CN107887939B - 电池组隔离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池组隔离装置。本发明涉及一种电池组隔离装置（16），其中所述电池组隔离装置（16）具有用于连接电池组（2）的第一输入端和第二输入端，其中所述电池组隔离装置（16）此外还具有用于连接电部件的第一输出端和第二输出端，其中在所述第一输入端与所述第一输出端之间布置有至少一个第一功率开关，而在所述第二输入端与所述第二输出端之间布置有至少一个第二功率开关，其中所述第一功率开关是至少一个晶体管（TE），而所述第二功率开关是继电器（8）。

Description

电池组隔离装置
技术领域
本发明涉及一种电池组隔离装置。
需要电池组隔离装置用来有针对性地切断或接通电池组。在此，该电池组例如是电动车辆或混合动力车辆中的牵引电网的高压电池组。
背景技术
例如从DE 10 2011 015 694 A1公知这种电池组隔离装置。在此，所述电池组隔离装置具有用于连接电池组的第一输入端和第二输入端，其中所述电池组隔离装置此外还具有用于连接电部件的第一输出端和第二输出端。所述电部件例如是用于操控电机的功率电子装置。在第一输入端与第一输出端之间布置有以继电器的形式的第一功率开关，而在第二输入端与第二输出端之间布置有以继电器的形式的第二功率开关，借助于所述第一功率开关和第二功率开关，所述电池组能全极地电流地被隔开。此外，所述电池组隔离装置还公开了具有预充电电阻的预充电继电器，通过所述电池组隔离装置可以限制接通电流。在此，所述具有预充电电阻的预充电继电器也可以通过具有串联的继电器的晶体管来替代。如果预充电过程结束，那么所并联的主继电器闭合而预充电路径断开。因为所述继电器是相对低电阻的，所以损耗热量不是较大的问题。与功率半导体相比，继电器的缺点是其相对缓慢的开关时间。
尤其是由于开关时间和所需的预充电路径，曾提出半导体开关、尤其是晶体管作为对所述继电器的替代。
从DE 10 2012 210 602 A1公知一种具有晶体管的电池组隔离装置，所述晶体管例如构造为IGBT或者MOSFET。在此，将二极管桥分配给所述晶体管，所述二极管桥与电池组支路和所述晶体管这样连接，使得流过晶体管的电流始终向前流过所述晶体管，与电流经过电池组支路的方向无关。经此所解决的问题是，晶体管沿反向（逆变运行）仅仅具有有限的截止能力而且也在导通运行下具有较差的特性值。在电路方面不利的是，电流必须始终流经两个二极管和所述晶体管。这提高了损耗并且导致在损耗功率的散热方面的问题。
从DE 10 2009 019 531 A1公知一种用于牵引电网的负载开关，所述负载开关由两个反平行的功率分支组成，所述功率分支各有一个IGBT和一个所属的截止二极管，其中附加地在第三功率分支中布置有一个电力MOSFET（Power-MOSFET）。在两个功率分支中反平行地布置的IGBT能够实现功率输出以及同时能够实现回收、也就是说对车辆电池组的充电。如果接通所述两个功率分支之一，那么通常仍有大约5V电压附在相应的IGBT上。与此相关联的损耗功率可以通过切换电力MOSFET进一步降低，因为所述电力MOSFET在接通状态下具有在mΩ范围内的电阻。
发明内容
本发明所基于的技术问题在于：提供一种电池组隔离装置，借助于所述电池组隔离装置能实现快速的开关时间，其中损耗功率有限。
通过本发明的电池组隔离装置得到对所述技术问题的解决方案。本发明的其它有利的设计方案也从本发明中得到。
在此，电池组隔离装置具有用于连接电池组的第一输入端和第二输入端。此外，所述电池组隔离装置还具有用于连接电部件的第一输出端和第二输出端，其中在所述第一输入端和所述第一输出端之间布置有至少一个第一功率开关，所述第一功率开关构造为晶体管，其中在所述第二输入端与所述第二输出端之间布置有至少一个第二功率开关，所述第二功率开关构造为继电器。借助于所述第一功率开关和第二功率开关，所述电池组能全极地在电流方面被隔开，而且由不同的电路族组成和/或由不同的基极材料组成的多个晶体管并联。经此可以动用两个功率开关类型的优点。在此，通过继电器可以首先实现电流隔离。而通过晶体管可以快速地切换电流。在此，优选地在第二输入端与第二输出端之间正好有一个继电器。在此，晶体管朝反向的所缺乏的截止能力通过存在的继电器来补足。在此，在只有一个晶体管的最简单的情况下，相对应的损耗热量很小并且可以在没有花费高的冷却装置的情况下被掌控。
优选地，所述晶体管针对从电池组到部件的放电路径而朝前向布置。如果所述晶体管例如是IGBT，那么集电极与电池组隔离装置的输入端连接而发射极与电池组隔离装置的输出端连接。相对应地，在MOSFET中，漏极接线端子与输入端连接，而源极接线端子与输出端连接。所述接线的优点是：沿放电方向，提供晶体管朝前向的高截止能力和快速的截止能力，并且可能会超过继电器的载流能力的短路电流因此及早地通过晶体管的截止被切断。在充电路径内，这种快速的电流变化没有出现在临界区域内，使得这里通过断开继电器来进行切断是足够的。
除了所提及的IGBT和MOSFET之外，也可以使用GaN或者SiC晶体管。GaN晶体管优选地构造为自截止的晶体管。所述晶体管尤其具有经改善的开关特性。
在另一实施方式中，至少一个二极管平行于晶体管地来布置。所述二极管被布置为使得所述二极管沿充电方向朝通流方向极化。因此，晶体管不必朝反向（逆变运行）接通，这在损耗方面是有利的。接着，在晶体管被构造为MOSFET的实施方案中，可以使用由制造造成地总归存在的本征二极管（体二极管（Body-Diode））。而在晶体管被构造为IGBT的实施方式中，所述二极管强制地是单独的构件。但是在使用MOSFET时，除了本征二极管之外也可以附加地使用一个单独的二极管，因为所述寄生二极管的载流能力有限。
在另一实施方式中，多个晶体管、即至少两个晶体管并联。因此，电流可以被分配到所述晶体管上，其中然而损耗热量基本上不升高。此外，这例如使在MOSFET中的本征二极管的载流能力的问题得以缓和，因为电流接着被分配到多个二极管上。在此应注意：晶体管和二极管的数目优选地是相同的，但是这不是强制的。
在一个实施方式中，所有并联的晶体管都相同地来构造，例如所有晶体管都是MOSFET、IGBT、GaN晶体管或者SiC晶体管。
然而，在一个可替换的实施方式中，所述晶体管有针对性地被混杂，以便充分利用相应的优点。在此，可以使类型或电路族混合（例如IGBT和MOSFET或者GaN晶体管和IGBT），但是也可以使基极材料混合、也就是说硅晶体管（如IGBT、MOSFET、GaN晶体管）和碳化硅晶体管。
在此可能的是，始终使所有晶体管同时运行。但是也可能的是，视情况有针对性地操控分别最有利的晶体管，而其它晶体管保持截止。可替换地，这些晶体管可以有针对性地相继***控。例如，在紧接着接通其它晶体管之前，首先接通一种类型的晶体管。
在一个优选的实施方式中，使用IGBT和MOSFET，其中它们的数目可以是相同的，但是这不是强制的。例如，MOSFET的数目可以大于或小于IGBT的数目。
在另一实施方式中，所述电池组隔离装置具有控制单元，所述控制单元被构造为产生用于所述一个或多个晶体管和所述继电器的控制信号，其中所述一个或多个晶体管和所述继电器同时***控。在此充分利用了：所述晶体管的开关时间在μs范围内而所述继电器在ms范围内。为此的原因在于：在继电器中，在触点可以被断开之前，首先必须撤除机械的触点预紧。现在，可以充分利用所述时滞，因为晶体管在继电器断开之前已经切断了电池组电流，使得避免了电弧的危险，尤其是因为短路电流通常大于继电器的分流能力。
在此，所述电池组隔离装置例如可以布置在一个紧凑的结构单元中。
附图说明
随后，本发明依据一个优选的实施例进一步予以阐述。各个附图中：
图1示出了具有电池组隔离装置的牵引电网的方框电路图，
图2a示出了具有所绘出的放电电流的电池组隔离装置的部分图示，
图2b示出了具有所绘出的充电电流的电池组隔离装置的部分图示，
图3示出了晶体管的截止和继电器的断开的时间变化过程的图示，
图4示出了具有电池组隔离装置的牵引电网的方框电路图，所述电池组隔离装置具有两个继电器（现有技术），
图5示出了按照图4的电路的不同的特性曲线，
图6示出了MOSFET和IGBT的电流-电压特性曲线，而
图7示出了MOSFET和IGBT的并联电路。
具体实施方式
在进一步阐述本发明之前，首先应该依据图4和5简短地阐述现有技术。牵引电网1包括：具有大量串联的电池组电池3的电池组2、具有中间电路电容器CZK的功率电子装置4、电机5以及电池组隔离装置6。电池组隔离装置6具有第一继电器7和第二继电器8，通过所述第一继电器7和第二继电器8能接通或切断正线路和负线路。
此外，电池组隔离装置6还具有电流传感器9、保险装置10、控制单元11、预充电继电器SVL和预充电电阻RVL。通过预充电继电器SVL和预充电电阻RVL，用适当的电流给中间电路电容器CZK充电。为此，首先使继电器7断开并且使继电器8以及预充电继电器SVL闭合。如果中间电路电容器CZK充满电，那么继电器7闭合而预充电继电器SVL断开。接着，在运行期间，有电流经过低电阻的路径流过两个继电器7、8，使得热损耗保持在极限内。在电池组运行（例如行驶或充电）期间防止了电池组电池3和继电器7、8的过载，其方式是例如通过CAN总线将可能的最大电流通知给车辆的高压控制设备，电池组2可以在当前的边界条件下（例如根据电池组电池3的温度）提供所述可能的最大电流。如果超过所述经过高压部件的电流，那么在预先限定的合理性检查之后通过控制单元11来断开继电器7、8。
现在，在图2中示出了一些特性曲线，其中特性曲线a表示保险装置10的载流能力而特性曲线b表示继电器7、8的载流能力。此外还示出了特性曲线c，所述特性曲线c表示继电器7、8的分流能力、即所述继电器7、8在没有电弧形成的情况下可以切换怎样的电流。此外还示出了特性曲线d，所述特性曲线d表示短路电流的示例性的变化过程。特性曲线e描述了峰值电流而特性曲线f描述了电池组2的持续电流，其中特性曲线g和h表示针对峰值电流或持续电池的相应的开关阈。例如，在机动车加速时形成峰值电流。接着，如果峰值电流在时间间隔t1内超过特性曲线g的峰值电流阈，那么继电器7、8断开，以便保护电池组电池。所述切断过程不是问题，因为电流低于继电器7、8的分流能力和载流能力。而在持续电流的情况下，必须在时间点t2及时地进行切断，因为否则可能出现继电器7、8的焊接的危险。问题是按照特性曲线d的短路电流，因为在短暂的时间之后，短路电流的峰值超过继电器7、8的载流能力，使得出于安全原因在每次短路情况之后必须更换继电器7、8。在此，保险装置10不一定触发，因为峰值电流也许只有几ms并且因此特性曲线a没有相交。
在图1中示出了具有按照本发明的电池组隔离装置16的牵引电网1，在那里，与在按照图4的实施方式中相同的要素配备相同的附图标记。与按照图4的实施方式的重要的区别是：继电器8已经由多个晶体管TE的并联电路替代，其中由于所述晶体管TE可以取消预充电继电器SVL和预充电电阻RVL。在此，所述晶体管TE被接线为使得所述晶体管TE沿放电方向朝前向切换（也参见图3a）。与晶体管17平行地接有二极管DL，所述二极管DL沿充电方向朝导通方向切换（参见图2b）。晶体管TE和继电器8由控制单元11来操控。接着，预充电继电器SVL和预充电电阻RVL的功能性可以通过对晶体管TE的适当的PWM操控来实现。
在此，沿放电方向（也就是说电流IELAD从电池组2流出）激励晶体管TE，使得所述晶体管TE导通。因为二极管DL朝截止方向极化，所以电流IELAD仅仅流经晶体管TE。因为晶体管在接通状态下朝前向电阻非常低，所以损耗热量小。沿充电方向有电流ILAD流到电池组2中。为此使晶体管TE截止，因为所述晶体管TE在逆变运行下具有比二极管DL更高的电阻。因此，也仅仅在二极管DL上出现损耗热量。所述损耗热量通常能良好地被处理，使得不需要花费高的主动的冷却措施。接着，此外通过继电器8还可以使电池组2单极地电流地隔开，其中所述继电器8沿充电方向仅仅负责切断，因为二极管DL朝通流方向极化。在此，所述二极管DL可以是单独的二极管DL，要不然在所述晶体管作为MOSFET的构造方案的情况下，可以使用所述晶体管TE的本征二极管（也称作体二极管）。如已经实施的那样，电流只能沿放电方向通过晶体管TE主动地被切断。但是，这正好也是在短路情况下的临界的电流方向（参见图5，特性曲线d，在那里超过了继电器的载流能力）。现在，该问题可以通过晶体管TE来解决，因为所述晶体管TE可以在μs范围内切换。因此，在短路情况下，在达到继电器8的载流能力极限之前，可以通过晶体管TE来切断电流。这也能够实现：即使电流大于继电器的分流能力（参见特性曲线c，图5），也同时切换晶体管TE和继电器，因为所述电流已经由晶体管TE切断。这示意性地在图3中示出。在此，在Y轴上示出了晶体管TE和继电器8的开关状态，其中数字1表征继电器8闭合或晶体管TE接通。接着，如果控制单元11与时间点t0同步地操控晶体管TE和继电器8，那么所述晶体管TE在几μs之后关断（截止），而继电器8在几ms之后才断开，因为首先必须撤除机械紧固力。
在图6中示出了在MOSFET和IGBT的导通状态下的电流期间的电压。在此，MOSFET的电阻在直至大约15A的低电流的情况下小于IGBT的电阻，其中在大约25A的更高的电流的情况下，IGBT的电阻更小。因而，在低的负载电流的情况下应优选MOSFET而在更高的负载电流的情况下应优选IGBT。但是，现在可以有针对性地利用所述不同的特性，这在图7中示出，其中出于清楚原因而没有示出二极管DL。在此，所述晶体管左侧构造为MOSFET而右侧构造为IGBT，其中负载电流Iges视大小而定不一样地被分配。在低负载范围内，电流的大部分流经MOSFET，而在高负载范围内，电流的大部分主要流经IGBT，其中自动地调整最小损耗功率。
可替换地，在低负载情况下可以只接通MOSFET而在更高的负载情况下可以只接通IGBT。此外也可能的是，有针对性地切断各个晶体管，如果所述晶体管到达临界温度范围内。

Claims (3)

1.一种电池组隔离装置（16），其中，所述电池组隔离装置（16）具有用于连接电池组（2）的第一输入端和第二输入端，其中所述电池组隔离装置（16）此外还具有用于连接电部件的第一输出端和第二输出端，其中在所述第一输入端与所述第一输出端之间布置有至少一个第一功率开关，而在所述第二输入端与所述第二输出端之间布置有至少一个第二功率开关，借助于所述第一功率开关和第二功率开关，所述电池组能全极地在电流方面被隔开，
其特征在于，
所述第一功率开关包括多个并联的、由不同的电路族组成和/或由不同的基极材料组成的晶体管（TE），
所述第二功率开关是继电器（8），
所述晶体管（TE）是至少一个MOSFET和至少一个IGBT，以及
所述电池组隔离装置（16）具有控制单元（11），所述控制单元被构造为：
-产生用于一个或多个晶体管（TE）和所述继电器（8）的控制信号，其中所述一个或多个晶体管（TE）和所述继电器（8）同时***控，以及
-将负载电流视大小而定地分配到所述MOSFET和所述IGBT上，其中自动地调整到最小损耗功率。
2.根据权利要求1所述电池组隔离装置，其特征在于，所述晶体管（TE）针对从电池组（2）到部件的放电路径而朝前向布置。
3.根据权利要求1所述电池组隔离装置，其特征在于，至少一个二极管（DL）平行于所述晶体管（TE）地来布置。
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