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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schalteinrichtung, die Bestandteil eines Batteriemanagementsystems ist, sowie eine Batterie mit einem solchen Batteriemanagementsystem.
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Eine Batterie umfasst in der Regel stets mehrere Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem. Das Batteriemanagementsystem umfasst wiederum üblicherweise eine Überwachungseinrichtung, die das Verhalten der Batteriezellen überwacht, sowie eine Schalteinrichtung, die sicherstellt, dass ein Strom zu und/oder von den Batteriezellen nur dann fließt, wenn dies von der Überwachungseinrichtung zugelassen wird. Die Überwachungseinrichtung überwacht Parameter, die für den korrekten Betrieb und die Sicherheit relevant sind. Dazu gehört beispielsweise auch die Temperatur der Batterie.
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Die Schalteinrichtung verwendet üblicherweise Halbleiterschaltelemente, insbesondere MOSFETs. Diese haben die Eigenschaft, dass sie als Schalter nur in einer Richtung arbeiten können, da sie den Stromfluss nur in einer Richtung sperren können. Da gegebenenfalls aber in beide Richtungen gesperrt werden muss, werden diese Halbleiterschaltelemente in umgekehrter Orientierung (antiseriell) hintereinander geschaltet. Damit können sowohl Ladeströme als auch Entladeströme abgeschaltet werden. Häufig werden, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit zu gewährleisten, solche Anordnungen von hintereinander geschalteten Halbleiterschaltelementen mehrfach parallel angeordnet.
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Die Anordnung der Halbleiterschaltelemente ist im Stand der Technik symmetrisch. Hierunter ist zu verstehen, dass zur Sperrung des Stromflusses in beide Richtungen jeweils die gleiche Anzahl von Halbleiterschaltelementen eingesetzt wird. Die verwendeten Halbleiterschaltelemente sind hierbei identisch, lediglich innerhalb der Schalteinrichtung unterscheiden sie sich durch die Richtung, in der sie geschaltet sind. Insbesondere weisen alle verwendeten Halbleiterschaltelemente die gleiche Spannungsfestigkeit auf. Der Kennwert Spannungsfestigkeit gibt bei elektronischen Bauteilen wie Halbleiterschaltelementen bekanntlich die Spannung an, bei dem das entsprechende Bauteil noch betrieben werden kann.
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Es hat sich nun herausgestellt, dass die bekannten Schalteinrichtungen für ein Batteriemanagementsystem Nachteile im Hinblick auf Kosten und Effizienz aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektronische Schalteinrichtung für ein Batteriemanagementsystem zu schaffen, welche bei verringerten Kosten eine erhöhte Effizienz aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine elektronische Schalteinrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die elektronische Schalteinrichtung, wie sie von der Erfindung vorgeschlagen wird, nicht mehr symmetrisch, sondern die für das Schalten in Entladerichtung und für das Schalten in Laderichtung zuständigen Halbleiterschaltelemente sind an ihre jeweiligen maximal zu erwartenden Belastungen angepasst, die nach Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ihrerseits gleichfalls nicht symmetrisch sind.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Schalteinrichtung umfasst die folgenden Merkmale:
- • Sie umfasst einen elektrischen Leitungszweig, in dem mindestens zwei Halbleiterschaltelemente in umgekehrter Orientierung hintereinander geschaltet sind.
- • Die Halbleiterschaltelemente sind dazu ausgebildet, einen Stromfluss in dem Leitungszweig in einer Richtung sperren zu können.
- • Ein Ende des Leitungszweigs ist mit einem Pol eines Batteriezellenverbundes verbunden, eine anderes Ende mit einer Spannungsquelle.
- • Mindestens eines der Halbleiterschaltelemente weist innerhalb des Leitungszweigs eine Orientierung auf, die es ihm erlaubt, beim Aufladen des Batteriezellenverbundes einen Ladestrom zu sperren.
- • Das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Ladestroms ist in einem ersten Teil des Leitungszweigs angeordnet.
- • Mindestens eines der Halbleiterschaltelemente weist innerhalb des Leitungszweigs eine Orientierung auf, die es ihm erlaubt, beim Entladen des Batteriezellenverbundes einen Strom in Entladerichtung zu sperren.
- • Das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Stroms in Entladerichtung ist in einem zweiten Teil des Leitungszweigs angeordnet.
- • Das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Ladestroms ist an die größtmögliche in dem ersten Teil in Laderichtung möglicherweise auftretende Spannungsbelastung angepasst.
- • Das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Entladestroms ist an die größtmögliche in dem zweiten Teil in Entladerichtung möglicherweise auftretende Spannungsbelastung angepasst.
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Die Spannungsquelle dient insbesondere zum Aufladen des Batteriezellenverbundes. Entsprechend ist die Spannungsquelle bevorzugt eine Gleichspannungsquelle.
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Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich insbesondere auch um ein Gleichspannungsnetz handeln, welches außer Ladung auch Entladung zulässt.
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Die in Laderichtung in dem ersten Teil des Leitungszweigs auftretende Spannungsbelastung ergibt sich aus der Differenz einer von der Spannungsquelle gelieferten Ladespannung und der Spannung des Batteriezellenverbundes. Die Spannungsbelastung ist in der Regel maximal, wenn der Batteriezellenverbund tiefentladen ist.
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Die in Entladerichtung in dem zweiten Teil des Leitungszweigs auftretende Spannungsbelastung ergibt sich im Extremfall einer Verpolung aus einer Addition der von der Spannungsquelle gelieferten Ladespannung und der Spannung des Batteriezellenverbundes. Die Spannungsbelastung ist dann maximal, wenn der Batteriezellenverbund voll geladen ist.
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Hieraus folgt, dass die in Entladerichtung maximal auftretenden Spannungsbelastungen in der Regel größer sind als die in Laderichtung maximal auftretenden Spannungsbelastungen.
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Bevorzugt erfolgt die Anpassung an die in Laderichtung oder Entladerichtung möglicherweise auftretende Spannungsbelastung durch Auswahl von Halbleiterschaltelementen mit geeigneter Spannungsfestigkeit.
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Bevorzugt weist das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Stroms in Entladerichtung in dem zweiten Teil des Leitungszweigs eine höhere Spannungsfestigkeit auf als das mindestens eine Halbleiterschaltelement zum Sperren des Ladestroms in dem ersten Teil des Leitungszweigs.
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Die Spannungsfestigkeit des mindestens einen Halbleiterschaltelements zum Sperren des Ladestroms liegt bevorzugt zwischen 1 % und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 5 % und 25 %, über der maximal möglichen Differenz der von der Spannungsquelle gelieferten Ladespannung und der Spannung des Batteriezellenverbundes.
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Die Spannungsfestigkeit des mindestens einen Halbleiterschaltelements zum Sperren des Stroms in Entladerichtung liegt bevorzugt zwischen 1 % und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 5 % und 25 %, über der Summe der von der Spannungsquelle gelieferten Ladespannung und der Spannung des Batteriezellenverbundes.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind in dem beim Aufladen des Batteriezellenverbundes in Durchlassrichtung betriebenen zweiten Teil des Leitungszweigs zwei oder mehr, beispielsweise zwei bis vier, Halbleiterschaltelemente angeordnet. Besonders bevorzugt sind die zwei oder mehr Halbleiterschaltelemente alle identisch ausgebildet.
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In besonders bevorzugten Ausführungsformen sind die zwei oder mehr Halbleiterschaltelemente in dem beim Aufladen des Batteriezellenverbundes in Durchlassrichtung betriebenen zweiten Teil des Leitungszweigs alle parallel zueinander geschaltet.
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An Stelle der zwei oder mehr Halbleiterschaltelemente kann natürlich aber auch nur ein Halbleiterschaltelement in dem beim Aufladen des Batteriezellenverbundes in Durchlassrichtung betriebenen zweiten Teil des Leitungszweigs angeordnet sein, das dann bevorzugt eine höhere Spannungsfestigkeit als das mindestens eine Halbleiterschaltelement in dem ersten Teil des Leitungszweigs aufweisen sollte.
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Bei den Halbleiterschaltelementen in dem elektrischen Leitungszweig handelt es sich besonders bevorzugt um MOSFETs. Alternativ zu diesen können als Halbleiterschaltelemente beispielsweise aber auch Bipolartransistoren, insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) verwendet werden.
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Von der vorliegenden Erfindung ist auch eine Batterie umfasst, die die beschriebene Schalteinrichtung aufweist. Bevorzugt zeichnet sich die Batterie durch mindestens eines der folgenden Merkmale aus:
- • Sie umfasst einen Batteriezellenverbund.
- • Sie umfasst ein Batteriemanagementsystem.
- • Das Batteriemanagementsystem umfasst die beschriebene Schalteinrichtung.
- • Das Batteriemanagementsystem umfasst weiterhin eine Überwachungseinrichtung, die Parameter überwacht, die für den korrekten Betrieb und die Sicherheit der Batterie relevant sind.
- • Die Überwachungseinrichtung umfasst eine Steuereinheit, die mit der Schalteinrichtung derart gekoppelt ist, dass sie einen Stromfluss zwischen dem Batteriezellenverbund und einer über die Schalteinrichtung mit dem Batteriezellenverbund verbundenen Spannungsquelle beim Laden der Batterie unterbrechen kann.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit mit den Halbleiterschaltelementen der Schalteinrichtung gekoppelt. Wenn es sich bei diesen um MOSFETs handelt, so sind die Gate-Anschlüsse der MOSFETs mit der Steuereinheit elektrisch verbunden, so dass die Steuereinheit durch Anlegen einer Spannung einen Stromfluss durch die MOSFETs regeln kann.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Zusammenfassung, deren beider Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Schalteinrichtung nach dem Stand der Technik zur Regelung des Stromflusses zu und/oder von den Batteriezellen einer Batterie;
- 2 die Spannungsbelastung der in 1 dargestellten Schalteinrichtung bei einer Verpolung;
- 3 die Spannungsbelastung der in 1 dargestellten Schalteinrichtung bei Spannungsbelastung in Laderichtung;
- 4 eine Ausführungsform einer elektronischen Schalteinrichtung nach der Erfindung.
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In 1 ist, stark vereinfacht, eine elektronische Schalteinrichtung zwischen einem Batteriezellenverbund 1 aus mehreren Batteriezellen und einer externen Gleichspannungsquelle 2 nach dem Stand der Technik dargestellt. Diese Schalteinrichtung soll sicherstellen, dass nur dann Strom fließt, wenn eine Überwachungseinrichtung den Stromfluss freigibt. Anhand dieses zum Stand der Technik gehörenden Beispiels soll die Problematik und die diese Problematik lösende Erfindung erläutert werden.
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Zum Schalten werden Halbleiterschaltelemente verwendet, vorliegend MOSFETs. Diese können in Abhängigkeit von einer Sperrspannung zwischen Gate und Source den Strom sperren oder durchlassen. Aufgrund ihrer internen Eigenschaften können Sie den Strom jedoch nur in einer Richtung sperren. Daher enthält die in 1 dargestellte Anordnung zwischen dem positiven Pol des Batteriezellenverbundes 1 und dem entsprechenden positiven Pol der externen Gleichspannungsquelle 2 einen ersten aus zwei Teilen 3,4 bestehenden Leitungszweig, in dem jeweils ein Halbleiterschaltelement T1, T2 angeordnet ist. Beide Halbleiterschaltelemente T1, T2 sind umgekehrt, d. h. antiseriell, geschaltet. D1 und D2 bezeichnen intrinsische Dioden (Bodydioden) der Halbleiterschaltelemente T1 und T2. Das in dem Teilzweig 3 angeordnete Halbleiterschaltelement T1 hat eine Durchlassrichtung von rechts nach links, also von der externen Gleichspannungsquelle 2 zu dem Batteriezellenverbund 1. Dementsprechend hat das Halbleiterschaltelement T2 in dem Leitungsteilzweig 4 eine Durchlassrichtung von links nach rechts, also in Richtung von dem Batteriezellenverbund 1 zu der externen Gleichspannungsquelle 2.
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Um eine ausreichende Stromtragfähigkeit sicherzustellen, ist zu dem aus den beiden Teilen 3,4 bestehenden Leitungszweig ein zweiter, ebenfalls aus zwei Teilen 5, 6 bestehender Leitungszweig parallel geschaltet. Er ist genauso aufgebaut wie der aus den Teilen 3, 4 bestehende Leitungszweig. Die Gate-Anschlüsse aller vier Halbleiterschaltelemente sind durch eine zu einer Steuereinheit führende Leitung 7 zusammengefasst, ebenso die Source-Anschlüsse aller vier Halbleiterschaltelemente T1 bis T4 durch eine Leitung 8. Grundsätzlich wäre dies auch anders realisierbar. So wäre es durchaus denkbar, die Halbleiterschaltelemente T1 bis T4 jeweils separat anzusteuern und/oder die Halbleiterschaltelemente an ihren Drain-Anschlüssen D zusammenzuschalten. Die dargestellte Ausführung ist in der Regel aber bevorzugt.
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Die Steuereinheit ist Bestandteil einer Überwachungseinrichtung, die mögliche Parameter, die für den Betrieb und die Sicherheit sowohl der Batterie als auch der von ihr abhängigen Komponenten wichtig sind, beispielsweise auch die Temperatur des Batteriezellenverbundes 1, überwacht. Wenn einer der überwachten Parameter aus einem vorgegebenen Rahmen läuft, so kann die Steuereinheit einen Stromfluss zwischen dem Batteriezellenverbund 1 und der Gleichspannungsquelle 2 unterbrechen.
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Wie man der 1 entnehmen kann, ist Schalteinrichtung symmetrisch zu der Trennlinie S zwischen den beiden Teilen 3,4 und 5, 6 ausgebildet. Die vier Halbleiterschaltelemente T1 bis T4 weisen jeweils die gleiche Spannungsfestigkeit auf, sie unterscheiden sich lediglich durch die Richtung und Positionierung innerhalb der Schalteinrichtung.
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Anhand der 2 wird nun die Wirkungsweise einer solchen Schalteinrichtung erläutert. Die 2 zeigt einen möglichen Grenzfall, nämlich eine Verpolung der externen Gleichspannungsquelle 2. An den Teilzweigen 3, 5 liegt im Sperrfall, wenn also die Halbleiterschaltelemente T1, T3 sperren sollen, eine außerordentlich hohe Spannung an, da in diesem Fall die Spannung des Batteriezellenverbundes 1 und die Spannung der verpolt angeschlossenen externen Gleichspannungsquelle 2 addiert werden. Dagegen werden die in Durchlassrichtung betriebenen Teilzweige 4, 6 nur mit einer geringen Spannung belastet. Geht man als Beispiel von einer Spannung des Batteriezellenverbundes von 52 V und einer externen Gleichspannungsquelle von 57 V aus, so ergibt sich eine Reihenschaltung mit 109 V, sodass unter Berücksichtigung von 0,5 V Spannung in Durchlassrichtung (über T2, T4) an den Halbleiterschaltelementen T1, T3 eine Spannung von 108,5 V in Sperrrichtung anliegt.
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Die 3 zeigt nun den umgekehrten Fall, nämlich den Ladevorgang. In ungünstigsten Fall ist der Batteriezellenverbund 1 vollständig entladen, hat also eine Spannung von 0 V. Die Halbleiterschaltelement T2, T4 in den Teilzweigen 4, 6 dienen in diesem Fall zum Schalten zwischen Durchlass und sperren. Im Sperrfall liegt an ihnen also die Spannung der externen Gleichspannungsquelle 2 an, beispielsweise 56,5 V.
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Aus diesen Darlegungen ergibt sich, dass die symmetrische Anordnung von Halbleiterschaltelementen nicht sinnvoll ist, da die Belastung ihrerseits nicht symmetrisch ist. Wird nun die Schalteinrichtung auf die höchste zu erwartende Belastung ausgelegt, was erforderlich ist, so ist die Schalteinrichtung zum Teil überdimensioniert. Dies ergibt Nachteile nicht nur bei den Kosten, sondern auch bei der Effizienz, da spannungsfestere Leistungshalbleiter höhere parasitäre Widerstände und damit Verluste aufweisen.
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Die 4 zeigt nun eine Ausführungsform der Erfindung. In dem Teil 4 des Leitungszweigs zwischen der externen Gleichspannungsquelle 2 und dem Batteriezellenverbund 1, der im Ladefall in Sperrrichtung beansprucht wird, ist ein Halbleiterschaltelement T2 mit einer Spannungsfestigkeit angeordnet, die auf die maximale (vergleichsweise niedrige) in diesem Zweig 4 zu erwartende Belastung abgestimmt ist. Die in dem anderen Teil 13 des Leitungszweigs angeordneten Halbleiterschaltelementen T1, T3, T4 sind auf die dort zu erwartende (vergleichsweise höhere) Belastung abgestimmt. Sie weisen eine höhere Spannungsfestigkeit auf.
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Wie zu sehen ist, umfasst der beim Aufladen in Durchlassrichtung beaufschlagte Teil 13 des Leitungszweigs in diesem Fall sogar drei parallel geschaltete Halbleiterschaltelemente T1, T3, T4, mit hoher Spannungsfestigkeit während der in Sperrrichtung beaufschlagte Teil 4 des Leitungszweigs nur ein Halbleiterschaltelement T2 mit einer vergleichsweise niedrigen Spannungsfestigkeit aufweist.
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Als Halbleiterschaltelemente werden hierbei MOSFETs verwendet.
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Zahlenbeispiel:
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- Spannung der externen Spannungsquelle: 57 V
- Batteriespannung des Batteriezellenverbundes: 52 V
- Spannungsfestigkeit von T2: 60 V
- Spannungsfestigkeit von T1, T3, T4: 120 V
