CN105229882B

CN105229882B - 电路布置和能量存储器系统

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Publication number: CN105229882B
Application number: CN201480028605.XA
Authority: CN
Inventors: J·洛佩兹德阿罗亚贝
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2018-05-15
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: US20160031329A1; WO2014202279A1; DE102013211692A1; EP3011651A1; EP3011651B1; CN105229882A; US9908418B2

Abstract

用于运行电动车辆和/或混合动力车辆的能量存储器的电路布置具有模拟的监控电路(30)。所述模拟的监控电路(30)构成和设置为用于采集如下的测量信号，所述测量信号代表流过能量存储器的电流，并且所述模拟的监控电路与所述测量信号有关地产生预定的第一控制信号。此外，电路布置包括半导体切换元件(50)，所述半导体切换元件构成为用于在第一切换状态中将能量存储器与电网(25)电耦合并且在第二切换状态中将能量存储器与电网(25)电解耦，其中，半导体切换元件(50)具有控制连接端，所述控制连接端与监控电路(30)的输出端(37)在信号技术上耦合，并且半导体切换元件(50)的切换状态能与第一控制信号有关地调整。

Description

电路布置和能量存储器系统

技术领域

本发明涉及一种用于运行电动车辆和/或混合动力车辆的能量存储器的电路布置以及一种能量存储器系统。

背景技术

在车辆技术中已知使用高压电池，所述高压电池在电动车辆和/或混合动力车辆中提供用于驱动电马达所必需的电流。在电动车辆和/或混合动力车辆的电动机式运行中，电能可以从所谓的牵引蓄电池(Traktionsbatterie)经由所谓的牵引电网传递到电马达上。在发电机式运行(能量回收运行)中，电能可以从电马达经由牵引电网传递到牵引蓄电池上。出于安全原因需要的是，牵引蓄电池能够与牵引电网和被牵引电网所包括的电元件或者电子元件电分离。为此，在牵引蓄电池的连接位置和牵引电网的连接位置之间通常设置所谓的接触器或者保护开关。

发明内容

本发明的任务在于，创造一种用于运行电动车辆和/或混合动力车辆的能量存储器的电路布置以及一种能量存储器系统，所述电路布置和能量存储器系统能实现将能量存储器足够可靠地与电动车辆和/或混合动力车辆的电网电分离。

按照第一方面，本发明的特征在于一种用于运行电动车辆和/或混合动力车辆的能量存储器的电路布置。所述电路布置具有模拟的监控电路，所述监控电路构成和设置为用于采集测量信号并且与测量信号有关地产生预定的第一信号，所述测量信号代表流过能量存储器的电流。此外，所述电路布置包括半导体切换元件，所述半导体切换元件构成为用于在第一切换状态中将能量存储器与电动车辆和混合动力车辆的电网电耦合并且在第二切换状态中将能量存储器与电网电分离，其中，所述半导体切换元件具有控制连接端，所述控制连接端在信号技术上与监控电路的输出端耦合，并且半导体切换元件的切换状态能与第一控制信号有关地调整。

以有利的方式，这能实现将流过能量存储器的最大电流限制于预定值。这特别是具有如下优点，即，不超过流过能量存储器、特别是能量存储器的电池的最大电流的保证界限和因此制造商预定值。由此可以降低保证成本并且可以做出如下贡献，即，降低环境负担，因为各个能量存储器可以具有更长的使用寿命。此外，车辆用户的满意度可以得到提升，因为因为超过最大电流而必须更换能量存储器可能性可以保持得低。能量存储器与电网的解耦可以由于监控电路的特别短的响应时间而极快地进行，从而电网的导线可以设计为用于较小的短路电流并且降低在导线和/或插塞连接端的短路强度方面的要求。由此可以节省用于电动车辆和/或混合动力车辆的其他制造成本。以有利的方式，模拟的监控电路的快速的响应时间能实现可以这样快地探测短路和/或过电流并且可以将能量存储器快速地与电网分离，使得可以省去额外的保险丝。半导体切换元件有如下优点，即，需要很小的制造空间以及应提供用于控制半导体切换元件的功率可以保持得小。

电网可以包括负载，特别是用于驱动电动车辆和混合动力车辆的带有所属的功率电子器件的电马达。优选地，电路布置可以具有一个或者两个半导体切换元件，由此，能量存储器与电网能够单极地或者两极地分离。优选地，所述能量存储器是高压能量存储器。在此，能量存储器被称为高压能量存储器，所述能量存储器用于传动系。

在第一方面的一种有利的实施方案中，电路布置具有数字的控制装置。所述数字的控制装置构成为用于根据至少一个预定的与能量存储器相关的运行参数和/或至少一个预定的与车辆相关的环境参数和/或至少一个预定的与车辆相关的运行参数和/或至少一个预定的与电网相关的运行参数来产生预定的第二控制信号并且将其输出在预定的接口上，所述接口与半导体切换元件的控制连接端在信号技术上耦合。半导体切换元件的切换状态能与第二控制信号调整。这有如下优点，即，能量存储器能够与其他参数有关地与电网分离或者与电网电耦合。

在另一种优选的实施方案中，第一控制信号的预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件占据第二切换状态。此外，第二控制信号的预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件占据第二切换状态。如果所述第一控制信号或者所述第二控制信号或者两个控制信号具有各自的所述预定的曲线，则这样操控半导体切换元件的控制连接端，使得半导体切换元件占据第二切换状态。这有如下好处，即，无论是否是由模拟的监控电路还是由控制装置检测到短路和/或过电流，能量存储器都会与电网分离。这种不相关性可以有利地用于车辆中的功能安全(FuSi)。

在第一方面的另一种有利的实施方案中，第二控制信号的预定的另一种曲线代表如下要求，即，半导体切换元件占据第一切换状态。如果第二控制信号具有所述预定的另一种曲线并且第一控制信号不具有所述预定的曲线，这样操控半导体切换元件的控制连接端，使得半导体切换元件占据第一切换状态。这有如下优点，即，如果没有探测到短路电流或者过电流，则能够与能量存储器的其他参数有关地与电网电耦合。

在按照第一方面的另一种有利的实施方案中，半导体切换元件至少包括一个场效应晶体管。以有利的方式，构成为适合于这一应用的场效应晶体管具有比机械继电器或者接触器开关或者保险装置明显更高的开关速度，从而能量存储器与电网的分离可以比在机械继电器或者接触器开关或者保险装置中明显更快地进行。

在按照第一方面的另一种有利的实施方案中，半导体切换元件包括至少一个第一场效应晶体管和至少一个第二场效应晶体管，其中，所述至少一个第二场效应晶体管分别反串联地与所述至少一个第一场效应晶体管串联。这样的线路布置也被称为背靠背布置(Back-to-Back-Anordung)。这有如下优点，即，半导体切换元件作为可以具有第一和第二切换状态的切换元件适合于两个电流方向。优选地，所述半导体切换元件具有多个这样的晶体管对，所述晶体管对并联。这有如下优点，即，所述晶体管可以具有更小的最大电流稳定性

在按照第一方面的另一种有利的实施方案中，电路布置包括带有电流解耦元件、输出端和至少一个输入端的解耦切换模块。所述输出端与半导体切换元件电耦合。所述输入端与监控电路和/或与控制装置电耦合以用于接收第一控制信号或第二控制信号。电流解耦元件与输出端和所述至少一个输入端电流解耦并且将输出端和所述至少一个输入端无电势地相连接。这有如下优点，即，半导体切换元件与模拟的监控电路和/或控制装置电流分离。

在按照第一方面的另一种有利的实施方案中，电流解耦元件包括光学的发送元件和光学的接收元件。以有利的方式，这能实现简单的并且低成本的解耦元件的制造。

在按照第一方面的另一种有利的实施方案中，模拟的监控电路具有电流传感器和模拟比较器，其中，所述模拟比较器构成和设置为用于根据预定的阈值和由电流传感器采集的测量值的比较来产生第一控制信号，所述测量值代表流过能量存储器的电流。以有利的方式，这能实现流过能量存储器的短路电流和/或过电流的精确并且快速的探测。

按照第二方面，本发明的特征在于能量存储器系统。按照第一方面，所述能量存储器系统具有能量存储器和按照第一方面的电路布置。在此，第一方面的优选的实施形式也适用于第二方面。

优选地，电路布置这样构成，使得如下的总时间小于预定的最大电流增加持续时间，所述总时间由模拟的监控电路的应答时间加半导体切换元件从第一切换状态到第二切换状态的切换时间加第一控制信号从模拟的监控电路的输出端直至控制连接端的信号延迟持续时间，其中，最大电流增加持续时间通过预定的允许流过能量存储器而不毁坏所述能量存储器的最大电流并且(如果所述电网具有欧姆短路)通过电网的预定的电感来预定。

附图说明

以下本发明的实施例借助示意图来阐述。

图中：

图1示出示例性的能量存储器系统的方框电路图，以及

图2示出电流、电能和温度曲线的时间图表。

具体实施方式

相同结构或功能的元件跨各附图地配设有相同的附图标记。

图1示出一个能量存储器系统10，所述能量存储器系统与电动车辆和/或混合动力车辆的电网25电耦合。所述电动车辆和/或混合动力车辆例如是摩托车。

能量存储器系统10包括能量存储器20。所述能量存储器20例如构成为用于电动车辆和/或混合动力车辆的高压蓄电池。所述蓄电池具有多个蓄电池单元。所述蓄电池单元例如可以构成为锂离子单元。蓄电池单元不仅可以如图1所示地串联而且可以相互并联或者是两者的结合。

能量存储器系统10包括用于运行能量存储器的电路布置。

电路布置具有模拟的监控电路30，所述监控电路构成和设置为用于采集测量信号，所述测量信号代表流过能量存储器20的电流，并且与所述测量信号有关地产生预定的第一控制信号。

模拟的监控电路30例如包括电流传感器，例如是测量电阻32以及模拟比较器34。所述模拟比较器34构成和设置为用于根据预定的阈值和在测量电阻32上下降的电压的比较来产生第一控制信号。测量电阻32例如构成为分流器。流过分流器的电流引起与其成正比例的电压下降。备选地或者附加地，电流传感器例如可以具有霍尔传感器。

比较器34例如具有带有预定的线路布置的运算放大器。优选地，所述比较器反应明显比软件算法快。比较器34例如具有1μs的响应时间。

模拟的监控电路30设置在用电器回路中，所述用电器回路将能量存储器20与电网25电耦合。总电流在用电器电路中流动，所述总电流输出到电网25上。在此，总电流可以是正的或者负的。能量存储器20具有第一极21和第二极22。电网25具有第一连接端26和第二连接端27。

电流传感器例如设置为用于采集如下电流，所述电流从能量存储器的第二极22流动到电网的第二连接端27。因此，测量电阻32例如以第一测量连接端35与能量存储器20的第二极22电耦合并且以第二测量连接端36与电网25的第二连接端25电耦合。在第一和第二测量连接端35、36之间采集在测量电阻32上下降的电压。因此，模拟的监控电路30构成为用于探测流过能量存储器的过电流和/或短路电流。备选或者附加地可能的是，电流传感器设置为用于采集从能量存储器的第一极21流动至电网的第一连接端26的电流。因此备选地，测量电阻32例如可以连接在能量存储器的第一极21和电网25的第一连接端26之间。特别是，测量电阻32例如可以以第一测量连接端35与能量存储器20的第一极21电耦合并且以第二测量连接端36与电路布置的半导体切换元件50的第一耦合连接端56电耦合。

电路布置包括至少一个半导体切换元件50，所述半导体切换元件构成为用于在第一切换状态中将能量存储器20与电动车辆和/或混合动力车辆的电网25电耦合，并且在第二切换状态中将能量存储器20与电网25电解耦，其中，半导体切换元件50具有控制连接端，所述控制连接端与监控电路30的输出端37在信号技术上耦合，并且半导体切换元件50的切换状态能与控制信号有关地调整。

半导体切换元件50具有第一耦合连接端56和第二耦合连接端57。第一耦合连接端56例如与能量存储器20的第一极21电耦合。第二耦合连接端57例如与电网25的第一连接端26电耦合。

备选地可能的是，所述半导体切换元件50或者其他半导体切换元件50这样设置，使得半导体切换元件在第一切换状态中将能量存储器20的第二极22间接地或者直接地与电网25的第二接口27耦合，并且在第二切换状态中将高压能量存储器20的第二极22间接地或者直接地与电网25的第二接口27解耦。在此，间接的耦合或者解耦意味着，其他切换部件、例如测量电阻32可以与半导体切换元件50串联地设置。

半导体切换元件50包括例如至少一个第一场效应晶体管和至少一个第二场效应晶体管，其中，所述至少一个第二场效应晶体管分别反串联地与所述至少一个第一场效应晶体管串联。优选地，半导体切换元件50具有多个、例如6个这样的背靠背接通的晶体管对，所述晶体管对并联。场效应晶体管例如构成为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，特别是n沟道MOSFET。

控制连接端例如包括用于调整场效应晶体管的各自的门极电压的门极驱动器70。所述门极驱动器70例如具有最多100ns的延迟时间。

电路布置例如具有数字的控制装置40。所述数字的控制装置40构成为用于根据至少一个预定的与能量存储器相关的运行参数和/或至少一个预定的与车辆相关的环境参数和/或至少一个预定的与车辆相关的运行参数和/或至少一个预定的与电网相关的运行参数来产生预定的第二控制信号并且将其输出在预定的接口上，所述接口与半导体切换元件50的控制连接端在信号技术上耦合。半导体切换元件50的切换状态能与第二控制信号有关地调整。

数字的控制装置40例如包括运算单元，例如是中央处理器或者微控制器。

优选地，为了控制能量存储器20与电网25解耦和耦合而使用第一和第二控制信号。

在此，第一控制信号的预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件50占据第二切换状态并且第二控制信号的预定的曲线同样代表如下要求，即，半导体切换元件50占据第二切换状态。如果第一控制信号或者第二控制信号或者两个控制信号具有各自的所述预定的曲线，这样操控半导体切换元件50的控制连接端，使得半导体切换元件50占据第二切换状态。

此外，第二控制信号的预定的另一种曲线代表如下要求，即，半导体切换元件50占据第一切换状态。如果第二控制信号具有所述预定的另一种曲线并且第一控制信号不具有所述预定的曲线，这样操控半导体切换元件50，从而半导体切换元件50占据第一切换状态。这意味着，仅在没有探测到过电流和/或短路电流时，能量存储器与电网耦合。

因此，在没有短路的正常情况中，控制装置40预定半导体切换元件50的相应的切换状态。在过电流和/或短路情况中，模拟的监控电路30反应更快并且因此为所述半导体切换元件50预定第二切换状态。

为了操控半导体切换元件50的控制连接端，例如模拟的监控电路30的输出端37与数字的控制装置40的控制信号输出端(在所述控制信号输出端上输出第二控制信号)这样预定地电耦合，从而第一和第二控制信号预定地相结合(verknüpfen)。

可选地，控制装置40具有监视计时器(Watchdog-Timer)。所述监视计时器可以构成为附加的芯片或者运算单元的部件，例如是处理器的部件。

监视计时器例如构成为：如果流过能量存储器20的电流在预定的持续时间超过预定值，则引起控制装置40以预定的曲线产生第二控制信号，从而这样操控半导体切换元件50的控制连接端，使得半导体切换元件50占据第二切换状态。

电路布置例如包括带有电流解耦元件、输出端以及第一和第二输入端的解耦切换模块60，其中，输出端与半导体切换元件50、特别是门极驱动器70电耦合。第一输入端与监控电路30电耦合并且第二输入端与控制装置40的控制输出端42电耦合。电流解耦元件将输出端与第一和第二输入端电流解耦并且将输出端与所述两个输入端无电势地连接。优选地，电流解耦元件具有光学的发送元件和光学的接收元件。电流解耦元件例如具有发光二极管62作为发送元件，所述发光二极管的正极与模拟的监控电路30的输出端37电耦合并且其负极与控制装置40的控制输出端42电耦合。发光二极管62能实现第一与第二控制信号的预定的结合。

图2示出通过电网25或者通过负载的负载电流I的示例性的时间曲线。此外，图2示出了相应的截止的场效应晶体管芯片温度Temp示例性的时间曲线以及相应的场效应晶体管的漏极-源极电压UDS的时间曲线。在图2中示出的曲线特别是描述在短路情况中过电流断路的特征。

在短路情况中，电网25的电气特性可以以简化的等效电路图表征，所述等效电路图具有欧姆电阻和电感。所述欧姆电阻例如具有约100μΩ。所述电感例如具有约5μΗ的值。在短路的情况中，电流很快地上升。于是所述电流事实上只通过电感得到限制。

以下进一步描述电路布置的运转方式。

在时间点T0，按照预定的另一种曲线，第二控制信号由控制装置40产生，从而半导体切换元件50转换成第一切换状态。在时间点T1，例如T0之后5μs，各场效应晶体管导通。通过电网25的负载电流I由于电感直线地或者至少大致直线地上升，所述电感基本上代表由电网决定的导线电感。在例如T1之后26μs的时间点T2，负载电流I到达250A的值，所述负载电流流入到电网25中。在示出的例子中，这个值与模拟的监控电路30的预定的阈值相同。因此，在时间点T2，模拟的监控电路30探测到负载电流I超过预定的阈值。在响应时间T6之后例如8μs或者在时间点T3开始切断各场效应晶体管。所述响应时间T6包括模拟的监控电路30的应答时间以及第一控制信号从模拟的监控电路30的输出端37直至控制连接端的信号延迟持续时间。

在响应时间T6期间，负载电流I至少大致直线地继续上升。优选地，阈值这样地预定，使得尽管在响应时间T6期间电流继续上升，负载电流I还是保持在预定的最大允许的能量存储器电流之下。预定的最大允许的能量存储器电流例如是320A。

在时间点T3，门极驱动器70开始切断场效应晶体管。在时间点T4，例如是T3之后5μs，各场效应晶体管完全被关断。

然而，由于存在电感，负载电流I继续流动并且各个截止的场效应晶体管过渡到雪崩(Avalanche)A运行。在雪崩运行A中，在各个截止的场效应晶体管中产生很多热能。因此，各个截止的场效应晶体管的硅温度急剧上升，直到达到最大温度。紧接着，由于下降的负载电流I，温度Temp重新下降。如果硅的温度Temp最大上升了100K(ΔΤ＝100K)，则硅在环境温度为60℃时到达最高温度160℃。在场效应晶体管可靠的最高运行温度175℃时，半导体切换元件50仍然能够足够可靠地运行。

附图标记列表

10 能量存储器系统

20 能量存储器

21 第一极

22 第二极

25 电网

26 第一连接端

27 第二连接端

30 模拟的监控电路

32 测量电阻

34 模拟比较器

35 第一测量连接端

36 第二测量连接端

37 输出端

40 数字的控制装置

42 控制输出端

50 半导体切换元件

52 第一场效应晶体管

54 第二场效应晶体管

56 第一耦合连接端

57 第二耦合连接端

60 解耦切换模块

62 发光二极管

70 门极驱动器

80 监视计时器

A 雪崩运行

I 负载电流

T0...T5 时间点

T6 持续时间

Temp 场效应晶体管芯片温度

UDS 场效应晶体管漏极-源极电压

Claims

1.用于运行电动车辆和/或混合动力车辆的能量存储器(20)的电路布置，其中，所述电路布置具有：

-模拟的监控电路(30)，所述模拟的监控电路构成和设置为用于采集测量信号，所述测量信号代表流过能量存储器(20)的电流，并且所述模拟的监控电路与测量信号有关地产生预定的第一控制信号，

-至少一个半导体切换元件(50)，所述半导体切换元件构成为用于在第一切换状态中将能量存储器(20)与电动车辆和混合动力车辆的电网(25)电耦合并且在第二切换状态中将能量存储器(20)与电网(25)电解耦，其中，所述半导体切换元件(50)具有控制连接端，所述控制连接端与监控电路(30)的输出端(37)在信号技术上耦合，并且半导体切换元件(50)的切换状态能与第一控制信号有关地调整，

其中，所述电路布置包括带有电流解耦元件、输出端和至少一个输入端的解耦切换模块(60)，其中，

-输出端与半导体切换元件(50)电耦合，

-输入端与监控电路(30)和/或与控制装置(40)电耦合以用于接收第一控制信号或者第二控制信号，并且

-电流解耦元件将输出端和所述至少一个输入端电流解耦并且将输出端和所述至少一个输入端无电势地连接。

2.按照权利要求1所述的电路布置，所述电路布置具有数字的控制装置(40)，所述控制装置构成为用于根据与至少一个预定的与能量存储器相关的运行参数和/或至少一个预定的与车辆相关的环境参数和/或至少一个预定的与车辆相关的运行参数和/或至少一个预定的与电网相关的运行参数来产生预定的第二控制信号并且将其输出在预定的接口上，所述接口与半导体切换元件(50)的控制连接端在信号技术上耦合，从而半导体切换元件(50)的切换状态能与第二控制信号有关地调整。

3.按照权利要求2所述的电路布置，其中，

-第一控制信号的预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件(50)占据第二切换状态，

-第二控制信号的预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件(50)占据第二切换状态，以及

-当第一控制信号或者第二控制信号或者两个控制信号具有各自的所述预定的曲线时，操控半导体切换元件(50)的控制连接端，使得半导体切换元件(50)占据第二切换状态。

4.按照权利要求3所述的电路布置，其中，

-第二控制信号的另一种预定的曲线代表如下要求，即，半导体切换元件(50)占据第一切换状态，以及

-当第二控制信号具有所述另一种预定的曲线并且第一控制信号不具有所述预定的曲线时，操控半导体切换元件(50)的控制连接端，使得半导体切换元件(50)占据第一切换状态。

5.按照权利要求1至4之一所述的电路布置，其中，半导体切换元件(50)包括至少一个场效应晶体管。

6.按照权利要求1至4之一所述的电路布置，其中，所述半导体切换元件(50)具有至少一个第一场效应晶体管(52)和至少一个第二场效应晶体管(54)，其中，所述至少一个第二场效应晶体管(54)分别反串联地与所述至少一个第一场效应晶体管(52)串联。

7.按照权利要求1至4之一所述的电路布置，其中，电流解耦元件具有光学的发送元件和光学的接收元件。

8.按照权利要求1至4之一所述的电路布置，其中，模拟的监控电路(30)具有电流传感器和模拟比较器(34)，其中，所述模拟比较器(34)构成和设置为用于根据将预定的阈值与由电流传感器采集的测量值的比较来产生所述第一控制信号，所述测量值代表流过能量存储器的电流。

9.能量存储器系统(10)，具有能量存储器(20)和按照权利要求1至8之一所述的电路布置。