DE102022214310A1 - Circuit arrangement, electrical energy storage device and device - Google Patents

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Abstract

Schaltungsanordnung (1), insbesondere für einen elektrischen Energiespeicher, wobei die Schaltungsanordnung (1) zumindest zwei Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) mitjeweiligen elektrischen Leitern (4) und einen Magnetfeldsensor (3) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (3) eingerichtet ist, ein von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittiertes magnetisches Feld zu detektieren, wobei das magnetische Feld ein überlagertes magnetisches Feld aus jeweiligen von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittierten magnetischen Feldern (H1) ist.Circuit arrangement (1), in particular for an electrical energy store, wherein the circuit arrangement (1) has at least two switching elements (S1, S2, S3, S4) with respective electrical conductors (4) and a magnetic field sensor (3), wherein the magnetic field sensor (3) is set up to detect a magnetic field emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4), wherein the magnetic field is a superimposed magnetic field from respective magnetic fields (H1) emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4).

Description

Feld der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, einen elektrischen Energiespeicher und eine Vorrichtung.The present invention relates to a circuit arrangement, an electrical energy storage device and a device.

Stand der TechnikState of the art

Die US 10,782,350 B2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fehlerdiagnose für ein Schaltelement.The US10,782,350B2 discloses a device and a method for fault diagnosis for a switching element.

Die CN 204882706 U zeigt industrielle Überwachungstechnik mit Selbstdiagnose.The CN 204882706 U shows industrial monitoring technology with self-diagnosis.

Die CN 113295991 A offenbart ein Fehleranalyseverfahren und eine Fehleranalysevorrichtung auf Basis der Impedanz des Regelkreises eines Hochvolt-Leistungsschalters.The CN113295991A discloses a fault analysis method and a fault analysis device based on the impedance of the control loop of a high-voltage circuit breaker.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Kern der Erfindung bei der Schaltungsanordnung, insbesondere für einen elektrischen Energiespeicher, besteht darin, dass die Schaltungsanordnung zumindest zwei Schaltelemente mit jeweiligen elektrischen Leitern und einen Magnetfeldsensor aufweist, wobei der Magnetfeldsensor eingerichtet ist, ein von den Schaltelementen und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern emittiertes magnetisches Feld zu detektieren, wobei das magnetische Feld ein überlagertes magnetisches Feld aus jeweiligen von den Schaltelementen und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern emittierten magnetischen Feldern ist.The core of the invention in the circuit arrangement, in particular for an electrical energy storage device, is that the circuit arrangement has at least two switching elements with respective electrical conductors and a magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor is set up to detect a magnetic field emitted by the switching elements and/or the respective electrical conductors, wherein the magnetic field is a superimposed magnetic field of respective magnetic fields emitted by the switching elements and/or the respective electrical conductors.

Hintergrund der Erfindung ist, dass mittels eines einzigen Magnetfeldsensors mehrere Schaltelemente überwachbar sind. Dabei ist feststellbar, welches Schaltelement eine Veränderung aufweist und welcher Art diese Veränderung ist. Dadurch ist eine gezielte Fehlerreaktion möglich. Beispielsweise ist die Schaltfrequenz oder der Stromdurchfluss des Schaltelements reduzierbar. Dadurch kann ein Totalausfall der Schaltvorrichtung verhindert werden.The background of the invention is that several switching elements can be monitored using a single magnetic field sensor. It is possible to determine which switching element has a change and what type of change this is. This enables a targeted error reaction. For example, the switching frequency or the current flow of the switching element can be reduced. This can prevent a total failure of the switching device.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels des magnetischen Feldes ein Fehlerstatus zumindest eines Schaltelementes erkennbar. Dadurch ist eine gezielte Fehlerreaktion möglich.According to an advantageous embodiment, an error status of at least one switching element can be identified by means of the magnetic field. This enables a targeted error reaction.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels des magnetischen Feldes ein Stromfluss durch die Schaltelemente bestimmbar. Somit ist der Magnetfeldsensor zur redundanten Strommessung zu einem Stromsensor nutzbar.According to a further advantageous embodiment, a current flow through the switching elements can be determined by means of the magnetic field. The magnetic field sensor can thus be used for redundant current measurement as a current sensor.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Schaltungsanordnung mindestens einen Stromsensor aufweist. Somit ist der Stromfluss durch die Schaltungsanordnung mittels des Stromsensors und des Magnetfeldsensors redundant bestimmbar.It is advantageous if the circuit arrangement has at least one current sensor. The current flow through the circuit arrangement can thus be determined redundantly using the current sensor and the magnetic field sensor.

Vorteilhafterweise sind die Schaltelemente parallelgeschaltet angeordnet, insbesondere wobei die Schaltelemente mittels eines einzigen Schaltsignals steuerbar sind. Mittels der Parallelschaltung der Schaltelemente sind höhere Ströme schaltbar.Advantageously, the switching elements are arranged in parallel, in particular wherein the switching elements can be controlled by means of a single switching signal. Higher currents can be switched by means of the parallel connection of the switching elements.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Schaltelemente als elektronische Schaltelemente ausgeführt sind, insbesondere als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET-Schalter, insbesondere wobei die Schaltelemente einen gemeinsamen Steueranschluss aufweisen. Dadurch sind die Schaltelemente in einfacher Art und Weise steuerbar.It is advantageous if the switching elements are designed as electronic switching elements, in particular as semiconductor switches, in particular as MOSFET switches, in particular where the switching elements have a common control connection. This makes it easy to control the switching elements.

Vorteilhafterweise ist der Magnetfeldsensor als Hall-Sensor ausgeführt.Advantageously, the magnetic field sensor is designed as a Hall sensor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltelemente in einer Ebene angeordnet, insbesondere auf einer Leiterplatte, wobei der Magnetfeldsensor über oder unter oder in der Ebene angeordnet ist. Dadurch ist die Schaltungsanordnung kompakt ausführbar.According to an advantageous embodiment, the switching elements are arranged in a plane, in particular on a circuit board, with the magnetic field sensor being arranged above or below or in the plane. This allows the circuit arrangement to be designed compactly.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn jeweilige Abstände zwischen dem Magnetfeldsensor und einem jeweiligen Schaltelement jeweils paarweise verschieden sind. Der Magnetfeldsensor ist also asymmetrisch zu den Schaltelementen angeordnet. Dadurch ist ein verändertes Schaltelement eindeutig erkennbar, da einander aufhebende Doppelfehler unwahrscheinlich sind.It is also advantageous if the respective distances between the magnetic field sensor and a respective switching element are different in pairs. The magnetic field sensor is therefore arranged asymmetrically to the switching elements. This means that a changed switching element can be clearly identified, since double errors that cancel each other out are unlikely.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung zwei oder mehr Magnetfeldsensoren auf, wobei die Magnetfeldsensoren eingerichtet sind, ein von den Schaltelementen und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern emittiertes magnetisches Feld zu detektieren, wobei das magnetische Feld ein überlagertes magnetisches Feld aus jeweiligen von den Schaltelementen und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern emittierten magnetischen Feldern ist. Dadurch sind die Messgenauigkeit und die Ortsauflösung verbesserbar.According to a further advantageous embodiment, the circuit arrangement has two or more magnetic field sensors, wherein the magnetic field sensors are designed to detect a magnetic field emitted by the switching elements and/or the respective electrical conductors, wherein the magnetic field is a superimposed magnetic field of respective magnetic fields emitted by the switching elements and/or the respective electrical conductors. The measurement accuracy and the spatial resolution can thereby be improved.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Schaltungsanordnung mehr Schaltelemente als Magnetfeldsensoren aufweist.It is advantageous if the circuit arrangement has more switching elements than magnetic field sensors.

Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeicher besteht darin, dass der elektrische Energiespeicher eine Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf die Schaltungsanordnung bezogenen Ansprüche aufweist.The essence of the invention in the electrical energy storage device is that the electrical energy storage device has a circuit arrangement as described above or according to one of the claims related to the circuit arrangement.

Hintergrund der Erfindung ist, dass die Betriebssicherheit des elektrischen Energiespeichers verbessert ist. Bei frühzeitiger Erkennung eines Fehlers ist eine gezielte Fehlerreaktion möglich. Beispielsweise ist die Schaltfrequenz oder der Stromdurchfluss des Schaltelements reduzierbar. Dadurch kann ein Totalausfall der Schaltvorrichtung verhindert werden und der elektrische Energiespeicher noch in einen sicheren Zustand überführt werden.The background of the invention is that the operational reliability of the electrical energy storage device is improved. If a fault is detected early, a targeted error reaction is possible. For example, the switching frequency or the current flow of the switching element can be reduced. This can prevent a total failure of the switching device and the electrical energy storage device can still be transferred to a safe state.

Der Kern der Erfindung bei der Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, besteht darin, dass die Vorrichtung einen elektrischen Energiespeicher wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach dem auf den elektrischen Energiespeicher bezogenen Anspruch aufweist.The essence of the invention in the device, in particular vehicle, is that the device has an electrical energy storage device as described above or according to the claim related to the electrical energy storage device.

Hintergrund der Erfindung ist, dass die Betriebssicherheit des Fahrzeugs verbessert ist. Bei frühzeitiger Erkennung eines fehlerhaften Schaltelements ist eine gezielte Fehlerreaktion möglich. Beispielsweise ist die Schaltfrequenz oder der Stromdurchfluss des Schaltelements reduzierbar. Dadurch kann ein Totalausfall der Schaltvorrichtung beziehungsweise des elektrischen Energiespeichers verhindert werden und beispielsweise noch ein Notfahrmanöver durchgeführt werden.The background of the invention is that the operational safety of the vehicle is improved. If a faulty switching element is detected early, a targeted error reaction is possible. For example, the switching frequency or the current flow of the switching element can be reduced. This can prevent a total failure of the switching device or the electrical energy storage device and, for example, an emergency driving maneuver can still be carried out.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Other possible embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt.In the following section, the invention is explained using exemplary embodiments from which further inventive features can arise, but to which the scope of the invention is not limited. The exemplary embodiments are shown in the drawings.

Es zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 auf einer Leiterplatte 5,
  • 2 eine schematische Darstellung von von der Schaltungsanordnung 1 emittierten Magnetfeldern (H1, H2, H3, H4) in Seitenansicht,
  • 3 eine schematische Darstellung der Magnetfelder (H1, H2, H3, H4) in Draufsicht, und
  • 4 eine Magnetfeldstärke H an einem Magnetfeldsensor 3 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 als Funktion eines Stromes I durch die Schaltungsanordnung 1.
Show it:
  • 1 a circuit arrangement 1 according to the invention on a printed circuit board 5,
  • 2 a schematic representation of magnetic fields (H1, H2, H3, H4) emitted by the circuit arrangement 1 in side view,
  • 3 a schematic representation of the magnetic fields (H1, H2, H3, H4) in plan view, and
  • 4 a magnetic field strength H at a magnetic field sensor 3 of the circuit arrangement 1 according to the invention as a function of a current I through the circuit arrangement 1.

In 1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 auf einer Leiterplatte 5 dargestellt.In 1 The circuit arrangement 1 according to the invention is shown on a printed circuit board 5.

Die Schaltungsanordnung 1 weist zumindest ein erstes Schaltelement S1, ein zweites Schaltelement S2, ein drittes Schaltelement S3, ein viertes Schaltelement S4, das jeweils mittels elektrischen Leitern 4 mit einer Leiterplatte 5 verbunden ist, und einen Magnetfeldsensor 3 mit einer Sensoreinheit 2 auf.The circuit arrangement 1 has at least a first switching element S1, a second switching element S2, a third switching element S3, a fourth switching element S4, each of which is connected to a circuit board 5 by means of electrical conductors 4, and a magnetic field sensor 3 with a sensor unit 2.

Die Schaltungsanordnung 1 ist auf der Leiterplatte 5 angeordnet.The circuit arrangement 1 is arranged on the circuit board 5.

Die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) sind parallelgeschaltet nebeneinander auf der Leiterplatte 5 angeordnet. Dabei sind alle Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) mittels eines einzigen Steuersignals schaltbar. Vorzugsweise sind die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) als Halbleiterschalter, insbesondere als Transistoren, insbesondere als MOSFET, ausgeführt und weisen einen gemeinsamen Steueranschluss auf.The switching elements (S1, S2, S3, S4) are arranged in parallel next to one another on the circuit board 5. All switching elements (S1, S2, S3, S4) can be switched using a single control signal. The switching elements (S1, S2, S3, S4) are preferably designed as semiconductor switches, in particular as transistors, in particular as MOSFETs, and have a common control connection.

Der Magnetfeldsensor 3 ist zwischen den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) angeordnet, insbesondere zwischen dem zweiten Schaltelement S2 und dem dritten Schaltelement S3. Dabei ist der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 3 und dem zweiten Schaltelement S2 kleiner als der Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 3 und dem dritten Schaltelement S3.The magnetic field sensor 3 is arranged between the switching elements (S1, S2, S3, S4), in particular between the second switching element S2 and the third switching element S3. The distance between the magnetic field sensor 3 and the second switching element S2 is smaller than the distance between the magnetic field sensor 3 and the third switching element S3.

Die Sensoreinheit 2 ist wie in 1 dargestellt zwischen den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) angeordnet. Alternativ kann die Sensoreinheit 2 auch zwischen den elektrischen Leitern 4 angeordnet sein.The sensor unit 2 is as in 1 shown arranged between the switching elements (S1, S2, S3, S4). Alternatively, the sensor unit 2 can also be arranged between the electrical conductors 4.

Die elektrischen Leiter 4 sind Leiterbahnen auf der Leiterplatte 5 und/oder Verbindungsdrähte beziehungsweise Bonddrähte und/oder Verbindungskabel.The electrical conductors 4 are conductor tracks on the circuit board 5 and/or connecting wires or bonding wires and/or connecting cables.

Das erste Schaltelement S1 beziehungsweise die mit dem ersten Schaltelement S1 verbundenen elektrischen Leiter 4 emittieren ein erstes magnetisches Feld H1.The first switching element S1 or the electrical conductors 4 connected to the first switching element S1 emit a first magnetic field H1.

Das zweite Schaltelement S2 beziehungsweise die mit dem zweiten Schaltelement S2 verbundenen elektrischen Leiter 4 emittieren ein zweites magnetisches Feld H2.The second switching element S2 or the electrical conductors 4 connected to the second switching element S2 emit a second magnetic field H2.

Das dritte Schaltelement S3 beziehungsweise die mit dem dritten Schaltelement S3 verbundenen elektrischen Leiter 4 emittieren ein drittes magnetisches Feld H3.The third switching element S3 or the electrical conductors 4 connected to the third switching element S3 emit a third magnetic field H3.

Das vierte Schaltelement S4 beziehungsweise die mit dem vierten Schaltelement S4 verbundenen elektrischen Leiter 4 emittieren ein viertes magnetisches Feld H4.The fourth switching element S4 or the electrical conductors 4 connected to the fourth switching element S4 emit a fourth magnetic field H4.

Der Magnetfeldsensor 3 ist eingerichtet, magnetische Felder (H1, H2, H3, H4), die von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den elektrischen Leitern 4 emittiert werden, zu detektieren. Dabei überlagern sich die magnetischen Felder (H1, H2, H3, H4) an dem Magnetfeldsensor 3, so dass eine Überlagerung der magnetischen Felder detektiert wird.The magnetic field sensor 3 is designed to detect magnetic fields (H1, H2, H3, H4) that are emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the electrical conductors 4. The magnetic fields (H1, H2, H3, H4) overlap on the magnetic field sensor 3, so that a superposition of the magnetic fields is detected.

Gemäß einem weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Schaltungsanordnung auch mehrere Magnetfeldsensoren aufweisen, die an verschiedenen Positionen der Schaltungsanordnung angeordnet sind und eingerichtet sind, die überlagerten magnetischen Felder (H1, H2, H3, H4), die von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den elektrischen Leitern 4 emittiert werden, an der jeweiligen Position zu detektieren. Dabei weist die Schaltungsanordnung 1 mehr Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) als Magnetfeldsensoren auf.According to a further embodiment not shown in the figures, the circuit arrangement can also have a plurality of magnetic field sensors that are arranged at different positions of the circuit arrangement and are set up to detect the superimposed magnetic fields (H1, H2, H3, H4) that are emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the electrical conductors 4 at the respective position. The circuit arrangement 1 has more switching elements (S1, S2, S3, S4) than magnetic field sensors.

Gemäß einem weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Schaltungsanordnung zusätzlich einen Stromsensor aufweisen, beispielsweise einen Messwiderstand oder einen weiteren Magnetfeldsensor.According to a further embodiment not shown in the figures, the circuit arrangement can additionally have a current sensor, for example a measuring resistor or a further magnetic field sensor.

Der Magnetfeldsensor oder die Magnetfeldsensoren sind beispielsweise als Hall-Sensor ausgeführt, insbesondere als zweidimensionaler Hall-Sensor beziehungsweise 2D-Hall-Sensor oder als dreidimensionaler Hall-Sensor beziehungsweise 3D-Hall-Sensor.The magnetic field sensor or the magnetic field sensors are designed, for example, as a Hall sensor, in particular as a two-dimensional Hall sensor or 2D Hall sensor or as a three-dimensional Hall sensor or 3D Hall sensor.

In 2 ist die Schaltungsanordnung 1 mit den von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) beziehungsweise von den elektrischen Leitern 4 emittierten Magnetfeldern (H1, H2, H3, H4) dargestellt.In 2 the circuit arrangement 1 with the magnetic fields (H1, H2, H3, H4) emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) or by the electrical conductors 4 is shown.

Die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) sind nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Der Magnetfeldsensor 3 ist oberhalb der Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) angeordnet und weist einen Abstand h zu der Ebene auf. Eine Messrichtung 10 des Magnetfeldsensors 3 ist quer zu der Ebene ausgerichtet.The switching elements (S1, S2, S3, S4) are arranged next to one another in a plane. The magnetic field sensor 3 is arranged above the switching elements (S1, S2, S3, S4) and is at a distance h from the plane. A measuring direction 10 of the magnetic field sensor 3 is aligned transversely to the plane.

Alternativ kann der Magnetfeldsensor 3 auch unterhalb der Ebene oder in der Ebene angeordnet sein.Alternatively, the magnetic field sensor 3 can also be arranged below the plane or in the plane.

Eine Projektion des Magnetfeldsensors 3 in die Ebene weist einen ersten Abstand d1 zu dem ersten Schaltelement S1, einen zweiten Abstand d2 zu dem zweiten Schaltelement S2, einen dritten Abstand d3 zu dem dritten Schaltelement S3 und einen vierten Abstand d4 zu dem vierten Schaltelement S4 auf. Dabei ist der zweite Abstand d2 kleiner als der dritte Abstand d3. Der dritte Abstand d3 ist kleiner als der erste Abstand d1. Der erste Abstand d1 ist kleiner als der vierte Abstand d4.A projection of the magnetic field sensor 3 in the plane has a first distance d1 to the first switching element S1, a second distance d2 to the second switching element S2, a third distance d3 to the third switching element S3 and a fourth distance d4 to the fourth switching element S4. The second distance d2 is smaller than the third distance d3. The third distance d3 is smaller than the first distance d1. The first distance d1 is smaller than the fourth distance d4.

Der Magnetfeldsensor 3 weist einen ersten effektiven Abstand d_eff1 zu dem ersten Schaltelement S1, einen zweiten effektiven Abstand d_eff2 zu dem zweiten Schaltelement S2, einen dritten effektiven Abstand d_eff3 zu dem dritten Schaltelement S3 und einen vierten effektiven Abstand d_eff4 zu dem vierten Schaltelement S4 auf. Dabei sind der erste effektive Abstand d_eff1, der zweite effektive Abstand d_eff2, der dritte effektive Abstand d_eff3 und der vierte effektive Abstand d_eff4 jeweils paarweise ungleich.The magnetic field sensor 3 has a first effective distance d_eff1 to the first switching element S1, a second effective distance d_eff2 to the second switching element S2, a third effective distance d_eff3 to the third switching element S3 and a fourth effective distance d_eff4 to the fourth switching element S4. The first effective distance d_eff1, the second effective distance d_eff2, the third effective distance d_eff3 and the fourth effective distance d_eff4 are each unequal in pairs.

Der erste effektive Abstand d_eff1 weist einen ersten Winkel α_1 zu dem Abstand h auf. Der zweite effektive Abstand d_eff2 weist einen zweiten Winkel α_2 zu dem Abstand h auf. Der dritte effektive Abstand d_eff3 weist einen dritten Winkel α_3 zu dem Abstand h auf. Der vierte effektive Abstand d_eff4 weist einen vierten Winkel α_4 zu dem Abstand h auf. Mittels dieser geometrischen Daten ist das resultierende überlagerte Magnetfeld am Magnetfeldsensor 3 bestimmbar.The first effective distance d_eff1 has a first angle α_1 to the distance h. The second effective distance d_eff2 has a second angle α_2 to the distance h. The third effective distance d_eff3 has a third angle α_3 to the distance h. The fourth effective distance d_eff4 has a fourth angle α_4 to the distance h. Using these geometric data, the resulting superimposed magnetic field on the magnetic field sensor 3 can be determined.

3 zeigt die Schaltungsanordnung 1, die von einem Strom I durchflossen wird, in Draufsicht. 3 shows the circuit arrangement 1, through which a current I flows, in plan view.

Die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) sind parallelgeschaltet angeordnet. Der Strom I teilt sich über die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) auf, so dass an jedem Schaltelement ein Strom von etwa ¼ I anliegt. Durch diesen Strom wird jeweils ein magnetisches Feld (H1, H2, H3, H4) an dem jeweiligen Schaltelement (S1, S2, S3, S4) emittiert. Die magnetischen Felder (H1, H2, H3, H4) überlagern sich zu einem überlagerten magnetischen Feld an der Position des Magnetfeldsensors 3 beziehungsweise der Sensoreinheit 2.The switching elements (S1, S2, S3, S4) are arranged in parallel. The current I is divided across the switching elements (S1, S2, S3, S4) so that a current of approximately ¼ I is present at each switching element. This current emits a magnetic field (H1, H2, H3, H4) at the respective switching element (S1, S2, S3, S4). The magnetic fields (H1, H2, H3, H4) overlap to form a superimposed magnetic field at the position of the magnetic field sensor 3 or the sensor unit 2.

In den Figuren sind die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) gleichmäßig verteilt nebeneinander angeordnet dargestellt. Es ist aber jede beliebige Anordnung der Schaltelemente möglich, bei der sich die magnetischen Felder der stromdurchflossenen Schaltelemente an der Position des Magnetfeldsensors 3 beziehungsweise der Sensoreinheit 2 überlagern.In the figures, the switching elements (S1, S2, S3, S4) are shown evenly distributed next to each other. However, any arrangement of the switching elements is possible, in which the magnetic fields of the current-carrying switching elements overlap at the position of the magnetic field sensor 3 or the sensor unit 2.

Beispielsweise aufgrund von Alterung und/oder eines mechanischen Defekts kann sich der Widerstand eines Schaltelements (S1, S2, S3, S4) verändern, insbesondere kann das Schaltelement (S1, S2, S3, S4) dauerhaft hochohmig werden. Dadurch verändert sich die Verteilung des Stroms I über die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4). Beispielsweise könnte das Schaltelement S1 hochohmig werden, so dass im in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel nahezu kein Strom mehr durch das erste Schaltelement fließt und jeweils etwa ein Drittel des Stroms I über das zweite Schaltelement S2 beziehungsweise das dritte Schaltelement S3 beziehungsweise das vierte Schaltelement S4 fließt. Dadurch verändern sich die von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) emittierten magnetischen Felder (H1, H2, H3, H4) und somit das überlagerte magnetische Feld an der Position des Magnetfeldsensors 3 beziehungsweise der Sensoreinheit 2.For example, due to aging and/or a mechanical defect, the resistance of a switching element (S1, S2, S3, S4) can change; in particular, the switching element (S1, S2, S3, S4) can become permanently high-resistance. This changes the distribution of the current I across the switching elements (S1, S2, S3, S4). For example, the switching element S1 could become high-resistance, so that in the embodiment shown in the figures almost no current flows through the first switching element and approximately one third of the current I flows through the second switching element S2 or the third switching element S3 or the fourth switching element S4. This changes the magnetic fields (H1, H2, H3, H4) emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and thus the superimposed magnetic field at the position of the magnetic field sensor 3 or the sensor unit 2.

In 4 ist die Magnetfeldstärke H an einem Magnetfeldsensor 2 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 als Funktion eines Stromes I durch die Schaltungsanordnung 1 dargestellt.In 4 the magnetic field strength H at a magnetic field sensor 2 of the circuit arrangement 1 according to the invention is shown as a function of a current I through the circuit arrangement 1.

Dabei ist Hideal(I) die Magnetfeldstärke als Funktion des Stroms I für eine fehlerfreie Schaltungsanordnung 1. Diese Ideallinie ist durch eine werksseitige Kalibrierung der Schaltungsanordnung 1 individuell bestimmbar, so dass Initialtoleranzen der Schaltungsanordnung 1 kompensiert werden können.Here, H ideal (I) is the magnetic field strength as a function of the current I for an error-free circuit arrangement 1. This ideal line can be individually determined by a factory calibration of the circuit arrangement 1, so that initial tolerances of the circuit arrangement 1 can be compensated.

Altert beziehungsweise verändert sich ein oder mehrere Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) so weicht die gemessene Magnetfeldstärke H(I) von der Ideallinie Hideal(I) ab. Oberhalb und unterhalb von der Ideallinie Hideal(I) liegt ein Degradationsbereich zwischen HDegr.+(I) und HDegr.-(I). In diesem Magnetfeldstärkebereich liegt noch kein Ausfall beziehungsweise Fehler eines Schaltelementes (S1, S2, S3, S4) vor. Dennoch können schon präventive Maßnahmen eingeleitet werden, beispielsweise eine geringfügige Leistungsdrosselung oder eine Überprüfung der Schaltungsanordnung 1 in einer Werkstatt.If one or more switching elements (S1, S2, S3, S4) age or change, the measured magnetic field strength H(I) deviates from the ideal line H ideal (I). Above and below the ideal line H ideal (I) there is a degradation range between H Degr.+ (I) and H Degr.- (I). In this magnetic field strength range there is no failure or fault of a switching element (S1, S2, S3, S4). Nevertheless, preventive measures can already be initiated, for example a slight reduction in power or a check of the circuit arrangement 1 in a workshop.

Je dunkler gefärbt das Diagramm dargestellt ist, desto stärker verändert sich das oder die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4). Oberhalb von HFehler+(I) beziehungsweise unterhalb von HFehler-(I) liegt mindestens ein defektes Schaltelement (S1, S2, S3, S4) vor.The darker the diagram is, the more the switching element(s) (S1, S2, S3, S4) have changed. Above H Error+ (I) or below H Error- (I) there is at least one defective switching element (S1, S2, S3, S4).

Dabei ist zu beachten, dass ein Mindeststrom, der größer ist als Imin+ beziehungsweise kleiner ist als Imin-, durch die Schaltungsanordnung fließen muss, um Messungenauigkeiten und dadurch resultierende Fehldiagnosen zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Signal des Magnetfeldsensors gefiltert werden beziehungsweise ist der Magnetfeldsensor mit einem Filter verbunden.It should be noted that a minimum current that is greater than I min+ or less than I min- must flow through the circuit arrangement in order to reduce measurement inaccuracies and the resulting misdiagnosis. Alternatively or additionally, the signal from the magnetic field sensor can be filtered or the magnetic field sensor can be connected to a filter.

Durch Auswertung der Änderung der Magnetfeldstärke ist nicht nur die Anzahl der betroffenen Schaltelemente, sondern auch die Art des Fehlers ermittelbar. Beispielsweise kann ein mechanischer Fehler, wie Bonddrahtbruch und/oder Fremdkörper im Schaltelement und/oder Verbiegung des Schaltelements oder der Schaltungsanordnung, von alterungsbedingten Veränderungen unterschieden werden.By evaluating the change in magnetic field strength, not only the number of switching elements affected can be determined, but also the type of error. For example, a mechanical error, such as a broken bond wire and/or foreign bodies in the switching element and/or bending of the switching element or the circuit arrangement, can be distinguished from age-related changes.

Bei frühzeitiger Erkennung der Fehlerart ist eine gezielte Fehlerreaktion möglich. Beispielsweise ist die Schaltfrequenz oder der Stromdurchfluss des Schaltelements reduzierbar. Dadurch kann ein Totalausfall der Schaltvorrichtung verhindert werden und beispielsweise noch ein Notfahrmanöver eines mit der Schaltvorrichtung ausgestatteten Fahrzeugs durchgeführt werden.If the type of fault is detected early, a targeted fault response is possible. For example, the switching frequency or the current flow of the switching element can be reduced. This can prevent a total failure of the switching device and, for example, an emergency driving maneuver can still be carried out in a vehicle equipped with the switching device.

Unter einem elektrischen Energiespeicher wird hierbei ein wiederaufladbarer Energiespeicher verstanden, insbesondere aufweisend eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeichermodul aufweisend zumindest eine elektrochemische Energiespeicherzelle und/oder ein Energiespeicherpack aufweisend zumindest ein Energiespeichermodul. Die Energiespeicherzelle ist als lithiumbasierte Batteriezelle, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausführbar. Alternativ ist die Energiespeicherzelle als Lithium-Polymer-Batteriezelle oder Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle oder Blei-Säure-Batteriezelle oder Lithium-Luft-Batteriezelle oder Lithium-Schwefel-Batteriezelle ausgeführt.An electrical energy storage device is understood here to mean a rechargeable energy storage device, in particular having an electrochemical energy storage cell and/or an energy storage module having at least one electrochemical energy storage cell and/or an energy storage pack having at least one energy storage module. The energy storage cell can be designed as a lithium-based battery cell, in particular a lithium-ion battery cell. Alternatively, the energy storage cell is designed as a lithium polymer battery cell or nickel-metal hydride battery cell or lead-acid battery cell or lithium-air battery cell or lithium-sulfur battery cell.

Unter einem Fahrzeug wird hierbei ein Landfahrzeug, zum Beispiel ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder ein Luftfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug verstanden, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein batterieelektrisch angetriebenes Fahrzeug, das einen rein elektrischen Antrieb aufweist, oder ein Hybridfahrzeug, das einen elektrischen Antrieb und einen Verbrennungsmotor aufweist.A vehicle is understood here to be a land vehicle, for example a passenger car or a truck, or an aircraft or a watercraft, in particular a vehicle that is at least partially electrically powered. The vehicle is, for example, a battery-electric vehicle that has a purely electric drive, or a hybrid vehicle that has an electric drive and an internal combustion engine.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • CN 204882706 U [0003]CN 204882706 U [0003]
  • CN 113295991 A [0004]CN113295991A [0004]

Claims (13)

Schaltungsanordnung (1), insbesondere für einen elektrischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) zumindest zwei Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) mit jeweiligen elektrischen Leitern (4) und einen Magnetfeldsensor (3) aufweist, wobei der Magnetfeldsensor (3) eingerichtet ist, ein von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittiertes magnetisches Feld zu detektieren, wobei das magnetische Feld ein überlagertes magnetisches Feld aus jeweiligen von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittierten magnetischen Feldern (H1, H2, H3, H4) ist.Circuit arrangement (1), in particular for an electrical energy store, characterized in that the circuit arrangement (1) has at least two switching elements (S1, S2, S3, S4) with respective electrical conductors (4) and a magnetic field sensor (3), wherein the magnetic field sensor (3) is set up to detect a magnetic field emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4), wherein the magnetic field is a superimposed magnetic field from respective magnetic fields (H1, H2, H3, H4) emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4). Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des magnetischen Feldes ein Fehlerstatus zumindest eines Schaltelementes (S1, S2, S3, S4) erkennbar ist.Circuit arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that an error status of at least one switching element (S1, S2, S3, S4) can be detected by means of the magnetic field. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des magnetischen Feldes ein Stromfluss durch die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) bestimmbar ist.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a current flow through the switching elements (S1, S2, S3, S4) can be determined by means of the magnetic field. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) mindestens einen Stromsensor aufweist.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement (1) has at least one current sensor. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) parallelgeschaltet angeordnet sind, insbesondere wobei die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) mittels eines einzigen Schaltsignals steuerbar sind.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching elements (S1, S2, S3, S4) are arranged in parallel, in particular wherein the switching elements (S1, S2, S3, S4) can be controlled by means of a single switching signal. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) als elektronische Schaltelemente ausgeführt sind, insbesondere als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET-Schalter, insbesondere wobei die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) einen gemeinsamen Steueranschluss aufweisen.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching elements (S1, S2, S3, S4) are designed as electronic switching elements, in particular as semiconductor switches, in particular as MOSFET switches, in particular wherein the switching elements (S1, S2, S3, S4) have a common control connection. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (3) als Hall-Sensor ausgeführt ist.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field sensor (3) is designed as a Hall sensor. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) in einer Ebene angeordnet sind, insbesondere auf einer Leiterplatte (5), wobei der Magnetfeldsensor (3) über oder unter oder in der Ebene angeordnet ist.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching elements (S1, S2, S3, S4) are arranged in a plane, in particular on a printed circuit board (5), wherein the magnetic field sensor (3) is arranged above or below or in the plane. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Abstände (d1, d2, d3, d4) zwischen dem Magnetfeldsensor (3) und einem jeweiligen Schaltelement (S1, S2, S3, S4) jeweils paarweise verschieden sind.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that respective distances (d1, d2, d3, d4) between the magnetic field sensor (3) and a respective switching element (S1, S2, S3, S4) are different in pairs. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) zwei oder mehr Magnetfeldsensoren (3) aufweist, wobei die Magnetfeldsensoren (3) eingerichtet sind, ein von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittiertes magnetisches Feld zu detektieren, wobei das magnetische Feld ein überlagertes magnetisches Feld aus jeweiligen von den Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) und/oder den jeweiligen elektrischen Leitern (4) emittierten magnetischen Feldern (H1, H2, H3, H4) ist.Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit arrangement (1) has two or more magnetic field sensors (3), wherein the magnetic field sensors (3) are set up to detect a magnetic field emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4), wherein the magnetic field is a superimposed magnetic field of respective magnetic fields (H1, H2, H3, H4) emitted by the switching elements (S1, S2, S3, S4) and/or the respective electrical conductors (4). Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (1) mehr Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) als Magnetfeldsensoren aufweist.Circuit arrangement (1) according to Claim 10 , characterized in that the circuit arrangement (1) has more switching elements (S1, S2, S3, S4) than magnetic field sensors. Elektrischer Energiespeicher aufweisend eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Electrical energy storage device comprising a circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims. Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 12.Device, in particular vehicle, comprising an electrical energy storage device according to Claim 12 .
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