DE102016220118A1 - Batterie-Trenneinrichtung und Verfahren zur Durchführung eines Vorladezyklus - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie-Trenneinrichtung (16), wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Anschließen einer Batterie (2) aufweist, wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) weiter einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Anschließen einer elektrischen Komponente (4) aufweist, wobei zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang mindestens ein erster Leistungsschalter und zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang mindestens ein zweiter Leistungsschalter angeordnet ist, wobei mindestens der erste Leistungsschalter als mindestens ein Transistor (T_E) ausgebildet ist, wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) mindestens eine Steuereinheit (11) aufweist, die mindestens Steuersignale für den mindestens einen Transistor (T_E) erzeugt, wobei die Steuereinheit (11) derart ausgebildet ist, dass in einem Vorladezyklus die elektrische Komponente (4) mit einem im zeitlichen Mittel geringeren Strom bestromt wird im Vergleich zu einem normalen Entladestrom, wobei die Steuereinheit (11) weiter derart ausgebildet ist, ein erstes Steuersignal (U_G1) für einen ersten Arbeitspunkt (AP1) zu erzeugen, in dem der Transistor (T_E) gesperrt ist, und ein zweites Steuersignal (U_G2) für einen zweiten Arbeitspunkt (AP2) zu erzeugen, in dem der Transistor (T_E) voll durchgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) derart ausgebildet ist, dass im Vorladezyklus ein drittes Steuersignal (U_G3) für einen dritten Arbeitspunkt (AP3) erzeugt wird, der zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt (AP1, AP2) liegt, sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Vorladezyklus.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Batterie-Trenneinrichtung und ein Verfahren zur Durchführung eines Vorladezyklus.
• Batterie-Trenneinrichtungen werden benötigt, um gezielt eine Batterie ab- oder zuzuschalten. Dabei ist die Batterie beispielsweise eine Hochvolt-Batterie eines Traktionsnetzes in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
• Eine solche Batterie-Trenneinrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2011 015 694 A1 bekannt. Dabei weist die Batterie-Trenneinrichtung einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Anschließen einer Batterie auf, wobei die Batterie-Trenneinrichtung weiter einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Anschließen einer elektrischen Komponente aufweist. Die elektrische Komponente ist beispielsweise eine Leistungselektronik zur Ansteuerung einer Elektromaschine. Zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang ist ein erster Leistungsschalter in Form eines Relais und zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang ist ein zweiter Leistungsschalter in Form eines Relais angeordnet, mittels derer die Batterie allpolig galvanisch abtrennbar ist. Weiter offenbart die Batterie-Trennvorrichtung ein Vorladerelais mit einem Vorladewiderstand, über die der Einschaltstrom begrenzt werden kann. Dabei kann das Vorladerelais mit Vorladewiderstand auch durch Transistoren mit in Reihe geschalteten Relais ersetzt werden. Wenn der Vorladevorgang abgeschlossen ist, wird das parallelgeschaltete Haupt-Relais geschlossen und die Vorladestrecke geöffnet. Da die Relais relativ niederohmig sind, ist die Verlustwärme kein größeres Problem. Ein Nachteil von Relais ist deren relativ langsame Schaltzeit im Vergleich zu Leistungshalbleitern.
• Insbesondere wegen der Schaltzeiten und der notwendigen Vorladestrecke sind Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren, als Ersatz für die Relais vorgeschlagen worden.
• Aus der DE 10 2012 210 602 A1 ist eine Batterietrenneinrichtung mit einem Transistor bekannt, der beispielsweise als IGBT oder MOSFET ausgebildet ist. Dabei ist dem Transistor eine Diodenbrücke zugeordnet, die mit dem Batteriestrang und dem Transistor derartig verbunden ist, dass ein durch den Transistor fließender Strom immer vorwärts durch den Transistor fließt, unabhängig von der Richtung des Stromes durch den Batteriestrang. Hierdurch wird das Problem gelöst, dass die Transistoren in Rückwärtsrichtung (Inversbetrieb) nur eine begrenzte Sperrfähigkeit aufweisen und auch im Durchlassbetrieb schlechtere Kennwerte aufweisen. Nachteilig an der Schaltung ist, dass der Strom immer über zwei Dioden und den Transistor fließen muss. Dies erhöht die Verluste und führt zu Problemen hinsichtlich der Wärmeabfuhr der Verlustleistung.
• Aus der DE 10 2009 019 531 A1 ist ein Lastschalter für ein Traktionsnetz bekannt, der aus zwei antiparallel liegenden Leistungszweigen mit jeweils einem IGBT und einer zugehörigen Sperrdiode besteht, wobei zusätzlich in einem dritten Leistungszweig ein Power-MOSFET angeordnet ist. Die in den beiden Leistungszweigen antiparallel angeordneten IGBTs ermöglichen eine Leistungsentnahme sowie gleichzeitig eine Rekuperation, d.h. eine Aufladung der Fahrzeugbatterien. Ist einer der beiden Leistungszweige durchgeschaltet, liegen an dem jeweiligen IGBT typischerweise noch ca. 5 V Spannung an. Die damit verbundene Verlustleistung kann durch Schalten des Power-MOSFETs weiter reduziert werden, da dieser einen Widerstand im mΩ-Bereich im durchgeschalteten Zustand aufweist.
• Bei Batterie-Trenneinrichtungen mit Transistoren kann wie bereits ausgeführt der Vorladewiderstand und das Vorladerelais entfallen, wobei durch eine geeignete PWM-Ansteuerung im zeitlichen Mittel ein Vorladestrom eingestellt wird, der geringer ist als der normale Entladestrom. Ein Problem dabei ist, dass, wenn die elektrische Komponente nicht eine große Induktivität aufweist, der Strom schnell ansteigt und entsprechend schnell wieder abgeschaltet werden muss. D.h. je geringer die Induktivität der elektrischen Komponente ist, desto höher muss die Schaltfrequenz der Transistoren für die PWM-Steuerung sein. Ist die elektrische Komponente beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator, sind die Anforderungen an die Schaltfrequenzen entsprechend hoch.
• Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterie-Trenneinrichtung zu schaffen, bei der die Anforderungen an die Schaltfrequenzen des Transistors reduziert sind, sowie ein Verfahren zur Durchführung eines Vorladezyklus zur Verfügung zu stellen.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterie-Trenneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Batterie-Trenneinrichtung weist dabei einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Anschließen einer Batterie auf. Weiter weist die Batterie-Trenneinrichtung einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Anschließen einer elektrischen Komponente auf, wobei zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang mindestens ein erster Leistungsschalter und zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang mindestens ein zweiter Leistungsschalter angeordnet ist, wobei mindestens der erste Leistungsschalter als mindestens ein Transistor ausgebildet ist. Weiter weist die Batterie-Trenneinrichtung mindestens eine Steuereinheit auf, die mindestens Steuersignale für den mindestens einen Transistor erzeugt, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass in einem Vorladezyklus die elektrische Komponente mit einem im zeitlichen Mittel geringeren Strom bestromt wird im Vergleich zu einem normalen Entladestrom. Die Steuereinheit ist weiter derart ausgebildet, ein erstes Steuersignal für einen ersten Arbeitspunkt zu erzeugen, in dem der Transistor gesperrt ist, und ein zweites Steuersignal für einen zweiten Arbeitspunkt zu erzeugen, in dem der Transistor voll durchgeschalter ist. Die Steuereinheit ist weiter derart ausgebildet, dass im Vorladezyklus ein drittes Steuersignal für einen dritten Arbeitspunkt erzeugt wird, der zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt liegt. Dadurch kann ein gewünschter Strom eingestellt werden, sodass sich die Problematik mit den Schaltfrequenzen nicht stellt.
• Dabei entsteht in dem Transistor die Verlustleistung W_v=I² R. Insbesondere wenn zeitliche Vorgaben für die maximale Zeit des Vorladens bestehen, kann dies dazu führen, dass aufgrund des dann einzustellenden Stromes die Verlustleistung stark ansteigt.
• Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Steuereinheit derart ausgebildet, dem dritten Steuersignal ein PWM-Signal zu überlagern, wobei durch das PWM-Signal der Arbeitspunkt in Richtung des zweiten Arbeitspunktes verschoben wird. Dabei stehen zwei Parameter zur Verfügung, nämlich die Pulsbreite und die Amplitude des PWM-Sginals. Durch geeignete Wahl der Parameter kann dann eine maximale Vorladezeit mit minimalem Wärmeeintrag eingestellt werden.
• Dabei liegt der dritte Arbeitspunkt vorzugsweise näher am ersten Arbeitspunkt, sodass der Strom relativ gering ist, sodass wenig Verlustwärme erzeugt wird. Dabei gilt für den Widerstand im dritten Arbeitspunkt $R_{AP3}\text{>}\frac{R_{AP1}+R_{AP2}}{2}$

  

  bzw. für den Betrag der Steuersignale $U_{G3}\text{<}\frac{U_{G1}+U_{G2}}{2}\text{.}$

  
• In einer weiteren Ausführungsform wird die Amplitude des PWM-Signals derart gewählt, dass der zweite Arbeitspunkt nicht erreicht wird. Allerdings sind auch Ausführungsformen möglich, wo der zweite Arbeitspunkt erreicht wird.
• In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Leistungsschalter als Relais ausgebildet, sodass mittels der Batterie-Trenneinrichtung eine galvanische Trennung realisierbar ist.
• Aufgrund der Tatsache, dass die Sperrfähigkeit von Transistoren in Rückwärtsrichtung begrenzt ist, ist es bekannt, zwei Transistoren in Reihe zu schalten, die gegensinnig zueinander angeordnet sind, wobei gegebenenfalls parallel zu jedem Transistor eine Diode angeordnet ist. Der Vorteil ist, dass aktiv beide Stromrichtungen gesperrt werden können. Nachteilig ist der höhere Bauteileaufwand sowie eine etwas größere Verlustleitung, da der Strom immer durch eine Transistorstrecke und eine Diode fließt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nur eine Transistorstrecke in Reihe zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang geschaltet. Dabei wird die mangelnde Sperrfähigkeit des Transistors in Rückwärtsrichtung durch das Relais als zweiten Leistungsschalter aufgefangen.
• Bevorzugt wird der Transistor für eine Entladestrecke von Batterie zur Komponente in Vorwärtsrichtung angeordnet. Ist der Transistor beispielsweise ein IGBT, so ist der Kollektor mit dem Eingang und der Emitter mit dem Ausgang der Batterie-Trennrichtung verbunden. Entsprechend ist bei einem MOSFET der Drain-Anschluss mit dem Eingang und der Source-Anschluss mit dem Ausgang verbunden. Der Vorteil dieser Verschaltung ist, dass in der Entladerichtung die hohe Sperrfähigkeit und schnelle Sperrfähigkeit des Transistors in Vorwärtsrichtung zur Verfügung steht und somit Kurzschlussströme, die die Stromtragfähigkeit des Relais übersteigen könnten, frühzeitig durch Sperrung des Transistors abgeschaltet werden. In der Ladestrecke treten solche schnellen Stromänderungen im kritischen Bereich nicht auf, sodass hier die Abschaltung durch Öffnen des Relais ausreichend ist.
• Neben der erwähnten IGBTs und MOSFETs können auch GaN- oder SiC-Transistoren zur Anwendung kommen. Der GaN-Transistor ist vorzugsweise als selbstsperrender Transistor ausgebildet. Diese weisen insbesondere ein verbessertes Schaltverhalten auf.
• In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zum Transistor mindestens eine Diode angeordnet. Diese ist derart angeordnet, dass diese in Laderichtung in Flussrichtung gepolt ist. Somit muss der Transistor in Rückwärtsrichtung (Inversbetrieb) nicht durchgeschaltet werden, was hinsichtlich der Verluste von Vorteil ist. Bei Ausführungen, wo der Transistor als MOSFET ausgebildet ist, kann dann eine herstellungsbedingt ohnehin vorhandene intrinsische Diode (Body-Diode) verwendet werden. Bei Ausführungsformen, wo der Transistor als IGBT ausgebildet ist, ist die Diode hingegen zwingend ein separates Bauteil. Aber auch bei Verwendung eines MOSFET kann zusätzlich eine separate Diode neben der intrinsischen Diode zur Anwendung kommen, da die Stromtragfähigkeit dieser parasitären Dioden begrenzt ist.
• In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Transistoren, also mindestens zwei Transistoren, parallel geschaltet. Somit kann der Strom auf die Transistoren aufgeteilt werden, wobei jedoch die Verlustwärme im Wesentlichen nicht ansteigt. Des Weiteren entschärft dies beispielsweise das Problem der Stromtragfähigkeit der intrinsischen Dioden bei dem MOSFET, da sich der Strom dann auf mehrere Dioden aufteilt. Dabei sei angemerkt, dass die Anzahl der Transistoren und Dioden vorzugsweise gleich ist, was aber nicht zwingend ist.
• In einer Ausführungsform sind alle parallel geschalteten Transistoren gleich aufgebaut, beispielsweise sind alle Transistoren MOSFETs, IGBTs, GaN-Transistoren oder SiC-Transistoren.
• In einer alternativen Ausführungsform werden die Transistoren jedoch gezielt vermischt, um die jeweiligen Vorteile auszunutzen. Dabei können die Typen bzw. Schaltungsfamilien gemischt werden (z.B. IGBT und MOSFET oder GaN- und IGBT), aber auch Basismaterialien, d.h. Silizium-Transistoren wie IGBT, MOSFET, GaN- und Siliziumkarbid-Transistoren.
• Dabei ist es möglich, stets alle Transistoren gleichzeitig zu betreiben. Es ist aber auch möglich, situativ die jeweils günstigsten Transistoren gezielt anzusteuern, wohingegen die anderen Transistoren gesperrt bleiben. Alternativ können diese gezielt nacheinander angesteuert werden. Beispielsweise werden zunächst die Transistoren der einen Art durchgeschaltet, bevor anschließend die anderen Transistoren durchgeschaltet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden IGBTs und MOSFETs verwendet, wobei deren Anzahl gleich sein kann, was aber nicht zwingend ist. Beispielweise kann die Anzahl der MOSFETs größer oder kleiner als die der IGBTs sein.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet, Steuersignale für den oder die Transistoren und das Relais zu erzeugen, wobei der oder die Transistoren und das Relais zeitgleich angesteuert werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die Schaltzeiten der Transistoren im µs Bereich und die Relais im ms-Bereich liegen. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei dem Relais zunächst die mechanische Kontaktvorspannung abgebaut werden muss, bevor der Kontakt sich öffnen kann. Dieser Zeitverzug kann nun ausgenutzt werden, da die Transistoren den Batteriestrom abgeschaltet haben, bevor das Relais öffnet, sodass die Gefahr von Lichtbögen vermieden wird, insbesondere da die Kurzschlussströme normalerweise größer als die Stromtrennfähigkeit der Relais ist.
• Die Batterie-Trenneinrichtung kann dabei beispielsweise in einer kompakten Baueinheit angeordnet sein.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Traktionsnetzes mit einer Batterie-Trenneinrichtung,
• 2a eine Teildarstellung der Batterie-Trenneinrichtung mit eingezeichnetem Entladestrom,
• 2b eine Teildarstellung der Batterie-Trenneinrichtung mit eingezeichnetem Ladestrom,
• 3a eine Teildarstellung einer alternativen Batterie-Trenneinrichtung mit eingezeichnetem Entladestrom,
• 3b eine Teildarstellung der alternativen Batterie-Trenneinrichtung mit eingezeichnetem Ladestrom,
• 4 eine schematische Darstellung eines Drain-Source-Widerstandes eines MOSFET-Transistors über einer Steuerspannung,
• 5a eine schematische Darstellung einer Steuerspannung über der Zeit für einen Vorladezyklus,
• 5b eine schematische Darstellung eines Stromes über der Zeit für einen Vorladezyklus,
• 6 eine Strom-Spannungskennlinie für MOSFET und IGBT,
• 7 eine Parallelschaltung von MOSFETs und IGBTs,
• 8 ein Blockschaltbild eines Traktionsnetzes mit einer Batterie-Trenneinrichtung mit zwei Relais (Stand der Technik) und
• 9 verschiedene Kennlinien für eine Schaltung gemäß 8.
• Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst der Stand der Technik anhand der 8 und 9 kurz erläutert werden. Das Traktionsnetz 1 umfasst eine Batterie 2 mit einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen 3, eine Leistungselektronik 4 mit einem Zwischenkreiskondensator C_ZK, eine Elektromaschine 5 sowie eine Batterie-Trenneinrichtung 6. Die Batterie-Trenneinrichtung 6 weist ein erstes Relais 7 und ein zweites Relais 8 auf, über die die Plusleitung und die Minusleitung zu- oder abschaltbar sind.
• Weiter weist die Batterie-Trenneinrichtung 6 einen Stromsensor 9, eine Sicherung 10, eine Steuereinheit 11, ein Vorladerelais S_VL und einen Vorladewiderstand R_VL auf. Über das Vorladerelais S_VL und den Vorladewiderstand R_VL wird der Zwischenkreiskondensator C_ZK mit einem moderaten Strom aufgeladen. Dazu wird zunächst das Relais 7 offen gelassen und das Relais 8 sowie das Vorladerelais S_VL geschlossen. Ist der Zwischenkreiskondensator C_ZK aufgeladen, wird das Relais 7 geschlossen und das Vorladerelais S_VL geöffnet. Während des Betriebes fließt dann der Strom über den niederohmigen Pfad über die beiden Relais 7, 8, sodass sich die Wärmeverluste in Grenzen halten. Während des Batteriebetriebes (z.B. Fahrt oder Laden) wird eine Überlastung der Batteriezellen 3 und der Relais 7, 8 verhindert, indem beispielsweise über ein CAN-Bus an ein Hochvolt-Steuergerät des Fahrzeugs der maximal mögliche Strom, den die Batterie 2 unter den aktuellen Randbedingungen (z.B. abhängig von der Temperatur der Batteriezelle 3) liefern kann, kommuniziert wird. Wenn dieser Strom durch die Hochvolt-Komponenten überschritten wird, erfolgt nach einer vordefinierten Plausibilisierung ein Öffnen der Relais 7, 8 durch die Steuereinheit 11.
• In der 9 sind nun einige Kennlinien dargestellt, wobei die Kennlinie a die Stromtragfähigkeit der Sicherung 10 und Kennlinie b die Stromtragfähigkeit der Relais 7, 8 darstellt. Weiter ist eine Kennlinie c dargestellt, die die Stromtrennfähigkeit der Relais 7, 8 darstellt, also welchen Strom die Relais 7, 8 ohne Lichtbogenbildung schalten können. Weiter ist eine Kennlinie d dargestellt, die einen beispielhaften Verlauf eines Kurzschlussstromes darstellt. Die Kennlinie e beschreibt einen Peakstrom und die Kennlinie f einen Dauerstrom der Batterie 2, wobei die Kennlinien g und h die jeweiligen Schaltschwellen für den Peakstrom bzw. den Dauerstrom darstellen. Ein Peakstrom entsteht beispielsweise beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs. Liegt dann der Peakstrom für einen Zeitraum t₁ über der Peakstromschwelle der Kennlinie g, so werden die Relais 7, 8 geöffnet, um die Batteriezellen zu schützen. Dieser Abschaltvorgang stellt kein Problem dar, da der Strom unterhalb der Stromtrennfähigkeit und der Stromtragfähigkeit der Relais 7, 8 liegt. Im Falle des Dauerstromes muss hingegen rechtzeitig zum Zeitpunkt t₂ abgeschaltet werden, da ansonsten die Gefahr eines Verschweißens der Relais 7, 8 auftreten kann. Ein Problem stellt ein Kurzschlussstrom gemäß Kennlinie d dar, da nach kurzer Zeit der Peak des Kurzschlussstromes die Stromtragfähigkeit der Relais 7, 8 überschreitet, sodass aus Sicherheitsgründen nach jedem Kurzschlussfall die Relais 7, 8 ausgetauscht werden müssen. Die Sicherung 10 muss dabei nicht auslösen, da der Peakstrom gegebenenfalls nur wenige ms anliegt und somit die Kennlinie a nicht geschnitten wird.
• In der 1 ist ein Traktionsnetz 1 mit einer Batterie-Trenneinrichtung 16 dargestellt, wo gleiche Elemente wie in der Ausführungsform gemäß 8 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der wesentliche Unterschied zur Ausführungsform gemäß 8 ist, dass das Relais 8 durch eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren T_E ersetzt wurde, wobei durch die Transistoren T_E das Vorladerelais S_VL und der Vorladewiderstand R_VL entfallen können. Die Transistoren T_E sind dabei derart verschaltet, dass diese in der Entladerichtung in Vorwärtsrichtung geschaltet sind (siehe auch 2a). Parallel zu den Transistoren 17 sind die Dioden D_L geschaltet, die in Laderichtung in Durchlassrichtung geschaltet sind (siehe 2b). Die Transistoren T_E und das Relais 8 werden von der Steuereinheit 11 angesteuert. Die Funktionalität des Vorladerelais S_VL und Vorladewiderstands R_VL kann dann durch eine geeignete Ansteuerung der Transistoren T_E realisiert werden, was später noch näher erläutert wird.
• Dabei werden in der Entladerichtung, d.h. Strom I_ELAD fließt aus der Batterie 2, die Transistoren T_E aufgesteuert, sodass diese leitend sind. Da die Dioden D_L in Sperrrichtung gepolt sind, fließt der Strom I_ELAD ausschließlich über die Transistoren T_E. Da die Transistoren im durchgeschalteten Zustand in Vorwärtsrichtung sehr niederohmig sind, ist die Verlustwärme gering. In der Laderichtung fließt der Strom I_LAD in die Batterie 2. Hierzu werden die Transistoren T_E gesperrt, da diese im Inversbetrieb einen höheren Widerstand aufweisen als die Dioden D_L. Somit fällt auch die Verlustwärme nur an den Dioden D_L an. Diese Verlustwärme ist im Regelfall gut zu handhaben, sodass aufwendige aktive Kühlmaßnahmen nicht notwendig sind. Über das Relais 8 kann dann weiterhin die Batterie 2 einpolig galvanisch abgetrennt werden, wobei das Relais 8 in der Laderichtung für die Abschaltung alleine zuständig ist, da die Dioden D_L in Flussrichtung gepolt sind. Die Dioden D_L können dabei separate Dioden D_L sein oder aber bei der Ausbildung der Transistoren als MOSFET können intrinsischen Dioden (auch bekannt als Body-Diode) der Transistoren T_E verwendet werden. Wie bereits ausgeführt, kann der Stromfluss nur in Entladerichtung aktiv durch die Transistoren T_E abgeschaltet werden. Dies ist aber gerade auch die kritische Stromrichtung im Kurzschlussfall (siehe 9, Kennlinie d, wo die Stromtragfähigkeit der Relais überschritten wird). Dieses Problem kann nun durch die Transistoren T_E gelöst werden, da diese im µs-Bereich schalten können. Somit kann im Kurzschlussfall der Strom über die Transistoren T_E abgeschaltet werden, bevor die Stromtragfähigkeitsgrenze des Relais 8 erreicht wird. Dies ermöglicht es auch, Transistoren T_E und Relais zeitgleich zu schalten, selbst wenn der Strom größer als die Stromtrennfähigkeit (siehe Kennlinie c, 9) des Relais ist, da der Strom bereits durch die Transistoren T_E abgeschaltet ist.
• In den 3a und 3b ist eine alternative Vorschaltung mit jeweils zwei Transistoren T_E, T_L in Reihe dargestellt, denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist, wobei mehrere dieser Schaltungen parallel geschaltet sein können. Dabei sind die beiden Transistoren T_E und T_L gegensinnig zueinander verschaltet. In Entladerichtung (siehe 3a) fließt der Strom über den durchgeschalteten Transistor T_E und die Diode D_E, wobei der Transistor T_L ausgeschaltet sein kann. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass der Strom in beide Richtungen aktiv abgeschaltet werden kann. Nachteilig ist der höhere Bauteileaufwand, weshalb die Schaltung gemäß 1 bzw. 2a, 2b bevorzugt wird.
• Anhand der 4 sowie 5a, 5b soll nun der Vorladevorgang näher erläutert werden. Dabei ist in 4 schematisch der Drain-Source-Widerstand R_DS über der Steuerspannung U_G aufgetragen. Dabei stellt U_G1 ein erstes Steuersignal dar, bei dem der Transistor voll gesperrt ist. R_DS (U_G1) stellt dabei einen ersten Arbeitspunkt AP1 dar. U_G2 stellt ein zweites Steuersignal dar, bei dem der Transistor voll aufgesteuert ist. R_DS (U_G2) stellt dabei einen zweiten Arbeitspunkt AP2 dar. Für den Vorladebetrieb wird nun ein dritter Arbeitspunkt AP3 mit einer Steuerspannung U_G3 als Steuersignal eingestellt, wobei U_G3 näher bei U_G1 liegt. Hierdurch stellt sich ein im Vergleich zu U_G2 verringerter Stromfluss ein.
• Insbesondere um den Vorladezyklus zu beschleunigen, wird vorzugsweise dem Steuersignal U_G3 zusätzlich ein PWM-Signal überlagert, was in 5a schematisch dargestellt ist. Durch geeignete Wahl der Amplitude A und der Pulsbreite t_p kann dann der im Mittel fließende Strom I erhöht werden, was in 5b schematisch dargestellt ist.
• In der 6 ist die Spannung über den Strom im leitenden Zustand für einen MOSFET und einen IGBT dargestellt. Dabei ist der Widerstand des MOSFET bei niedrigen Strömen bis ca. 15 A geringer als der des IGBTs, wobei bei größeren Strömen von ca. 25 A der Widerstand des IGBTs geringer ist. Daher sind bei niedrigen Lastströmen MOSFETs und bei höheren Lastströmen IGBTs zu bevorzugen. Dies unterschiedliche Verhalten kann nun aber gezielt genutzt werden, was in 7 dargestellt ist, wobei aus Übersichtsgründen die Dioden D_L nicht dargestellt sind. Dabei sind die Transistoren links als MOSFETs und rechts als IGBTs ausgebildet, wobei sich der Laststrom I_ges je nach Größe unterschiedlich aufteilt. Im unteren Lastbereich fließt der Großteil des Stromes über die MOSFETs und im oberen Lastbereich überwiegend über die IGBTs, wobei sich automatisch eine minimale Verlustleistung einstellt.
• Alternativ können im niedrigen Lastfall nur die MOSFETs durchgeschaltet werden und im höheren Lastfall nur die IGBTs. Des Weiteren ist es auch möglich, gezielt einzelne Transistoren abzuschalten, falls diese in einen kritischen Temperaturbereich gelangen.
• Dieses unterschiedliche Verhalten von MOSFET und IGBTs kann dabei auch im Vorladezyklus gezielt ausgenutzt werden, indem beispielsweise nur die MOSFETs für den Vorladezyklus angesteuert werden, wobei die IGBTs gesperrt bleiben.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102011015694 A1 [0003]
• DE 102012210602 A1 [0005]
• DE 102009019531 A1 [0006]

Claims (10)

1. Batterie-Trenneinrichtung (16), wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zum Anschließen einer Batterie (2) aufweist, wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) weiter einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zum Anschließen einer elektrischen Komponente (4) aufweist, wobei zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang mindestens ein erster Leistungsschalter und zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang mindestens ein zweiter Leistungsschalter angeordnet ist, wobei mindestens der erste Leistungsschalter als mindestens ein Transistor (T_E) ausgebildet ist, wobei die Batterie-Trenneinrichtung (16) mindestens eine Steuereinheit (11) aufweist, die mindestens Steuersignale für den mindestens einen Transistor (T_E) erzeugt, wobei die Steuereinheit (11) derart ausgebildet ist, dass in einem Vorladezyklus die elektrische Komponente (4) mit einem im zeitlichen Mittel geringeren Strom bestromt wird im Vergleich zu einem normalen Entladestrom, wobei die Steuereinheit (11) weiter derart ausgebildet ist, ein erstes Steuersignal (U_G1) für einen ersten Arbeitspunkt (AP1) zu erzeugen, in dem der Transistor (T_E) gesperrt ist, und ein zweites Steuersignal (U_G2) für einen zweiten Arbeitspunkt (AP2) zu erzeugen, in dem der Transistor (T_E) voll durchgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) derart ausgebildet ist, dass im Vorladezyklus ein drittes Steuersignal (U_G3) für einen dritten Arbeitspunkt (AP3) erzeugt wird, der zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitspunkt (AP1, AP2) liegt.
2. Batterie-Trenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) derart ausgebildet ist, dem dritten Steuersignal (U_G3) ein PWM-Signal (PWM) zu überlagern, wobei durch das PWM-Signal (PWM) der Arbeitspunkt (AP3) in Richtung des zweiten Arbeitspunktes (AP2) verschoben wird.
3. Batterie-Trenneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Arbeitspunkt (AP3) näher am ersten Arbeitspunkt (AP1) liegt.
4. Batterie-Trenneinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) des PWM-Signals (PWM) derart ausgebildet ist, dass der zweite Arbeitspunkt (AP2) nicht erreicht wird.
5. Batterie-Trenneinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leistungsschalter als Relais (8) ausgebildet ist.
6. Batterie-Trenneinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Transistor (T_E) für eine Entladestrecke von der Batterie (2) zur Komponente (4) in Vorwärtsrichtung angeordnet ist.
7. Batterie-Trenneinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Transistor (T_E) mindestens eine Diode (D_L) angeordnet ist.
8. Batterie-Trenneinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Transistoren (T_E) parallel geschaltet sind.
9. Batterie-Trenneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T_E) aus unterschiedlichen Schaltungsfamilien und/oder aus verschiedenen Basismaterialien bestehen.
10. Verfahren zur Durchführung eines Vorladezyklus mittels einer Batterie (2), einer elektrischen Komponente (4) und einer Batterie-Trenneinrichtung (16) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) ein drittes Steuersignal (U_G3) für den dritten Arbeitspunkt (AP3) erzeugt, der zwischen dem ersten Arbeitspunkt (AP1) und dem zweiten Arbeitspunkt (AP2) liegt.

Images