Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung nach Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöriges Steuerungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Für Batteriemanagementsysteme (BMS) sind im Stand der Technik mit den zugehörigen Schaltvorrichtungen für Schütze bekannt und industrieüblich. Hierbei benötigt ein Schütz für die Bewegung und das Schließen des zugehörigen Kontaktschalters, den eigentlichen Schließvorgang für ein zugeordnetes Stromnetz, eine höhere Energie, um das erforderliche Magnetfeld für den Anzug des schützinternen Ankers aufzubauen. Nach dem Anzugvorgang ist diese hohe Spannung bei kontinuierlichem Haltevorgang wegen der geringeren Magnetfeldstärke nicht mehr nötig. Nach dem Kontakt des Kontaktschalters reicht eine zur Anzugsenergie deutlich geringere Halteenergie aus, um den Kontaktschalter im geschlossen Zustand, also im Schaltkontakt, zu halten.

Zur Reduzierung der Energieaufnahme und Verminderung der Verlustleitung, ist es beispielsweise bekannt, die Haltespannung an der Spule durch einen externen mikroelektronischen Spulenschalter mittels Pulsweitenmodulation (PWM) zu senken. Die Pulscharakteristik wird hierbei über einen verbundenen Mikroprozessor getaktet. Diese häufig angewendete Reduzierung der Energieaufnahme mittels PWM-Ansteuerung, verursacht allerdings auf der gesamten Versorgungsstrecke einen ständig wechselnden Energiefluss, was wiederum zu einem wechselnden Magnetfeld und Feldstärke führt. Hierdurch wird auf die angrenzenden Leitungen Spannungen induziert, die zu Störungen in Signal- bzw. Kommunikationsleitungen führen können. Diese müssen mit kostenintensiven Maßnahmen eingegrenzt werden.

Weiterhin ist bekannt, im Schütz eine zweite Spule mit einem höheren Widerstand vorzusehen, worüber die Spannung in der Hauptspule nach einer vorgegebenen Zeit gesenkt wird. Alternativ werden zu Beginn beide Spulen zum Anziehen aktiviert und nach dem Schließen die Primär- oder Hauptspule abgeschaltet, da die Sekundärspule mit geringerem Stromfluss für die erforderliche Haltekraft ausreichend ist. Für die Ansteuerung der Spulen ist ein zentraler Mikroprozessor vorgesehen. Schließlich sind Schütze bekannt, die eine integrierte Elektronik aufweisen, um schützintern die Spannung zu senken, beispielsweise durch eine schützinterne PWM-Ansteuerung. Ein externer Mikroprozessor schaltet lediglich den Stromfluss durch und übernimmt hierbei keine Regelung. Diese Schützbauarten sind konstruktiv aufwändig und teuer. Insgesamt ist es nachteilig, dass die vorgenannten Lösungen zu einer hohen Komponentenvielfalt führen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konstruktiv einfache Schaltvorrichtung für ein Schütz oder eine Gruppe von Schützen bereitzustellen sowie ein zugehöriges Verfahren, die die vorgenannten Nachteile im Stand der Technik vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Schaltvorrichtung des Anspruchs 1 gelöst, sowie die kennzeichnenden Merkmale eines Verfahrens nach dem Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine elektronische Schaltvorrichtung, die folgende Elemente umfasst:

-mindestens ein Schütz mit einer Spule, über die ein Kontaktschalter angetrieben wird,

- eine Hauptsteuerplatine, auf welcher ein mikroelektronischer Schützschalter (Driver) und ein zentraler Mikroprozessor angeordnet sind, wobei der Schützschalter vom Mikroprozessor geregelt und gesteuert wird. Der zentrale Mikroprozessor selbst ist datenleitend mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden. Weiterhin umfasst die Schaltvorrichtung mindestens eine Hauptspannungs- oder Hauptversorgungsleitung, über welche eine Spannungsquelle mit dem Schützschalter und damit mittelbar mit dem Schütz verbindbar ist. Der Kern besteht darin, dass in der Hauptversorgungsleitung zwischen einer verbindbaren Spannungsquelle, wie insbesondere eine Batterie oder eine andere Gleichstromspannungsquelle, und dem Schütz, der Schützschalter und ein Gleichspannungswandler angeordnet sind, wodurch eine von der Versorgungsspannung dauerhaft oder mindestens zeitweise unterschiedliche, nicht-gepulste Arbeitsspannung am Schütz einstellbar ist.

Vorteilhafterweise ermöglicht der Gleichspannungs- oder DC/DC-Wandler, wie bspw. auch ein Topologie Buck-(Boost)-Wandler, eine variable Ausgangsspannung, ist also idealerweise ein steuerbarer Gleichspannungswandler.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist hierbei der Schützschalter in der Hauptversorgungsleitung zwischen dem Gleichspannungswandler und dem Schütz angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass auch der Schützschalter selbst bei einer gesenkten Arbeits- oder Haltespannung betrieben und hierdurch geschont wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind Schützschalter und Gleichspannungswandler in der Reihenfolge vertauscht, so dass der Schützschalter in der Hauptversorgungsleitung vor dem Gleichspannungswandler und dem Schütz angeordnet ist.

Vorliegend soll unter einem Schützschalter ganz allgemein ein mikroelektronischer Schalter oder Schaltelement verstanden werden, wie beispielsweise ein intelligenter Low Side Switch/Schalter, ein Transistor, Relais, MOSFET oder dergleichen.

Insgesamt besteht der große Vorteil darin, dass durch die zentrale Regelung der Halte- und Arbeitsspannung, als eine nicht-gepulste niedrigere Spannung als die Eingangs- und Hauptspannung, elektro-magnetische Effekte vermieden werden.

Bei einerweiteren Ausführungsvariante wird die Hauptversorgungsleitung in mehrere parallele Unterversorgungsleitungen aufgeteilt, welche jeweils ein Schütz bzw. dessen Spule versorgen. Hierbei wird in jeder der Unterversorgungsleitungen ein Gleichspannungswandler angeordnet. Bei diesem Aufbau ist es möglich, jedes Schütz und dessen jeweilige Spule bei einer optimalen insb. minimalen Haltespannung im Dauerbetrieb zu versorgen. Hierzu ist idealerweise der Mikroprozessor entsprechend verbunden.

Bei einerweiteren alternativen Variante ist in der Hauptversorgungsleitung als zentrale Komponente der Gleichspannungswandler angeordnet, wobei nach dem Gleichspannungswandler mittels einer Leitungsabzweigung mindestens zwei Unterversorgungsleitungen angeschlossen sind, über welche jeweils ein Schütz versorgt wird. Diese Ausführungsform, bei der nur ein zentraler Gleichspannungswandler vorgesehen wird, ist insbesondere für eine Gruppe von Schütze vorteilhaft, die dieselbe Haltespannung benötigen auch, wenn nur geringer Bauraum zur Verfügung steht. Eine weitere oder hierzu ergänzende Ausführungsform sieht vor, dass in jeder Unterversorgungsleitung ein Schützschalter pro Schütz vorgesehen ist.

Vorteilhafterweise umfasst die Schaltvorrichtung eine HV-Batterie (Hochvoltbatterie), insbesondere eine HV-Batterie für ein Fahrzeug. Diese ist vorteilhafterweise aus einer Mehrzahl von Zellmodulen aufgebaut, und der Schütz oder die Gruppe von Schützen schalten den von der HV-Batterie spannungsversorgten Hauptstromkreis. Hierbei ist unmittelbar auf oder an dieser HV-Batterie oder dem HV-Batteriegehäuse eine Schaltbox angeordnet, in der die Schütze und batteriespezifische Sensorik geschützt untergebracht ist. Unter der Sensorik sind hierbei insbesondere Temperatur-, Druck- und Feuchtesensoren zu verstehen, wie auch Strom- und Spannungserfassungen. Die Spannungsversorgung des Schütz und des Schützschalters kann unverändert ganz oder teilweise von einer separaten Spannungsquelle erfolgen oder mindestens zeitweise von dieser HV-Batterie.

Statt des hier verwendeten Begriffs der „Schaltbox“, wird häufig auch „S-Box”, “Switch-Box” oder „BJB“ (battery junction box) verwendet. Etwas seltener findet man auch die Bezeichnung „E-Box“ für dasselbe Bauteil.

Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass nicht alle elektronischen Komponenten auf einer Hauptsteuerplatine vorgesehen sind, sondern dass eine Unterplatine in der Schaltbox angeordnet ist, die mit der Hauptsteuerplatine mindestens datenleitend verbunden ist und von dieser angesteuert wird. Hierbei ist auf der Unterplatine in der Schaltbox ein lokaler Mikroprozessor sowie mindestens ein Schützschalter und mindestens ein Gleichspannungswandler angeordnet. Die vorstehend genannten Ausführungsformen können in analoger Weise vorgesehen werden. Der große Vorteil besteht darin, dass die Hauptsteuerplatine gut geschützt in einem zentralen, gekapselten Steuerungselement untergebracht werden kann, während die Schaltbox und damit alle Sensoren unmittelbar auf oder an der HV-Batterie und deren Zellmodule angeordnet ist, wodurch die Übertragungswege und -Zeiten optimiert werden.

Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn der zentrale Mikroprozessor und/oder der lokale Mikroprozessor über mind. eine Datenleitung mit dem Schütz verbunden ist und hierüber Statusinformationen oder Sensordaten erhält, wie beispielsweise Zustandsdaten, Spannungsgrößen, Temperatur oder Druck. Von der Erfindung ist weiterhin ein Steuerungsverfahren für einen Schütz oder eine Gruppe von Schützen umfasst, bei welchem mittels eines zentralen Mikroprozessor ein Schützschalter gesteuert und geregelt betrieben wird, wobei in

- einem ersten Schritt zur Veranlassung eines Kontakts mittels des Schützschalters für eine Zeitlang eine Anzugsspannung für einen Schaltkontakt eingestellt wird und

- nach dem erfolgten Schaltkontakt in einem zweiten Schritt eine von der Versorgungsspannung mindestens zeitweise insbesondere dauerhaft unterschiedliche, nicht-gepulste Arbeitsspannung (Haltespannung) am Schütz eingestellt wird. Diese niedrigere Haltespannung wird regelmäßig so lange aufrechtgehalten, bis der Schaltkontakt für einen Hauptprozess nicht mehr benötigt wird und somit gelöst werden kann.

Vorteilhafterweise beträgt diese Arbeits- oder Haltespannung 30-50% der Haupt oder Anzugsspannung am Schütz bzw. der Spule oder der Gruppe von Schützen bzw. der Gruppe von Spulen.

Idealerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren mindestens eine Ausführungsvariante der hierin beschriebenen Steuerungsvorrichtung eingesetzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Schütz mit einer regelbaren Spulenspannung,

Fig. 2 eine zur Figur 1 vergleichbare Anordnung für mehrere Schütze und individueller Haltespannung,

Fig. 3 eine Anordnung, bei der alle Schütze auf einer einheitlichen Haltespannung gesetzt sind und

Fig. 4a, b eine unabhängige Position der Spannungsregelung für zwei Schütze in zwei alternativen Ausführungsformen. Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Schaltvorrichtung 1 [für eine HV-Batterie] mit einer zentralen Spannungsquelle 10 verbunden. Diese versorgt den auf einer Hauptsteuerplatine 5 angeordneten zentralen Mikroprozessor 7 mit einer ersten Spannung und weiterhin den Spulenschalter 6, auch Driver oder Spulentreiber genannt, über die Hauptversorgungsleitung 8 und hierüber auch den Schütz 2 bzw. dessen Spule 4. Durch den Spulenschalter 8 wird beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM) die erforderliche Anzugsspannung für den Kontaktschalter 3 zur Herstellung des Kontaktes bereitgestellt. Idealerweise ist der Spulenschalter 6 ein sehr reiner mikroelektronischer Schalter, der die anliegende Hauptspannung der zentralen Spannungsquelle 10 auf einem gewünschten Niveau durchleitet, wobei die Ausgangsspannung nicht gepulst ist. Zwischen der Spannungsquelle 10, also vor dem Spulenschalter 8 ist ein Gleichspannungswandler 20 (DC/DC-Wandler) angeordnet, mittels welchem die Hauptspannung in der Hauptversorgungsleitung 8 auf eine nötige Arbeits- oder Haltespannung abgesenkt und gehalten wird. Über die Datenleitung 14 werden dem Mikroprozessor 7 insbesondere Zustandsdaten des Kontaktschalters 3 oder vom geschalteten Hauptstromkreis 19 zugeleitet. Über die Kommunikationsleitung 16 erhält der Mikroprozessor 7 Steuer- und Regelungsdaten von einer zentralen Steuereinheit. Über die Kommunikationsleitungen 17, 18 steuert der Mikroprozessor 7 die angeschlossenen Elemente, wobei der Mikroprozessor 7 über die Kommunikationsleitung 16 mit einer übergeordneten, nicht dargestellten Steuer- und Regelungseinheit verbunden ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 zeigt eine Anordnung mit mehreren Schützen 2, hier mit einer Gruppe von zwei Schützen 2. Die Hauptversorgungsleitung 8 verzweigt sich an der Leitungsabzweigung 9 in zwei Unterversorgungsleitungen 8.1, 8.2 in welchen analog zu Figur 1 jeweils ein Gleichspannungswandler 20 vor dem Schützschalter 6 angeordnet ist, diese werden vom zentralen Mikroprozessor 7 gesteuert. Erkennbar ist, dass jeder Schütz 2 oder dessen nicht dargestellte Spule 4 individuell gesteuert bzw. deren Spannungsniveau für die Haltespannung angepasst werden kann.

Wie in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dargestellt, ist in der Hauptversorgungsleitung 8 ein zentraler Gleichspannungswandler 20 für mehrere Schütze 2 vorgesehen, indem nachfolgend an der Leitungsabzweigung 9 eine Aufteilung in mehrere Unterversorgungsleitungen 8.1, 8.2 vorgenommen wird, die jeweils zu einem Schütz 2 führen. Diese schalten jeweils einen Kontaktschalter 3 und einen zugehörigen Hauptstromkreis 19, welche nicht dargestellt sind.

Die in den Figuren 4a) und 4b) dargestellten Ausführungsbeispiele sind die Schaltvorrichtungen 1 für eine Hochvolt-Batterie 100 (HV-Batterie) und nachgelagerte nicht dargestellte Elektroantriebe im Hauptstromkreis 19 vorgesehen, wobei die HV-Batterie 100 eine Mehrzahl von Zellmodulen 100.1 ... 100.n umfasst. Solche HV-Batterien 100 sind beispielsweise regelmäßig bei Fahrzeugen mit Elektroantrieben im Einsatz. Eine separate Spannungsquelle 10, beispielsweise eine 12V Batterie, liegt an dem Gleichspannungswandler 20 an und liefert auch die Versorgungsspannung für den Schützschalter 6. Die nicht dargestellten Schütze 2 und übliche Sensorik, wie ein Stromsensor oder eine Sicherung, sind in einer besonders geschützten Schaltbox 15 untergebracht direkt auf bzw. an der HV-Batterie 100 angebracht. Der auf der Hauptsteuerplatine 5 angeordnete Mikroprozessor 7 des Batteriemanagementsystems (BMS) erhält über die Datenleitung 14 die erforderlichen Zustands- und Messwerte der Zellmodule, Sensoren und Elektronikkomponenten.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4b) unterscheidet sich durch die Belegung der Hauptsteuerplatine 5 und einer bezüglich der Zellmodule 100.1 ... 100.n ortsnahen Unterplatine 11. Gleichspannungswandler 20 für die Schützes 2 und die Schützschalter 6 sind gemeinsam mit einem lokalen Mikroprozessor 13 auf der Unterplatine 11 und nicht auf der Hauptsteuerplatine 5 angeordnet, die nach wie vor den zentralen Mikroprozessor 7 umfasst. Die Unterplatine 11 ist hierbei ebenfalls in der Schaltbox 15 untergebracht, so dass alle Leitungs- und Prozessstrecken so kurz und unmittelbar wie möglich angeordnet und damit optimiert sind.

Die sonstigen Varianten können analog ausgebildet und vorgesehen werden. Vorliegend ist unter datenleitend verbunden jegliche Verbindung- und Übermittlungstechnik zu verstehen. Es sind keine Ausführungen zur Art der Datenübertragung gemacht worden, wobei dem Fachmann unmittelbar verständlich ist, dass diese Erfindung nicht auf eine spezielle Art der Datenübertragung eingeschränkt ist, insb. nicht eine Datenübertragung, bei der ein oder mehrere gesonderte Kabel eingesetzt werden oder die Datenübertragung eine stromführende Leitung aufmoduliert sein kann. Bezugszeichenliste

1 Schaltvorrichtung

2 Schütz 3 Kontaktschalter

4 Spule

5 Hauptsteuerplatine

6 Schützschalter

7 Mikroprozessor 8 Hauptversorgungsleitung

8.1, 8.2 Unterversorgungsleitungen

9 Leitungsabzweigung

10 Spannungsquelle

11 Unterplatine 12 Sensorik

13 Mikroprozessor, lokaler

14 Datenleitung

15 Schaltbox

16 Kommunikationsleitung 17 Kommunikationsleitung

18 Kommunikationsleitung

19 Hauptstromkreislauf

20 Gleichspannungswandler

100 HV-Batterie

100.1 ... 100. n Zellmodul