带有烟火隔离装置的高压电气系统和运行高压电气系统的方法

摘要

一种高压电气系统，包括带有高压侧接口触点和低压侧接口触点的高压电池接口，和带有高压侧输出触点和低压侧输出触点的高压输出口。为了在使用悬浮的情况下可靠地隔离，设计有至少一个布置在低压侧接口触点和低压侧输出触点之间的由第一开关继电器和烟火隔离装置构成的串联电路。

权利要求

1.一种高压电气系统，包括，-带有高压侧接口触点和低压侧接口触点的高压电池接口，-带有高压侧输出触点和低压侧输出触点的高压输出口，和-至少一个布置在低压侧接口触点和低压侧输出触点之间的由第一开关继电器和烟火隔离装置构成的串联电路,其特征在于，

-烟火隔离装置为在悬浮期间在第一开关继电器中流动的开关电流而设计。

2.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，

-布置在高压侧接口触点和高压侧输出触点之间的至少一个第二开关继电器。

3.根据权利要求2所述的高压电气系统，其特征在于，

-第一开关继电器和第二开关继电器的导电性能大概相同。

4.根据权利要求3所述的高压电气系统，其特征在于，所述第一开关继电器和第二开关继电器的直流导电性能高于100A。

5.根据权利要求3所述的高压电气系统，其特征在于，所述第一开关继电器和第二开关继电器的直流导电性能高于200A。

6.根据权利要求2所述的高压电气系统，其特征在于，

-第一开关继电器针对比第二开关继电器更低的开关电流而设计。

7.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，

-烟火隔离装置通过隔离信号激活。

8.根据权利要求7所述的高压电气系统，其特征在于，烟火隔离装置由安全气囊控制信号激活。

9.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，

-这样控制烟火隔离装置，使其在第一开关继电器悬浮时激活。

10.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，

-烟火隔离装置和第一开关继电器安装在共同的壳体中。

11.根据权利要求1所述的高压电气系统，其特征在于，

-第一开关继电器在输出触点之间有短路电流流动时仅部分地打开，其中，剩余电流流经在第一开关继电器悬浮时产生的电弧，并且烟火隔离装置设计用于隔离剩余电流。

12.用于运行根据权利要求1至11中任意一项所述的高压电气系统的方法，其中，-在运行情况下，位于高压侧接口触点和高压侧输出触点之间的第二开关继电器打开，其特征在于，-在短路情况下，首先额外地通过出现在第一开关继电器上的悬浮打开位于低压侧接口触点与低压侧输出触点之间的第一开关继电器，并且流经由悬浮所形成的电弧的剩余电流通过烟火隔离装置中断。

说明书

带有烟火隔离装置的高压电气系统和运行高压电气系统的

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种特别是在汽车应用中，例如在混合电力车辆(HEV)，电池电力车辆(BEV)或燃料电池车辆(FCV)中的高压电气系统。此外，本发明还涉及一种用于运行这种高压电气系统的方法。

背景技术

[0002] 电动车辆的比例未来将升高。在此，从化石燃料到电车辆驱动的逐步过渡值得关注。具体的应用例如在混合动力车辆(HEV)电池电力车辆(BEV)以及燃料电池车辆(FCV)中是有意义的。

[0003] 由于在接下来几年和数十年中，电动车辆的比例，特别是以电为主要驱动的车辆的比例将提高，因此对于电气系统的要求改变巨大。其中，对于电驱动接受度的关键是高压电气系统的可靠性和安全性。

[0004] 根据电气化的程度，也就是电在驱动功率中的比例，电功率位于10至120kW的区间内。与传统的12V电气系统相比，电动车辆的电气系统中的驱动电压明显更高。这通过集成作为可充电能量存储器的高压电池实现。通过明显更高的驱动电压使电气系统的复杂性提高并由此也提高了对如继电器、导线和保险等电气系统组件的要求。

[0005] 对于安全关键的时刻，特别是高压电气系统从高压电池的可靠地切断是关键点。在电压高至1000V DC并且短路电流在千安范围时对于开关继电器和保险的要求是巨大的。
必须确保在正常情况以及事故情况下的继电器以及保险的可靠的开关性能。在运行情况下需要在比事故或故障情况下明显更小的电流下进行开关。在运行情况下，例如在保养和维护时，虽然必须要进行电流隔离，但是需要开关的电流相对小。在运行情况下或在其他没有短路电流流动的特殊情况下的切断可以通过开关继电器实现。

[0006] 然而在短路情况下具有明显更高的电流并且还必须可以可靠地切断。为此，传统方式是在高压侧和低压侧使用保险和继电器的组合。保险用于在短路情况下的切断，与之相对地继电器通常用于在运行情况下的切断。

[0007] 具体已知的是，传统的由保险和继电器的组合意味着巨大的开支。各个保险和继电器组合的设计必须彼此匹配，从而保证即使在短路情况下的保险的可靠的触发。由此产生对继电器和保险触发曲线高的要求，这导致巨大的成本劣势。

发明内容

[0008] 本发明的目的由此在于，提供一种用于高压电气系统的保险，其以较小的组件成本实现可靠的短路切断。

[0009] 该目的通过根据权利要求1的高压电气系统以及根据权利要求10的用于运行高压电气系统的方法实现。

[0010] 根据本发明的高压电气系统通常布置在高压电池和电驱动装置之间。与传统12V电气系统相反，在高压电气系统中，电池正极(高压侧)和电池负极(低压侧)都通过电缆，优选通过布置在此之间的直流/直流或交流/直流转换器与电动马达相连。外壳反馈由此不会通过车身进行。根据本发明的高压电池通常是能够再充电的能量存储器，其提供数百伏至数千伏之间的输出电压。输出电压以直流电压(DC)通过高压电气系统的电导线施加在电驱动马达上。高压电气系统的输出侧通常还设计有为电驱动装置将输入电压转换为适合的输出电压的直流/直流或交流/直流转换器。

[0011] 电驱动装置以非常高的功率驱动，其介于10KW至大于120KW之间。该高功率决定了在所述的高电压下仍旧非常高的电流。

[0012] 在正常运行时，这种高电流通常通过高压侧继电器进行开关。该高压侧继电器位于高压侧接口触点和高压侧输出触点之间。在运行时，通常只有当高压侧继电器已经进行开关后才进行低压侧的开关。因此，低压侧继电器通常只为较低电流的开关而设计。

[0013] 根据本发明已知的是，对于紧急情况切断，例如碰撞情况下，即使低压侧继电器也必须能够开关高电流。然而发明人已经认识到，如高压侧所设计的那样的高电流开关能力对于确保可靠的开关不是必须的。而是通过根据本发明由开关继电器和烟火隔离装置构成的串联电路确保低压侧接口触点与低压侧输出触点之间的足够的安全性。

[0014] 在紧急情况下，第一开关继电器首先至少部分地切断短路电流。因为出现特别高的电流，可能导致所谓的悬浮。悬浮也称作“电磁排斥”(electric magnetic repulsion)。在此，尽管在继电器中具有受控的线圈，还是引起桥接触点的受迫运动。对此的原因在于两个反向电流流经的导体之间的电磁排斥。在继电器情况下，排斥由此产生，即静触点没有形成与与桥接触点的全表面接触。这导致电流通过静触点流向与桥接触点的接触位置并由此返回。由此产生反向的电流。由此产生的非垂直的电流方向导致桥接触点与静触点之间的排斥。如果在继电器中出现悬浮，则会导致触点打开，通过触点打开可以产生桥接触点与静触点之间的电弧。

[0015] 如果继电器打开，则产生电弧，在此大部分电压已经下降。这导致烟火隔离器只还需切断少量的电流。发明人已经意识到，对于紧急情况切断，可以利用低压侧继电器中的悬浮。第一开关继电器中的悬浮已经导致烟火隔离装置中的开关电压或开关电流的巨大下降。烟火隔离装置则可以在不出现电弧的条件下切断剩余电流并将高压电池也从低压侧与电动马达隔离。

[0016] 如前所述，高压电气系统也具有高压侧保险。这根据一种有利的实施例通过至少一个第二开关继电器实现，其布置在高压侧接口触点和高压侧输出触点之间。除了第二开关继电器以外还可以具有另一保险。

[0017] 如前所述，在正常运行时，电流流经第一和第二开关继电器。这意味着，电流也流经保险或烟火隔离装置。导电性能，特别是两个开关继电器的直流导电性能由此设置为大概相同。特别地，高于100A，优选高于200A的导电性能是必要的，从而将正常运行时流动的电流引导到开关继电器中而不会对其造成损坏。

[0018] 此外，在正常运行时高压电池通过高压侧开关继电器从电动马达隔离。在高压侧开关继电器隔离之后才可以也打开低压侧的第一开关继电器。因为此时不再有电流流动，第一开关继电器可以针对比第一开关继电器更低的开关电流而设计。

[0019] 根据本发明已经注意到，只有这样才能实现高压侧和低压侧在短路情况下的紧急情况切断。为此，通过在第一开关继电器内出现悬浮的时刻断开烟火隔离器而利用第一开关继电器中出现的悬浮。由于在烟火隔离器中，开关电流通过在第一开关继电器中出现的悬浮已经下降，因此烟火隔离器可针对较低的开关电流而设计。

[0020] 烟火隔离器由此相比传统的与低压侧开关继电器串联的保险有利之处在于保险是自触发的并且相对需要多的电能用于触发。通常只有当短路的所有能量都确实提供给保险时，保险才能快速地触发。然而在悬浮的情况下，电池电压分配到保险和继电器上。如果继电器通过悬浮打开，则产生电弧，大部分电压由此已经下降。由此对于传统的保险仅有相对少量的功率可用，从而使保险无法足够快地触发。这甚至可能导致保险根本无法触发，因为通过悬浮出现的电压降已经足够大，使保险不再能够触发。

[0021] 然而发明人已经注意到，通过烟火隔离器的使用可以使否则在低压侧开关继电器中需要避免的悬浮得到利用。

[0022] 根据一种实施例，烟火隔离装置通过隔离信号激活。这种由外侧输入的隔离信号可以例如来自安全气囊控制设备，其在碰撞时促使安全气囊的触发。在这种情况下，将高压电池由电气系统隔离是有意义的。触发信号由此导致烟火隔离器的打开。烟火隔离器的点燃可以通过任意的外部隔离信号进行。例如在电气系统中例如低压侧也可以进行电流测量，并且在过流时可以引入烟火隔离装置的触发信号。

[0023] 通常烟火隔离装置的特征在于，烟火隔离丸通过电点火脉冲激活。由此引发的烟火反应导致位于隔离位置上的电连接的机械隔开。

[0024] 根据一种实施例的烟火隔离装置有利地这样控制，使其在第一开关继电器悬浮时激活。在短路情况下，大电流流经低压侧继电器。在此产生悬浮并且桥接触点可以从静触点松开。然而，流经电弧的剩余电流可以通过烟火隔离装置断开而无需触发其他电弧，从而使出现在第一开关继电器上的电弧瓦解。

[0025] 如前所述，烟火隔离装置仅应中断在悬浮时产生的剩余电流。由此，烟火隔离装置仅针对在悬浮期间流入第一开关继电器的电流而设计。传统的保险无法可靠地隔离这种剩余电流，因为剩余电流的能量部分地不够触发保险。

[0026] 根据一种实施例，烟火隔离装置和第一开关继电器安装在共同的壳体中。由此可以在紧凑的组件中针对高压电气系统中的短路情况提供安全关键的切断机构。

[0027] 在短路情况下，可能在输出触点之间有短路电流流动。在此，第一开关继电器由于悬浮而至少部分地打开。剩余电流在悬浮期间特别是沿着在此产生的电弧流经第一开关继电器。烟火隔离元件设计用于隔离此剩余电流。

[0028] 根据本发明的另一方面，这样运行高压电气系统，使位于高压侧接口触点和高压侧输出触点之间的第二开关继电器在运行情况下打开。也就是说，在运行情况下，开关可以通过第二开关继电器进行，因为开关电流足够小。

[0029] 如果开关电流超过数百安，例如在错误情况下，则在位于低压侧接口触点与输出触点之间的第一开关继电器中可以出现悬浮。位于第一开关继电器上的该悬浮导致第一开关继电器的部分打开。流经由悬浮所形成的电弧的剩余电流根据本发明通过烟火隔离装置隔离。

附图说明

[0030] 以下将根据附图所示的实施例进一步阐释本发明。其中

[0031] 图1示出了根据一实施例的根据本发明的高压电气系统的示意性框图。

具体实施方式

[0032] 图1示出了带有高压侧上的正极2a和低压侧上的负极2b的高压电池2。此外，图1还示出了直流/直流转换器4，其与电动驱动马达6相连。高压电气系统8通过高压侧接口触点8a’与高压电池2的正极2a相连。高压电气系统8通过低压侧接口触点8a”与高压电池2的负极2b相连。在输出侧，高压电气系统8高压侧通过输出触点8b’并且低压侧通过输出触点8b”与直流/直流转换器4相连。在接口触点8a’和输出触点8b’之间布置至少一个开关继电器
10。此外可以具有保险12。可以与此并联(未示出)另一继电器和欧姆电阻。这可以在启动情况下，特别是热启动时用作例如限流器。启动电流首先流经另一继电器和电阻并由此受到限制。

[0033] 在接口触点8a”和输出触点8b”之间优选以组装在壳体中的方式布置至少一个烟火隔离元件14和一个开关继电器16。

[0034] 在运行中，电流由高压电池2经过高压电气系统8流到直流/直流转换器4。高压侧和低压侧均有工作电流流动。

[0035] 两个开关继电器10和16设计得使其可以持续承受100A和可能更高的工作电流而不会损坏。

[0036] 在正常的切断情况下，也就是在运行时可能需要将高压电池2从直流/直流转换器4电隔离。为此将开关继电器10打开，从而中断工作电流。由于工作电流可能为数百安，开关继电器10设计用作这样的高电流的开关。在开关继电器10打开后，开关继电器16可以无电流打开，并且可以通过电气系统8确保高压电池2和直流/直流转换器4之间的电流隔离。

[0037] 如果开关继电器10也没有隔离切断电流，作为备份还有烟火隔离元件14和开关继电器16可以确保将电流切断。

[0038] 在错误情况下，可能短时有非常高的短路电流流动，该电流明显高于工作电流。在错误情况下，需要在高压侧和低压侧的直接隔离。

[0039] 发明人已经认识到，可以利用在开关继电器16上出现短路电流情况下产生的悬浮。发明人特别地已经认识到，在短路电流的情况下，明显高于工作电流的电流流经开关继电器16。

[0040] 在针对比开关继电器10所针对的开关电流更小的开关电流而设计的开关继电器16上可能产生悬浮。也就是说，即使开关继电器16的线圈已激活，桥接触点也被从静触点上抬起。这由于静触点或桥接触点的导电部分的电磁排斥而进行。

[0041] 通过也称作电磁排斥的悬浮，产生通过开关继电器16的短时的电流路径的隔离。然而，由于悬浮促使在开关继电器16中的桥接触点从静触点上仅少量的升起，位于两触点之间的电弧开始燃烧并且剩余电流流经该电弧。

[0042] 由于在错误情况下，需要将高压电池2从直流/直流转换器4上完整隔开，根据本发明提出，在悬浮时产生的剩余电流通过烟火隔离元件14隔离。为此，烟火隔离元件14接收外部控制信号。烟火隔离元件14通过该外部控制信号控制，并点燃安装在其中的点火丸。烟火反应导致烟火隔离元件14区域中的导体的机械隔开，从而使接口触点8a”和输出触点8b”之间的电连接完全隔离。

[0043] 由于待隔离的剩余电流明显小于短路电流，因此在烟火隔离元件14的区域中不再形成电弧。而是将电流完全隔离。由于隔离元件14只需设计用于剩余电流的隔离，其可以构造得明显更小并且性能可以明显弱于如果用于隔离短路电流的构造。

[0044] 烟火隔离元件14以及开关继电器16可以以组件的方式共同用一个壳体遮蔽。由此可以尤其简单地实现在碰撞后更换此组件，特别是如果其可以例如通过插接触点与高压电气系统8连接。由于触发了烟火隔离元件14，至少需要一次更换。在更换时可以同时一起更换开关继电器16，其通常通过在悬浮时产生的电弧严重损坏或损毁。

[0045] 还可能的是，将必要时具有其他尺寸设计的开关继电器16的烟火隔离元件14与开关继电器16的组合也安装在高压侧，也就是说，替代开关继电器10和保险12。由此也可设想一种电气系统8，其中，高压侧和低压侧均构造有由烟火隔离元件14和开关继电器10,16构成的组件。

[0046] 完全的电流隔离具体地通过根据本发明至少在低压侧烟火隔离元件将剩余电流隔离而实现。

[0047] 附图标记说明

[0048] 2 高压电池

[0049] 2a 正极

[0050] 2b 负极

[0051] 4 直流/直流转换器

[0052] 6 驱动马达

[0053] 8 高压电气系统

[0054] 8a’,8a” 接口触点

[0055] 8b’,8b” 输出触点

[0056] 10 开关继电器

[0057] 12 保险

[0058] 14 烟火隔离元件

[0059] 16 开关继电器