-
Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug, mit einer Traktionsbatterie, einem Ladegerät, welches eine Batterieschnittstelle und eine Ladeschnittstelle zur Kopplung an einer externen Quelle aufweist, wobei die Batterieschnittstelle über eine erste elektrische Leitung mit einem Pluspol der Traktionsbatterie und über eine zweite Leitung mit dem Minuspol der Traktionsbatterie verbunden ist.
-
Ein Elektrofahrzeug weist üblicherweise eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb der Fahrzeugräder und eine Traktionsbatterie zur Versorgung der elektrischen Antriebseinheit im Fahrbetrieb mit elektrischer Energie auf. Zum Aufladen der Traktionsbatterie kann entweder Wechselstrom oder Gleichstrom an einer Ladeschnittstelle des Elektrofahrzeugs anliegen. Die Traktionsbatterie kann jedoch ausschließlich mit Gleichstrom aufgeladen werden, so dass der Traktionsbatterie ein sogenanntes Ladegerät vorgeschaltet ist. Das Ladegerät dient der Umwandung von Wechselstrom in Gleichstrom.
-
Bei einem Unfall können das Ladegerät und andere, stromführende Komponenten beschädigt werden, wodurch für eine Person die Gefahr eines elektrischen Schlags durch durch den Unfall freigelegte, elektrische Komponenten besteht. Üblicherweise wird daher versucht, das Ladegerät und andere stromführende Komponenten in einem crashsicheren Bereich des Elektrofahrzeugs zu positionieren und dadurch die Gefahr einer Beschädigung des Ladegeräts und der anderen Komponenten zu reduzieren. Dadurch soll die Gefahr eines elektrischen Schlags reduziert werden.
-
Eine derartige Positionierung des Ladegeräts in einem crashsicheren Bereich erhöht den Aufwand bei der Gestaltung des Elektrofahrzeugs und ist gegebenenfalls überhaupt nicht möglich.
-
Aus
WO 2020/070164 A1 und
DE 10 2015 223 230 A1 ist jeweils ein fahrzeugseitiges Ladesystem zum induktiven Aufladen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei das Ladesystem gemäß
WO 2020/070164 A1 eine Entladeanordnung mit einem ohmschen Widerstand und einem Transistor aufweist und das Ladesystem gemäß
DE 10 2015 223 230 A1 zwei, zwischen einem Wechselrichter und einer Batterie angeordnete Batterieschutzschalter aufweist.
-
Ferner offenbart die
DE 10 2021 205 802 A1 eine Vorrichtung zur elektrischen Verschaltung eines Brennstoffzellenstapels und einer Hochvoltbatterie zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern, welche auf der Seite der Hochvoltbatterie angebunden sind, wobei der Brennstoffzellenstapel und die Hochvoltbatterie über eine einen Stromfluss in Richtung des Brennstoffzellenstapels sperrende Diode und einen Schalter zum Schließen und Trennen der Verbindung miteinander verschaltet sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, bei welchem auf eine einfache und zuverlässige Weise die Gefahr einer Person vor einem elektrischen Schlag bei einem Unfall und einer Beschädigung des Ladegeräts, der Traktionsbatterie und/oder einer das Ladegerät mit der Traktionsbatterie verbindenden elektrischen Leitung reduziert wird.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Das Elektrofahrzeug umfasst eine Schutzvorrichtung, um die Gefahr für eine Person vor einem elektrischen Schlag bei einer unfallbedingten Beschädigung des Ladegeräts, der Traktionsbatterie und/oder der elektrischen Leitungen zu reduzieren. Bei einem Unfall kann das Ladegerät, die Traktionsbatterie und/oder die Traktionsbatterie mit dem Ladegerät verbindenden, elektrischen Leitungen derart beschädigt werden, dass ein stromleitendes Element freiliegt und dadurch durch eine Berührung durch die Person einen elektrischen Schlag verursachen würde. Anderenfalls kann die stromleitende Komponente derart beschädigt sein, dass diese mit einer anderen, für die Person zugänglichen Komponente, beispielsweise die Karosserie, elektrisch verbunden ist und dadurch eine Gefahr eines elektrischen Schlags bei einer Berührung mit der anderen Komponente vorliegen würde.
-
Erfindungsgemäß weist die Schutzvorrichtung eine Diode und eine Schaltervorrichtung und/oder eine Entladevorrichtung auf. In anderen Worten weist die Schutzvorrichtung zwingenderweise eine Diode und zusätzlich eine Schaltervorrichtung und/oder eine Entladevorrichtung auf.
-
Die Diode ist an der ersten, mit dem Pluspol der Traktionsbatterie verbundenen, elektrischen Leitung angeordnet. Eine Diode weist grundsätzlich eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung auf. Im vorliegenden Fall ist die Diode derart ausgeführt, dass ein Durchfluss ausgehend von dem Ladegerät zum Pluspol der Traktionsbatterie zugelassen wird. Damit ist die Durchflussrichtung ausgehend vom Ladegerät zum Pluspol der Traktionsbatterie. In die entgegengesetzte Richtung sperrt die Diode den Stromdurchfluss, so dass der Stromfluss ausgehen vom Pluspol der Traktionsbatterie zum Ladegerät gesperrt wird.
-
Durch die an der ersten, elektrischen Leitung vorgesehene Diode kann verhindert werden, dass bei einem durch einen Unfall verursachten Kurzschluss der beiden Leitungen, bzw. zwischen dem Pluspol und Minuspol der Traktionsbatterie, ein elektrischer Strom ausgehend von der Traktionsbatterie durch die Diode verhindert wird, wodurch ein elektrischer Schlag der die Leitungen berührenden Person vermieden wird. Hierbei ist entscheidend, dass der elektrische Stromfluss der Traktionsbatterie ausschließlich vom Pluspol zum Minuspol erfolgt.
-
Die Schaltervorrichtung ist derart ausgeführt, dass in einer Schließstellung der Schaltervorrichtung mindestens eine energiespeichernde Komponente des Ladegeräts mit der Batterieschnittstelle elektrisch verbunden ist und in einer Offenstellung der Schaltervorrichtung die energiespeichernde Komponente des Ladegeräts von der Batterieschnittstelle getrennt ist.
-
Die Schaltervorrichtung ist zwischen einer Batterieschnittstelle und den anderen Komponenten des Ladegeräts angeordnet und umfasst zwei Schalterelemente, wobei ein erstes Schalterelement an einer ersten Verbindung angeordnet ist und ein zweites Schalterelement an einer zweiten Verbindung angeordnet ist. Die Schalterelemente sind vorzugsweise als elektronische oder mechanische Schalterelemente ausgeführt.
-
Das Ladegerät weist mindestens eine energiespeichernde Komponente, insbesondere einen Kondensator, auf, welche während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie elektrische Energie speichert und beispielsweise der Glättung eines vom Wechselstrom gewandelten Gleichstroms dient. Nach dem Ladevorgang und einer Entkopplung der Ladeschnittstelle vom Stromnetz ist weiterhin elektrische Energie in der energiespeichernden Komponente gespeichert, durch welche eine Gefahr eines elektrischen Schlags bei einer Beschädigung des Ladegeräts, insbesondere der Batterieschnittstelle, und/oder der elektrischen Leitungen bestehen würde.
-
Dadurch, dass die Schaltervorrichtung, d.h. die beiden Schalterelemente, in einem Nicht-Ladevorgang, beispielsweise im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs, in eine Offenstellung geschaltet sind, sind die Batterieschnittstelle und die elektrischen Leitungen ladegerätseitig von den energiespeichernden Komponenten entkoppelt. Erst bei einem Ladevorgang wird die Schaltvorrichtung, d.h. die Schalterelemente, in die Schließstellung geschaltet, wodurch erst ein Ladevorgang möglich wird. Die Schaltervorrichtung wird ausschließlich zum Aufladen der Batterie in die Schließstellung geschaltet.
-
Die Entladevorrichtung weist ein Verbraucherelement und ein zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verstellbares Schaltelement auf, wobei die Entladevorrichtung derart ausgeführt ist, dass in der Schließstellung des Schaltelements das Verbraucherelement derart mit der energiespeichernden Komponente elektrisch verbunden ist, dass sich die energiespeichernde Komponente entlädt.
-
Wie bereits in einem vorhergehenden Absatz erläutert, speichert die mindestens eine energiespeichernde Komponente während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie elektrische Energie, wobei nach dem Ladevorgang und einer Entkopplung der Ladeschnittstelle vom Stromnetz weiterhin elektrische Energie in der energiespeichernden Komponente gespeichert ist, durch welche eine Gefahr eines elektrischen Schlags bei einer Beschädigung des Ladegeräts, insbesondere der Batterieschnittstelle, und/oder der elektrischen Leitungen bestehen würde.
-
Durch die Entladevorrichtung kann die energiespeichernde Komponente bedarfsgerecht entladen werden, wobei über ein Schaltelement ein Verbrauchselement gezielt zuschaltbar ist. Hierbei ist das Schaltelement grundsätzlich offen, d.h. in der Offenstellung angeordnet. Nach einem Ladevorgang der Traktionsbatterie wird das Schaltelement gezielt in die Schließstellung verstellt, wodurch die energiespeichernde Komponente mit dem Verbrauchselement elektrisch gekoppelt wird und dadurch eine Entladung der energiespeichernden Komponente erfolgt. Das Verbrauchselement ist insbesondere ein Widerstand. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass im Fahrbetrieb elektrische Energie in der energiespeichernden Komponente gespeichert ist.
-
Durch eine derartige Schutzvorrichtung wird durch mehrere Schutzmechanismen verhindert, dass bei einem Unfall und einer Beschädigung der Traktionsbatterie, des Ladegeräts und/oder der elektrischen Leitungen eine Person durch einen elektrischen Schlag verletzt wird, wobei sowohl ladegerätseitig als auch batterieseitig mindestens ein Schutzmechanismus vorgesehen ist. Dabei könnte ladegerätseitig sogar ein redundantes Sicherheitssystem vorliegen, wenn die Schaltervorrichtung und die Entladevorrichtung vorhanden sind.
-
Vorzugsweise weist das Ladegerät drei Kondensatoren auf, wobei einer der Kondensatoren an einer ersten, zwei elektrische Verbindungen des Ladegeräts verbindenden Leitung angeordnet ist und die beiden anderen Kondensatoren an einer zweiten, die zwei elektrischen Verbindungen des Ladegeräts verbindenden Leitung angeordnet ist, wobei die zweite Leitung mit einer Erdung verbunden ist. Die Kondensatoren dienen der Glättung eines vom Wechselstrom gewandelten Gleichstroms.
-
Vorzugsweise weist das Ladegerät eine der AC-DC-Wandlung dienende Leitungselektronik auf, wodurch ein als Wechselstrom vorliegender Ladestrom in einen zum Aufladen der Traktionsbatterie erforderlichen Wechselstrom umgewandelt werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Ladegerät über die Ladeschnittstelle mit einer Sekundäreinheit einer induktiven Ladevorrichtung verbunden, wobei die Sekundäreinheit mit einer externen Primäreinheit verbindbar ist. Die Primäreinheit ist mit einem Versorgungsnetz elektrisch gekoppelt und derart ausgeführt, dass mittels einer Primärspule ein magnetisches Ladefeld erzeugt wird, das eingerichtet ist, einen Ladestrom an einer Sekundärspule der Sekundäreinheit zu induzieren. Der Ladestrom wird über das Ladegerät zur Traktionsbatterie geleitet, wodurch die Traktionsbatterie aufgeladen wird.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch ein Elektrofahrzeug und eine induktive Ladevorrichtung, und
- 2 zeigt schematisch ein Ladegerät und eine Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aus 1.
-
1 zeigt ein Elektrofahrzeug 10, welches eine Traktionsbatterie 12 und einen in der 1 nicht gezeigten elektrischen Traktionsmotor aufweist, wobei der Traktionsmotor durch die Traktionsbatterie 12 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Traktionsbatterie 12 entlädt im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs 10, d.h. aufgrund der Versorgung des Traktionsmotors mit elektrischer Energie durch die Traktionsbatterie 12, und muss immer wieder aufgeladen werden. Hierbei wird die Traktionsbatterie 12 insbesondere mit einem öffentlichen Versorgungsnetz elektrisch gekoppelt, wobei die Kopplung entweder konduktiv, d.h. über ein Ladekabel, oder induktiv, d.h. kabellos, erfolgen kann. In 1 ist eine induktive Kopplung gezeigt. Hierzu ist eine induktive Ladevorrichtung 40 vorgesehen. Die induktive Ladevorrichtung 40 umfasst eine an einer Fahrbahn angeordnete Primäreinheit 42 mit einer Primärspule und eine am Unterboden des Elektrofahrzeugs 10 angeordnete Sekundäreinheit 44 mit einer Sekundärspule 46. Die Primäreinheit 42 ist mit dem Versorgungsnetz elektrisch gekoppelt, wobei durch die Primäreinheit 42, d.h. durch die Primärspule, ein magnetisches Ladefeld erzeugt wird. Durch das magnetische Ladefeld wird ein Ladestrom an einer Sekundärspule der Sekundäreinheit 44 induziert. Der Ladestrom liegt in Form von Wechselstrom vor, wobei durch ein Ladegerät 20, welches zwischen der Sekundäreinheit 44 und der Traktionsbatterie 12 zwischengeschaltet ist, der Wechselstrom in zum Aufladen der Traktionsbatterie 12 erforderlichen Gleichstrom gewandelt wird.
-
2 zeigt die Sekundäreinheit 44 der induktiven Ladevorrichtung 40, das Ladegerät 20 und die Traktionsbatterie 12.
-
Das Ladegerät 20 ist über eine Ladeschnittstelle 32 mit der Sekundäreinheit 44 der induktiven Ladevorrichtung 40 und über eine Batterieschnittstelle 30 mit der Traktionsbatterie 12 elektrisch verbunden. Durch die Ladeschnittstelle 32 wird der induzierte Ladestrom, welcher als Wechselstrom vorliegt, an das Ladegerät 20 übertragen. Über die Batterieschnittstelle 30 wird ein Gleichstrom an die Traktionsbatterie 12 übertragen, wobei die Batterieschnittstelle 30 über eine erste elektrische Leitung 301 mit einem Pluspol HV+ der Traktionsbatterie 12 und über eine zweite Leitung 302 mit dem Minuspol HV- der Traktionsbatterie 12 verbunden ist.
-
Das Ladegerät 20 weist eine Leistungselektronik 21 auf, welche mit der Ladeschnittstelle 32 ladegerätseitig verbunden ist und durch welche auf eine allgemein bekannte Weise Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird. Die Leistungselektronik ist außerdem über zwei elektrische Verbindungen 211, 212 mit der Batterieschnittstelle 30 verbunden.
-
Ferner umfasst das Ladegerät 20 drei energiespeichernde Komponenten 22, 24, 26, insbesondere drei Kondensatoren, wobei einer der Kondensatoren 22 an einer ersten, die beiden elektrischen Verbindungen 211, 212 verbindenden Leitung 23 angeordnet ist und die beiden anderen Kondensatoren 24, 26 an einer zweiten, die beiden elektrischen Verbindungen 211, 212 verbindenden Leitung 27 angeordnet sind. Die zweite Leitung 27 ist mit einer Erdung 29 verbunden.
-
Die Kondensatoren, d.h. die energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26, dienen insbesondere der Glättung des aus dem Wechselstrom gewandelten Gleichstroms, wobei während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie 12 die energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26, vorliegend die Kondensatoren, mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Nach dem Ladevorgang und insbesondere im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs 10 ist weiterhin elektrische Energie in den energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 gespeichert, durch welche eine Gefahr eines elektrischen Schlags bei einer Beschädigung des Ladegeräts 20, insbesondere der Batterieschnittstelle 30, und/oder der elektrischen Leitungen 301, 302 bestehen würde. Eine weitere Gefahr eines elektrischen Schlags bei einer Beschädigung stellt die Traktionsbatterie 12 dar.
-
Um die Gefahr eines elektrischen Schlags für eine Person zu reduzieren, weist das Elektrofahrzeug 10 eine Schutzvorrichtung 50 auf.
-
Die Schutzvorrichtung 50 umfasst eine Diode 52, eine Schaltervorrichtung 54 und eine Entladevorrichtung 60.
-
Die Diode 52 ist an der ersten, mit dem Pluspol HV+ der Traktionsbatterie 12 verbundenen, elektrischen Leitung 301 angeordnet, wobei die Diode 52 derart ausgeführt ist, dass ein Durchfluss ausgehend von dem Ladegerät 20 zum Pluspol HV+ der Traktionsbatterie 12 zugelassen wird und ein Durchfluss ausgehend vom Pluspol HV+ der Traktionsbatterie 12 zum Ladegerät 20 gesperrt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass bei einem durch einen Unfall verursachten Kurzschluss der beiden Leitungen 301, 302, bzw. grundsätzlich zwischen dem Pluspol HV+ und Minuspol HV- der Traktionsbatterie 12, ein elektrischer Strom ausgehend von der Traktionsbatterie 12 durch die Diode 52 fließt, wodurch ein elektrischer Schlag der die Leitungen 301, 302 berührenden Person vermieden wird. Dadurch kann die Gefahr eines elektrischen Schlags batterieseitig reduziert werden.
-
Die Schaltervorrichtung 54 weist zwei Schalterelemente 56, 58 auf, wobei ein erstes Schalterelement 56 an einer ersten Verbindung 211 angeordnet ist und ein zweites Schalterelement 58 an einer zweiten Verbindung 212 angeordnet ist. Die Schaltervorrichtung 54 ist derart ausgeführt, dass in einer Schließstellung der Schalterelemente 56, 58, welche immer gemeinsam zwischen den Stellungen verstellt werden, die energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 mit der Batterieschnittstelle 30 elektrisch verbunden sind und in einer Offenstellung der Schalterelemente 56, 58 die energiespeichernden Komponenten 22, 24 26 von der Batterieschnittstelle 30 getrennt sind.
-
Um die Gefahr eines elektrischen Schlags zu reduzieren, sind die beiden Schalterelemente 56, 58 in einem Nicht-Ladevorgang, beispielsweise im Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs 10, dauerhaft in die Offenstellung geschaltet, wodurch die Batterieschnittstelle 30 und die elektrischen Leitungen 301, 302 ladegerätseitig von den energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 entkoppelt sind. Erst bei einem Ladevorgang werden die Schalterelemente 56, 58 in die Schließstellung geschaltet, wodurch erst ein Ladevorgang möglich wird. Dadurch kann die Gefahr eines elektrischen Schlags ladegerätseitig reduziert werden.
-
Die Entladevorrichtung 60 weist ein Verbraucherelement 62 und ein zwischen einer Schließstellung und einer Offenstellung verstellbares Schaltelement 64 auf. Das Verbraucherelement 62 und das Schaltelement 64 sind an einer weiteren, die beiden elektrischen Verbindungen 211, 212 verbindenden Leitung 61 angeordnet. Das Verbraucherelement 62 ist als Widerstand ausgeführt.
-
Die Entladevorrichtung 60 ist derart ausgeführt, dass das Schaltelement 64 grundsätzlich in der Offenstellung vorliegt und lediglich nach einem Ladevorgang für eine gewisse Zeitdauer in die Schließstellung verstellt wird, wobei in der Schließstellung des Schaltelements 64 das Verbraucherelement 62 derart mit den energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26, d.h. den Kondensatoren, elektrisch verbunden ist, dass sich die energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 entladen. Dadurch können die sich beim Ladevorgang aufgeladenen energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 bedarfsgerecht entladen werden, so dass im Fahrbetrieb keine elektrische Energie in den energiespeichernden Komponenten 22, 24, 26 gespeichert ist.
-
Durch eine derartige Schutzvorrichtung 50 wird durch mehrere Schutzmechanismen verhindert, dass bei einem Unfall und einer Beschädigung der Traktionsbatterie 12, des Ladegeräts 20 und/oder der elektrischen Leitungen 301, 302 eine Person durch einen elektrischen Schlag verletzt wird, wobei sowohl ladegerätseitig als auch batterieseitig mindestens ein Schutzmechanismus vorgesehen ist.