Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren elektrischen Systems, insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines elektrischen Netzes eines Fahrzeuges, wobei die Schaltung zumindest einen mechanischen

Haupttrennschalter zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren

elektrischen Systems mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges sowie zumindest eine zu dem Haupttrennschalter parallel geschaltete

Vorladeeinheit mit zumindest einen steuerbaren Halbleiterschalter aufweist .

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Energiespeichers mit einem elektrischen Netz eines

Fahrzeuges .

Bei einem Zuschalten von elektrischen Systemen auf ein elektrisches Netz eines Fahrzeuges, beispielsweise eines elektrischen

Hochspannungsbordnetzes, ist es üblich, Vorladeschaltung vorzusehen, um die Kapazitäten des elektrischen Netzes des Fahrzeuges vor einem vollständigen Zuschalten des elektrischen Systems vorzuladen. Als Beispiele für derartige zuschaltbare, elektrische Systeme seien

Brennstoffzellen, Batterien oder Akkumulatoren, photovoltaische Zellen etc. aufgeführt. Um ein Zu- und Wegschalten des elektrischen Systems zu ermöglichen, ist meist ein Haupttrennschalter zum elektrischen Verbinden und Trennen des elektrischen Systems und des Bordnetzes vorgesehen. An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass die Begriffe „Bordnetz" und „elektrisches Netz des Fahrzeuges" in diesem Dokument synonym verwendet werden .

Weiters ist üblicherweise ein parallel zum Haupttrennschalter

geschalteter Nebentrennschalter vorgesehen, der in Serie mit einem Widerstand zur Strombegrenzung geschaltet ist. Bei einem Zuschalten des elektrischen Systems wird in einem ersten Schritt bei geöffnetem, mechanischem Hauptrennschalter der mechanische Nebentrennschalter geschlossen, damit ein durch den in Serie mit dem Nebentrennschalter geschalteten Widerstand begrenzter Strom das Bordnetz auf Betriebsspannung bzw. annähernd Betriebsspannung laden kann. Aufgrund von Eingangskapazitäten, beispielsweise von Umrichtern etc., wie diese vorzugsweise in elektrischen Antrieben mit Gleichspannungs- und

Gleichstromversorgungen in Hybridfahrzeugen bzw. Elektrofahrzeugen verwendet werden, und auch aufgrund parasitärer Störungen muss das Bordnetz bei einem Zuschalten des elektrischen Systems vorgeladen werden, um einen Schaden zu verhindern.

Anschließend wird der Hauptkontakt geschlossen und das Bordnetz ist mit dem elektrischen System zur Energieerzeugung und/oder

Energiespeicherung verbunden. Der Nebentrennschalter kann dann wieder geöffnet werden.

Um eine konsequente und zuverlässige galvanische Trennung des

zuschaltbaren elektrischen Systems von dem Bordnetz zu gewährleisten, sind der Hauptrennschalter und der Nebentrennschalter als mechanische Schalter ausgeführt. Somit ist eine zuverlässige Trennung des

Lastkreises von dem zuschaltbaren elektrischen System möglich.

Nachteilig an den oben genannten bekannten Aus führungs formen ist vor allem, dass es bei einem Zuschalten von elektrischen Systemen mit sehr hohen Systemspannungen auf ein Hochspannungsbordnetz bei einem Schließen des mechanischen Nebentrennschalters in der parallel zum

Hauptrennschalter angeordneten Vorladeschaltung zu sehr hohen

transienten Störungen bzw. Spannungsspitzen mit sehr hohen

Anstiegsgeschwindigkeiten kommen kann. Durch diese transienten Störungen kann das ganze Bordnetz inklusive dem elektrischen Energiespeicher erhebliche Störungen erfahren. Die transienten Störungen können

beispielsweise Kommunikationsstörungen bei Bussystemen und

Fehlfunktionen diverser elektrischer Bauteile als auch ihre Zerstörung zur Folge haben.

Das Auftreten transienter Störungen ist jedoch durch die Verwendung mechanischer Schalter bauartbedingt. Eine Ursache für das Auftreten transienter Ströme bei mechanischen Schaltern kann beispielsweise in einer bei einem Schließen dieses Schalters auftretenden Prellung gesehen werden .

Aus der DE 102 35 431 A1 ist eine elektrische Antriebsquelle für einen elektromotorischen Antrieb bekannt geworden, bei welchem

Brennstoffzellen zugeschaltet werden können, um eine

Ultrakondensatoreinheit eines elektrischen Netzes des Fahrzeuges zu laden. Die Brennstoffzellen sind mittels eines als Hauptschütz

bezeichneten Hauptrennschalters von dem elektrischen Netz des Fahrzeuges trennbar. Weiters ist dem Hauptrennschalter eine Vorladeschaltung bzw. Vorladeeinheit mit einem Halbleiterschalter parallel geschaltet. Zum Verbinden der Brennstoffzellen mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges wird bei geöffneten Haupttrennschalter der Halbleiterschalter der

Vorladeschaltung auf leitend geschaltet. Über die Vorladeeinheit wird der Ultrakondensator des elektrischen Netzes des Fahrzeuges geladen. Zur Begrenzung des Aufladestroms ist eine PWM-Steuerung vorgesehen, die mit dem Gate des HalbleiterSchalters gekoppelt ist und an das Gate ein von einem gemessenen Stromfluss abhängiges PWM-Steuersignal gibt. Nach erfolgter Vorladung der Ultrakondensatoren wird der Hauptrennschalter geschlossen und die Brennstoffzellen mit dem elektrischen Netz des Fahrzeuges verbunden.

Nachteilig an dieser Ausführungsform ist vor allem, dass bei einem Wegschalten der Brennstoffzellen von dem elektrischen Netz des

Fahrzeuges mittels des Haupttrennschalters keine konsequente galvanische Trennung der Vorladeschaltung bzw. Vorladeeinheit von dem elektrischen Netz möglich ist, da zur Trennung der Vorladeschaltung von dem

elektrischen Netz des Fahrzeuges nur der Halbleiterschalter vorgesehen ist .

Um eine konsequente galvanische Trennung eines zu- und wegschaltbaren elektrischen Energiespeichers und einem elektrisches Netz eines

Fahrzeuges, beispielsweise eines Hybridfahrzeuges, Elektrofahrzeuges , etc., zu realisieren, ist es, wie oben erwähnt, gemäß dem Stand der Technik üblich, Vorladeeinheiten mit mechanischen Schalter zur Trennung des Energiespeichers und des elektrischen Netzes zu versehen, was allerdings die erwähnten Nachteile in Bezug auf das Auftreten möglicher transienter Störungen zur Folge hat.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Zuschalten eines

zuschaltbaren elektrischen Systems auf ein Bordnetz eines Fahrzeuges zu ermöglichen und dabei das Entstehen transienter Störungen zu vermeiden als auch eine konsequente und zuverlässige galvanische Trennung des zuschaltbaren elektrischen Systems zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorladeeinheit zumindest einen mechanischen Trennschalter zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems und des elektrischen Netzes des Fahrzeuges

aufweist, wobei der Halbleiterschalter in Serie mit dem mechanischen Trennschalter geschaltet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine zeitversetzte Betätigung der in Serie geschalteten Schalter der Vorladeeinheit. Durch ein lastloses Schließen des mechanischen Trennschalters der Vorladeeinheit in einem sperrenden Zustand des Halbleiterschalter lässt sich verhindern, dass bei einem Schließen des mechanischen Trennschalters auftretende

systemimmanente, transiente Störungen auf das Bordnetz übergreifen. Nach einem vorgebbaren Zeitintervall, nach welchem keine durch den

Schließvorgang des mechanischen Trennschalters verursachten transienten Störungen mehr zu erwarten sind, wird der Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand versetzt und die Systemkapazitäten des Bordnetzes über die Vorladeeinheit geladen. Es ist somit ein Verdienst der Erfindung, ein störungsfreies Zuschalten des elektrischen Systems an das Bordnetz zu ermöglichen und gleichzeitig aufgrund der Verwendung mechanischer Trennschalter auch eine zuverlässige galvanische Trennung des

zuschaltbaren elektrischen Systems und des Bordnetzes gewährleisten zu können .

Eine bevorzugte Variante der Erfindung, welche sich durch ein besonders zuverlässiges und sicheres Verbinden und Trennen des zuschaltbaren elektrischen Systems und des Bordnetzes auszeichnet, sieht vor, dass zumindest in einem positiven Ausgangsspannungspfad und in einem negativen Ausgangsspannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems je zumindest eine Vorladeeinheit und je zumindest ein Hauptrennschalter angeordnet sind.

Zur Begrenzung des Vorladestroms kann zumindest eine Vorladeeinheit einen mit dem Halbleiterschalter und dem mechanischen Trennschalter in Reihe geschalteten Widerstand aufweisen. Durch diesen Widerstand wird in Abhängigkeit von den Kapazitäten des Bordnetzes die Vorladezeit bestimmt .

Um die gewünschte Schaltreihenfolge der Schalter der Vorladeeinheit zu realisieren, können der mechanische Trennschalter und der

Halbleiterschalter getrennt oder gemeinsam ansteuerbar sein.

Gemäß einer Variante der Erfindung, welche eine sehr effiziente

Unterbindung transienter Störungen ermöglicht, kann eine Steuerung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, nach einem Schließen des mechanischen Trennschalters zeitlich versetzt den Halbleiterschalter aus einem sperrenden in einen leitenden Zustand zu schalten.

Eine Ausführungsform der Erfindung, welche sich durch eine große

Robustheit gegenüber Störungen auszeichnet, sieht vor, dass eine

Zeitverzögerungsschaltung zu einem zeitverzögerten Schalten des

Halbleiterschalters nach Schließen des mechanischen Trennschalters vorgesehen ist.

Zur Überwachung des Vorladestroms kann zumindest ein zumindest einer Vorladeeinheit nachgeschaltetes Strommessgerät vorgesehen sein, welches mit der oben erwähnten Steuerung verbunden sein kann. Überschreitet der Vorladestrom beispielsweise einen vorgebbaren Grenzwert oder tritt eine unerlaubte Änderung des Stromflusses auf, so kann der mechanische

Trennschalter und gegebenenfalls der Halbleiterschalter des

Vorladekreises durch die Steuerung angesteuert und geöffnet werden.

Zur Überwachung des Spannungsabfalls an dem Hauptrennschalter bzw. an der parallel dazu geschalteten Vorladeeinheit können vor und nach einem Haupttrennschalter zumindest je ein Messabgriff vorgesehen sein.

Um bei einem Trennen des zuschaltbaren elektrischen Systems von dem Bordnetz eine zuverlässige galvanische Trennung zu gewährleisten können zumindest den Messabgriffen des positiven Spannungspfades zugeordnete Messleitungen mittels zumindest eines mechanischen Schalters von dem Energiespeicher trennbar ausgeführt sein.

Die eingangs genannte Aufgabe lässt sich auch mit einem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch lösen, dass eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.

Um die Entstehung transienter Störungen bei einem Zuschalten des elektrischen Systems zu dem Bordnetz sehr wirkungsvoll zu unterbinden, wird der mechanische Trennschalter der Vorladeschaltung bei geöffnetem Haupttrennschalter und sperrendem Halbleiterschalter geschlossen, wobei nach dem Schließen des mechanischen Trennschalters der

Halbleiterschalter in einen leitenden Zustand versetzt und das

elektrische Netz mit einem über den Vorladewiderstand begrenzten Strom geladen wird.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile wird im Folgenden anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem elektrischen Energiespeicher;

Fig. 2 eine erste Variante einer erfindungsgemäße Schaltung im näheren Detail ;

Fig. 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen

Schaltung und

Fig. 4 eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Schaltung im näheren Detail .

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten

Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch

Einzeimerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und

beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich

eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Darüber hinaus stellt auch die Bezugszeichenliste einen Teil der Offenbarung dar.

Die Figuren sind übergreifend und zusammenhängend beschrieben.

Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Schaltung 1 zum Verbinden und Trennen eines zuschaltbaren elektrischen Systems 2, insbesondere zur Erzeugung und/oder Speicherung elektrischer Energie, und eines

elektrischen Netzes 3 eines Fahrzeuges, mindesten einen mechanischen Haupttrennschalter 4 auf. In der hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zuschaltbare elektrische System 2 als zuschaltbare Batterie bzw. Akkumulator dargestellt. Die Hauptschalter 4 können die durch die jeweilige Anwendung geforderten Leistungen transportieren bzw. die entsprechenden Ströme tragen. Die Hauptrennschalter 4 können als

Leistungsschalter ausgeführt sein, sodass die Schaltung 1 unter diesem Gesichtspunkt auch als Leistungsschaltereinheit bezeichnet werden kann.

Weiters weist die erfindungsgemäße Schaltung 1 mindesten eine zu dem Haupttrennschalter 4 parallel geschaltete Vorladeeinheit 5 bzw.

Vorladeschaltung auf.

Die Vorladeeinheit 5 weist einen steuerbaren Halbleiterschalter 6 und einen mechanischen Trennschalter 7 zum Trennen und Verbinden des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 mit dem elektrischen Netz 3 auf. Der Halbleiterschalter 6 kann beispielsweise durch einen MOSFET mit einer Treiberstufe realisiert werden.

Der mechanische Trennschalter 7 und der Halbleiterschalter 6 sind in Serie miteinander geschaltet. Die Vorladeeinheit 5 kann zumindest einen mit dem Halbleiterschalter 6 und dem mechanischen Trennschalter 7 in Reihe geschalteten Widerstand 8 zur Begrenzung des Vorladestroms aufweisen .

Die Vorladeeinheiten 5 und die Haupttrennschalter 4 sowie die

entsprechende elektrische Verdrahtung können in einem Modul bzw. zu einer Einheit zusammengefasst werden. Auch kann die erfindungsgemäße Schaltung 1 in das zuschaltbare elektrische System 2 integriert sein und somit einen Bestandteil des Systems 2 bilden. Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich ist, können in einem positiven Ausgangsspannungspfad 9 und in einem negativen Ausgangsspannungspfad 10 des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 je zumindest eine

Vorladeeinheit 5 und je zumindest ein Haupttrennschalter 4 angeordnet sein .

Mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltung 1 kann aufgrund der

mechanischen Trennschalter 4 und 7 eine konsequente galvanische Trennung des elektrischen Systems 2 von dem Bordnetz 3 bei Nichtaktivierung des zuschaltbaren elektrischen Systems 2 gewährleistet werden.

Auf der linken Seite ist in Fig. 1 der Energiespeicher in Form eines elektrischen Energiespeichers dargestellt. Auf der rechten Seite sind positive und negative Anschlüsse 9a, 10a zur Abnahme der

Ausgangsspannung dargestellt, die entweder direkt dem Bordnetz 3 oder diesem beispielsweise über eine Hochvoltschnittstelle zur Verfügung stehen. Die Anschlüsse A und B können beispielsweise als 2-polige

Steckverbinder oder zweimal einpolige Steckverbinder ausgeführt sein. Auf der Unterseite ist eine Schnittstelle 11a, beispielsweise in Form einer Steckverbindung, zu der Steuerung 11 dargestellt, welche die Ansteuerung der Trennschalter 4, 7 und 6 sowie einen Datenempfang von der in Fig. 1 dargestellten Sensorik ermöglicht.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Verbinden des

zuschaltbaren elektrischen Systems 2 mit dem Bordnetz 3 der mechanische Trennschalter 7 der Vorladeschaltung 5 bei geöffnetem Haupttrennschalter 4 und einen Strom sperrendem Halbleiterschalter 6 geschlossen. Nach dem Schließen des mechanischen Trennschalters 7 wird der Halbleiterschalter 6 in einen Strom leitenden Zustand versetzt, woraufhin das elektrische Netz 3 mit einem über die Vorladeeinheit 5 fließenden Strom geladen wird.

Wie in Fig. 2 dargestellt, können der mechanische Trennschalter 7 und der Halbleiterschalter 6 gemeinsam angesteuert werden. Hierzu kann die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnete Steuerung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet sein kann, nach einem Schließen des

mechanischen Trennschalters 7 den Halbleiterschalter 6 aus einem sperrenden in einen leitenden Zustand zu schalten. Dem Halbleiterschalter 6 kann eine Treiberstufe 12 und eine

Vorladeelektronik 12a vorgeschaltet sein. Die Steuerung 11 kann mittels eines entsprechend programmierten Mikro- oder Signalprozessors

realisiert sein.

Der mechanische Trennschalter 7 kann von der Steuerung 11 vor dem

Ansteuern des Halbleiterschalters geschlossen werden. Der

Halbleiterschalter 6 schaltet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, den

Vorladekreis ohne auftretende Spannungsspitzen im Hauptstromkreis. In Fig. 3 ist die Spannung U über der Zeit t aufgetragen.

Nach erfolgter Vorladung des Bordnetzes 3 werden die Haupttrennschalter 4 geschlossen. Danach können der Halbleiterschalter 6 und der

mechanische Trennschalter 7 der Vorladekreise 5 getrennt d.h. in einen sperrenden Zustand geschaltet werden, wobei das elektrische System 2 und das Bordnetz 3 nach Schließen der Hauptschalter 4 miteinander

elektrische verbunden sind.

Wie in Fig. 4 dargestellt kann ein zeitversetztes Schalten des

mechanischen Trennschalters 7 und des Halbleiterschalters 6 auch mittels einer Zeitverzögerungsschaltung 13 realisiert werden.

Diese Zeitverzögerungsschaltung 13 kann beispielsweise ein R-C Glied aufweisen, dessen Kapazität entsprechend der gewünschten Zeitspanne zwischen dem Schalten des Trennschalters 7 und des Halbleiterschalters 6 gewählt werden kann.

Weiters kann, wie in Fig. 1 dargestellt, ein der Vorladeeinheit 5 nachgeschaltetes Strommessgerät 14, beispielsweise einen

Strommesssensor, vorgesehen sein, welches mit der Steuerung 11 verbunden sein kann. Mit diesem Strommessgerät 14 kann auch überprüft werden, ob bei einem Abschließen des elektrischen Systems 2 von dem Bordnetz 3 eine galvanische Trennung gegeben ist. In erster Linie dient das

Strommessgerät 11 jedoch zum Erfassen des Stroms, welcher sowohl beim Entladen wie auch beim Laden dem Energiespeicher 2 entnommen bzw.

zugeführt wird.

Vor und nach den Haupttrennschaltern 4 kann je zumindest ein Messabgriff 15, 16, 17, 18 vorgesehen sein, wobei zumindest den Messabgriffen 15, 16 des positiven Spannungspfades 8 zugeordnete Messleitungen 19, 20 mittels eines mechanischen Schalters 21 von dem elektrischen System 2 getrennt werden können. Somit kann sicher gestellt werden, dass bei Deaktivierung bzw. Nichtansteuerung des gesamten zuschaltbaren elektrischen Systems 2 auch an den Messleitungen 19, 20, 22, 23 keine Spannung anliegt und auch auf diesem Weg keine Energie aus dem elektrischen System 2 in das

Bordnetz 3 übertragen werden kann. Zusätzlich können noch

Schutzwiderstände 24 in den Messleitungen 19, 20, 22, 23 angeordnet werden .

An dieser Stelle sei erwähnt, dass alle oben erwähnten mechanischen Schalter bzw. Trennschalter mittels Relais realisiert werden können.

Abschließend sei auch festgehalten, dass die Ausführungsbeispiele lediglich mögliche, Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung zeigen, wobei die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten

Ausführungsvarianten eingeschränkt ist. Insbesondere sind auch

Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich, wobei diese Variationsmöglichkeiten aufgrund der Lehre zum technischen Handeln der gegenständlichen Erfindung im Können des auf diesem

technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegen. Es sind auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die den der Erfindung zugrunde liegenden Lösungsgedanken verwirklichen und nicht explizit beschrieben bzw.

dargestellt oder durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvarianten möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.

Bezugszeichenliste

1 Schaltung

2 zuschaltbares elektrisches System

3 elektrisches Netz eines Fahrzeuges

4 Haupttrennschalter

5 Vorladeeinheit

6 Halbleiterschalter der Vorladeeinheit

7 Trennschalter der Vorladeeinheit

8 Widerstand zur Begrenzung des Vorladestroms

9 positiver Spannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems

9a positiver Anschluss zur Abnahme der Ausgangsspannung

10 negativer Spannungspfad des zuschaltbaren elektrischen Systems

10a negativer Anschluss zur Abnahme der Ausgangsspannung

11 Steuerung

11a Schnittstelle zu einer Steuerung

12 Treiberstufe des Halbleiterschalters 12a Vorladeelektronik

13 Zeitverzögerungsschaltung

14 Strommessgerät

15 Messabgriff 16 Messabgriff 17 Messabgriff

18 Messabgriff

19 Messleitung

20 Messleitung

21 mechanischer Schalter 22 Messleitung

23 Messleitung

24 Schutzwiderstand