elektrofahrzeugen. Ausgehend von ersten Stromtrennern für 12 V-Systeme, wie z.B. in der WO 2004/077478 Al von Dynamit Nobel beschrieben, wurden leistungsfähigere Trenner für höhere Ströme und Spannungen entwickelt, wie z.B. in US 10068732 B2 von Autoliv beschrieben. Diese Bauteile mussten jedoch aktiv angesteuert werden und können damit eine Sicherung nicht ersetzen. Um diese Funktion zu ermöglichen, wurde von Fa. Mersen in FR 3041143 Al vorgeschlagen, den Spannungsabfall bei der Auslösung einer Sicherung zum Zünden eines pyrotechnischen Stromtrenners in Serie zu benützen. Von dieser Idee ist eine Variante mit einem zusätzlichen zweiten Zündkreis für eine externe Auslösung in

FR 3073664 Al offenbart. Nachteilig ist allerdings immer noch die Alterung der als Überstromsensor dienenden Sicherung. Um dem entgegenzuwirken wird in DE 10 2018 109824 B3 von Autokabel die Spannungsdifferenz an einem Schütz bei Levitation infolge von Überstrom benützt, um die Öffnungsbewegung des Ankers pyrotechnisch weiter zu unterstützen. Dieses System besitzt eine große Robustheit in Bezug auf Stromtragfähigkeit, jedoch keine Flexibilität zur Reaktion auf den Zustand des Fahrzeugs und nur

ein eingeschränktes Trennvermögen im Kurzschlussfall.

Stromtrennvermögen überschritten wird.

In dieser Schrift ist nicht erklärt, wie die Levitation erkannt wird. Die einfachste Lösung ist, den Zünddraht parallel zum Schütz zu schalten. Bei Levitation fällt am Schütz wegen des entstehenden Lichtbogens eine erhebliche Spannung (meist rund 60 V) ab, die den pyrotechnischen Stromtrenner zündet. Es ist aber auch möglich, eine Messschaltung vorzusehen, wie dies in den Absätzen [0030] und [0031] der zwei Jahre später veröffentlichten, auch von Autoliv stammenden, oben bereits erwähnten DE 10 2018 109824 B3 beschrieben ist: es wird detektiert, ob ein Spannungsabfall zwischen einigen 10 V und einigen 100 V vorliegt, und nur wenn der Spannungsabfall in diesem Fenster liegt, zündet der pyrotechnische Antrieb, der die Öffnungsbewegung des Schützes unterstützt. Damit wird eine Auslösung bei geöffnetem Schütz, wo die gesamte Bordspannung am

Schütz abfällt, vermieden.

Nachteilig an der Lösung gemäß der erwähnten

DE 10 2016 101252 Al ist insbesondere, dass das Schütz auf der Low-side unterdimensioniert sein muss. Bei einer Abschaltung muss daher immer darauf geachtet werden, dass zuerst das Schütz auf der High-side und erst dann das Schütz auf der Low-side abschaltet, wodurch eine Zeitverzögerung entsteht, die sicherheitstechnisch nicht optimal ist. Weiters ist

problematisch, dass der pyrotechnische Stromtrenner nur dann

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu

beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Auswerteschaltung zur Detektion der charakteristischen Strom-/ Spannungsschwankungen eines Kurzschlusses vorgesehen ist, die bei Auftreten derartiger Strom-/Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners generiert.

Fehlerlichtbogen-Schutzschalter, kurz AFDD (von englisch: Arc Fault Detection Device) sind von stationären elektrischen Anlagen bekannt. Sie analysieren Strom- und Spannungsverlauf mittels digitaler Signalverarbeitung und unterbrechen den Stromkreis bei Signaturen, die typisch für Schwellichtbögen sind. Sie verhindern damit Überhitzungen an schlechten Kontaktstellen oder bei Überschlägen zwischen zwei Leitern.

Erfindungsgemäß wird eine diesen FehlerlichtbogenSchutzschaltern entsprechende Auswerteschaltung verwendet, um das Schütz (oder die Schütze) zu überwachen. Solch eine Schaltung spricht insbesondere dann an, wenn es zu Levitation der Kontakte eines Schützes, der sich vorteilhaft in der HV+ Leitung befindet, kommt. Somit wird das Zündsignal für einen pyrotechnischen Stromtrenner nicht nur im Falle von Levitation erzeugt, sondern auch dann, wenn im Stromkreis Kontakte verschmoren, egal, ob diese verschmorten Kontakte einen

Serienwiderstand bilden oder einen Parallelwiderstand

keiner Levitation kommt, wird von solch einer Schaltung erkannt.

Grundsätzlich könnte man die Auswerteschaltung in Serie in den Stromkreis schalten, aber das wäre schaltungstechnisch aufwändig, weil der gesamte Strom (mehrere 1000 A) von der Auswerteschaltung aufgenommen werden müsste.

Es ist daher bevorzugt, dass die Messleitungen der Auswerteschaltung am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sind.

Alternativ dazu können die Messleitungen der Auswerteschaltung am Schütz angeschlossen sein, sodass die Auswerteschaltung den Spannungsabfall am Schütz detektiert. Da das Schütz einen geringen ohmschen Widerstand hat, kann man am Schütz die charakteristischen Stromschwankungen in Form von

Spannungsschwankungen abgreifen.

Es ist zweckmäßig, wenn der pyrotechnische Stromtrenner über einen Eingang zusätzlich von der Fahrzeugelektronik auslösbar ist. Auf diese Weise kann der Stromkreis unterbrochen werden, wenn ein Unfall passiert. Die Fahrzeugelektronik muss Unfälle ohnehin detektieren, um Airbags und andere Sicherheitselemente auszulösen, sodass es leicht ist, im Falle eines Unfalls zusätzlich den pyrotechnischen Stromtrenner auszulösen. Somit wird im Falle eines Unfalls der Stromkreis auch dann unterbrochen, wenn es zu keinem Kurzschluss kommt bzw. bevor es

zu einem allfälligen Kurzschluss kommt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auslösung des pyrotechnischen Stromtrenners blockierbar ist. Dazu kann eine Trennvorrichtung, z.B. ein Reed-Relais, zur Trennung von zumindest einer Zündleitung des pyrotechnischen Stromtrenners oder von zumindest einer Messleitung der

Auswerteschaltung vorgesehen sein.

Die Blockierung kann durch die Fahrzeugelektronik erfolgen. Dazu

kann die Auswerteschaltung einen zusätzlichen Eingang aufweisen,

Trennung der Zündleitung unabhängig von der Auswerteschaltung.

Der Grund für die Blockierung durch die Fahrzeugelektronik liegt darin, dass es passieren kann, dass (wegen Ladung von Kondensatoren) während des Hochfahrens des Systems so hohe Ströme fließen, dass es zu Levitation kommt. Auch während Phasen hoher Beschleunigung können die Ströme kurzfristig so hoch sein, dass es zu Levitation kommt. In diesen Fällen kann die Fahrzeugelektronik die Auslösung des pyrotechnischen

Gasgenerators verhindern.

Auch im Parkmodus ist eine Blockierung der Auslösung sinnvoll: hier sind die Schütze offen, und es besteht kein Bedarf einer Zündung. Es ist somit nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Auslösung bei abgeschaltetem Schütz blockiert ist. Wenn ein Reed-Relais verwendet wird, dann kann man zu diesem Zweck ganz einfach die Spule des Reed-Relais in Serie mit der Spule des Schützes schalten.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners erzeugt, wenn der Spannungsabfall am Schütz einen Grenzwert überschreitet. Das Schütz hat nämlich einen bestimmten (wenn auch sehr geringen) Widerstand, sodass der Spannungsabfall dem Strom proportional ist. Auf diese Weise ist auch die Erkennung kleinerer Überströme möglich. Diese sogenannten "Soft Over Currents" bewegen sich im Bereich zwischen dem zulässigen Höchststrom und dem Strom, der zur Levitation des Schützes führt. Dieser Strom kann über den Spannungsabfall am Schütz bestimmt werden. Da sich der Widerstand eines Schützes über die Lebensdauer des Fahrzeugs ändert, ist es zweckmäßig, wenn die Auswerteschaltung bei jedem Schließen des Schützes dessen Widerstand misst und den Grenzwert in Abhängigkeit vom gemessenen Widerstand festlegt

An Hand der beiliegenden Zeichnung wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung und Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer abgeänderten erfindungsgemäßen Schutzschaltung.

In eine Hochvoltleitung 11 (HV+) ist ein Schütz 12 geschaltet, das dazu dient, den Stromkreis zu unterbrechen, wenn das Fahrzeug geparkt ist. Da ein Schütz nicht in der Lage ist, derart hohe Ströme, wie sie im Kurzschlussfall in einem Elektrofahrzeug auftreten, zu unterbrechen, ist zusätzlich ein pyrotechnischer Stromtrenner 13 in Serie zum Schütz 12 geschaltet. Dieser pyrotechnische Stromtrenner 13 weist ein Gehäuse 14 auf, durch das die Hochvoltleitung 11 hindurchgeführt ist. Das Gehäuse 14 weist einen Hohlraum auf, in dem ein Kolben 15 verschiebbar ist. Auf der der Hochvoltleitung 11 abgewandten Seite des Kolbens 15 befindet sich eine pyrotechnische Ladung 16. Diese kann über Zündleitungen 19, 19' gezündet werden, wodurch der Kolben 15 in Richtung zur Hochvoltleitung 11 beschleunigt wird und diese durchschlägt, sodass der Stromkreis

zuverlässig unterbrochen wird.

Zu beiden Seiten des Schützes 12 sind Messleitungen 18, 18' angeschlossen, die zu einer Auswerteschaltung 17 führen. Erfindungsgemäß wertet die Auswerteschaltung 12 die Spannung analog wie ein AFDD aus, d.h. es werden die charakteristischen Strom-/Spannungsschwankungen ausgewertet, und wenn diese auftreten, wird Spannung an die Zündleitungen 19, 19' gelegt, sodass die pyrotechnische Ladung 16 zündet und der Stromkreis durch den Kolben 15 unterbrochen wird. Solch charakteristische Strom-/Spannungsschwankungen treten insbesondere dann auf, wenn

es infolge eines starken Überstroms zu Levitation im Schütz 12

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derartige Auswerteschaltung 12 an.

Die Auswertung erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn das Schütz 12 angezogen sein soll. Dieser Zustand kann durch Stromfluss durch die Spule des Schützes 12 ermittelt werden, was ganz einfach dadurch möglich ist, dass man die Spule eines Reed-Relais 20 in Serie zur Spule des Schützes 12 schaltet. Dieses Reed-Relais 20 unterbricht (Fig. 1) eine Messleitung 18' oder (Fig. 2) eine

Zündleitung 19,

Neben den starken Kurzschlüssen, die sich mittels Sicherung gut absichern lassen, kann die Auswerteschaltung 17 auch Überlasten erkennen, indem sie mit einem Spannungskomparator die am Schütz 12 abfallende Spannung mit einem Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten den pyrotechnischen Stromtrenner 13 zündet. Da der Widerstand eines Schützes sich mit der Zeit ändert, ja sogar nach jedem Schließvorgang etwas unterschiedlich ist, ist es dabei zweckmäßig, wenn die Auswerteschaltung 17 nach jedem Schließen des Schützes den Widerstand bestimmt und danach den Grenzwert festlegt. Solch eine Widerstandsmessung kann z.B. dadurch erfolgen, dass über die Messleitungen 18, 18' ein Wechselstromsignal eingespeist wird und die sich ergebende Wechselspannung gemessen wird. Wenn man die Wechselspannung genau mit der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms filtert, kann man Störungen durch den sonst über das Schütz fließenden Strom fast vollständig eliminieren.

Die Auswerteschaltung hat noch einen zusätzlichen Eingang 21, über den die Fahrzeugelektronik einen Zündbefehl einspeisen kann. Wenn die Bordelektronik einen Unfall erkennt, kann sie einen Zündbefehl absetzen, sodass auch ohne Kurzschluss die pyrotechnische Trennvorrichtung 13 den Stromkreis unterbricht.

Über diesen Eingang 21 können auch Blockierbefehle eingespeist werden, z.B. wenn unmittelbar nach dem Hochfahren der Systeme oder bei besonders starken Beschleunigungsvorgängen ein außergewöhnlich hoher Stromfluss erwartet wird, bei dem die

Auswerteschaltung 17 sonst auslösen würde. Alternativ kann ein

Fahrzeugelektronik angesteuert wird.

Claims

Telefon: £ +43 (1) 512 24 81 / Fax: 3+43 (1) 513 76 81 / E-Mail: £&7 repatent@aon.at

Konto (PSK): 1480 708 BLZ 60000 BIC: OPSKATWW IBAN: AT19 6000 0000 0148 07081 480 708

Hirtenberger Automotive Safety GmbH & Co KG A-2552 Hirtenberg (AT) Patentansprüche 1. Schutzschaltung für ein Elektrofahrzeug mit zumindest einem

Schütz (12) und einem dazu in Serie geschalteten pyrotechnischen Stromtrenner (13), wobei der pyrotechnische Stromtrenner (13) bei Levitation des Schützes (12) gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (17) zur Detektion der charakteristischen Strom-/ Spannungsschwankungen eines Kurzschlusses vorgesehen ist, die bei Auftreten derartiger Strom-/Spannungsschwankungen ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners

(13) generiert.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeleitungen (18, 18') der Auswerteschaltung am Ausgang der Spannungsquelle, also parallel zum Verbraucher, angeschlossen sind.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messleitungen (18, 18') der Auswerteschaltung (17) am

Schütz (12) angeschlossen sind.
4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pyrotechnische Stromtrenner (13) über einen Eingang (21) zusätzlich von der

Fahrzeugelektronik auslösbar ist.
5. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass die Auslösung des pyrotechnischen

Stromtrenners (12) blockierbar ist.

11.

12.

13.

Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Blockierung der Auslösung eine Trennvorrichtung, z.B. ein Reed-Relais (20), zur Trennung von zumindest einer Zündleitung (19, 19') des pyrotechnischen Stromtrenners

(13) oder von zumindest einer Messleitung (18, 18") der

Auswerteschaltung (27) vorgesehen ist.

Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung durch die Fahrzeugelektronik blockierbar

ist.

Schutzschaltung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung, z.B. das Reed-

Relais (20), durch die Fahrzeugelektronik angesteuert ist.

Schutzschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockierung während des

Hochfahrens des Systems erfolgt.

Schutzschaltung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockierung während Phasen hoher

Beschleunigung erfolgt.

Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung bei abgeschaltetem Schütz (12) blockiert

ist.

Schutzschaltung nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang der Trennvorrichtung, z.B. die Spule des Reed-Relais (20), in Serie mit der Spule des Schützes (12) geschaltet ist.

Schutzschaltung nach Anspruch 3 und gegebenenfalls einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (17) zusätzlich dann ein Signal zur Zündung des pyrotechnischen Stromtrenners (13) erzeugt, wenn der Spannungsabfall am Schütz (12) einen Grenzwert

überschreitet.

Schutzschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (12) nach jedem Schließen des Schützes (12) dessen Widerstand misst und den Grenzwert in

Abhängigkeit vom gemessenen Widerstand festlegt.