CN107791844A - 电流中断装置、电池系统、控制器和分离通过电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电池系统的电流中断装置，具有至少一个用于分离电池系统的电池和电池的耗电器之间的通过电流的电流中断单元，其中电流中断单元具有至少一个用于分离和建立电池和电池的耗电器之间的通过电流的功率半导体并且至少一个过电压放电器与所述功率半导体并联。本发明还涉及一种具有根据本发明的电流中断装置的电池系统、一种用于通过根据本发明的电流中断装置来分离电池和耗电器之间的通过电流的方法以及一种用于根据本发明的电池系统的控制器，该控制器被设计用于执行根据本发明的方法。

Description

电流中断装置、电池系统、控制器和分离通过电流的方法
技术领域
本发明涉及一种电流中断装置、一种电池系统、特别是一种电动车辆的高伏特电池系统、一种控制器以及一种用于分离电池和耗电器之间的通过电流的方法。
背景技术
从普及现有技术已知的是，为了切断电池系统中的过电流或短路电流使用继电器和保险装置的组合。例如在电池系统的电池的每个极上构造继电器，该继电器由监控电子装置的控制器触发地在故障情况下被断开。如果在短路情况下出现过高的例如处于2kA至10kA的范围内的电流，则与继电器串联的保险装置在0.1ms至2s之后分离电流。
从DE 10 2008 043 381 A1已知一种具有高伏特电源组件以及用于此的控制器的设备。在高伏特电源组件中，高伏特电池组件与功率开关组件连接，该功率开关组件具有电机械的或电子的高电压功率开关（继电器）。所述高电压功率开关特别是具有以下任务，在接通车辆电子装置时将电机控制设备或其他高电压耗电器与高伏特电池电连接或者在切断时或在安全关键的干扰时将其安全地与高电压电池分离。
发明内容
根据本发明的权利要求1提供一种用于电池系统的成本适宜的电流中断装置，利用该电流中断装置能够以安全的方式特别是在分离电池系统的电池和电池的至少一个耗电器之间的通过电流时实现更短的开关时间。此外，当前提供一种根据权利要求7的具有电流中断单元的电池系统，一种根据权利要求8的用于通过电流中断单元来分离电池和电池的耗电器之间的通过电流的方法以及一种根据权利要求10的控制器，该控制器为了执行方法而配备有电流中断单元。
本发明的其他特征从说明书和附图中得出。在此，结合电流中断装置描述的特征和细节自然结合根据本发明的电池系统、根据本发明的方法、根据本发明的控制器也适用并且分别反之亦然，使得关于各个发明方面的公开内容总是能够相互参考。
根据本发明的第一方面，提供一种用于电池系统的电流中断装置。电流中断装置具有至少一个用于分离电池系统的电池和电池的耗电器之间的通过电流的电流中断单元。电流中断单元具有至少一个用于分离和建立电池和电池的耗电器之间的通过电流的功率半导体。此外，至少一个过电压放电器与该功率半导体并联。
通过过电压放电器与功率半导体的根据本发明的并联电路，能够可靠地并且在不破坏或损伤功率半导体的情况下有利地降低功率半导体上的瞬时过电压。此外，过电压可以通过并联的过电压放电器特别快速地降低。一旦在功率半导体上出现过电压，则并联的过电压放电器变得导通并且在热上降低在此形成的能量。过电压放电器优选地被设计成，使得一旦过电压放电器和功率半导体之间的电压差下降到所定义的值以下，该过电压放电器就变得电绝缘。
所使用的功率半导体有利地针对在高伏特电池上或高伏特电池系统中的使用以例如650V的耐压强度来设计。电池除了逆变器之外还具有1至50μH的电感。
根据本发明的过电压放电器还可以代替可能的另外的功率半导体地被并联。相较于另外的功率半导体，通过过电压放电器可以实现明显的成本优势。平均的过电压放电器成本大约是平均的功率半导体的十分之一。作为过电压放电器可以优选地使用针对过电压保护来设计的标准部件。由此能够有利地特别是相较于具有另外的功率半导体的实施方式实现在电压降低时的特别高的可靠性，因为功率半导体并非按标准地针对在过电压切断时的高能量降低来设计。过电压放电器优选地针对大于10kW、特别优选地大于50kW的功率峰值来设计。
电流中断装置可以设计成电开关或电机械开关，其为了分离电池或至少一个电池和耗电器之间的通过电流而被设计并且布置在主电流路径中。主电流路径应该理解为在电池系统的电池与电池的在至少一个电池的正端子和负端子之间的耗电器之间的电流路径。主电流路径在此对应于以下电流路径，在该电流路径中通常布置有前面关于现有技术描述的继电器和保险丝。
电池优选地具有多个能够串联和/或并联的电池单池。在此，电池系统优选地也具有多个电池。不仅电池的电池单池而且电池本身优选地至少部分串联。
耗电器当前应该理解为一种系统，该系统被供应或能够被供应至少一个电池的电流和电压。耗电器当前例如是机动车电网或与机动车电网连接的电动机。
当前的电流中断装置优选地被设计用于在机动车中、特别是在电动车辆的高伏特电池系统中使用。本发明在此不限于在道路车辆中的使用。因此可以的是，电流中断装置也相应地被设计用于在有轨车辆、船舶、飞机和/或机器人中使用。此外，电流中断装置也可以相应地被设计用于在静止的系统中使用。
通过使用功率半导体或至少一个功率半导体，可以有利地特别快速短路主电流路径。功率半导体应该理解为一种半导体器件，其在功率电子装置中使用时被设计用于控制和开关高电流和电压，例如大于1A直至几千安培的电流和大于24V的电压。作为功率半导体例如可以使用具有合适的开关和功率特性的晶体管。
根据本发明的一种改进方案可以的是，至少一个功率半导体具有大于至少一个过电压放电器的击穿电压的耐压强度。如果过电压放电器的击穿电压例如处于600V，则功率半导体可以有利地具有650V的耐压强度。在该情况下，在出现过电压时，能量从600V起在过电压放电器上降低。由此可以相应地可靠地保护功率半导体。在该意义下，以下内容在本发明的试验范围内被证明为是有利的，即功率半导体的耐压强度在3%和20%之间、优选地在5%和15%之间地大于至少一个过电压放电器的击穿电压。
此外，在根据本发明的电流中断装置中可以的是，电阻与至少一个过电压放电器串联。由此，有利地可以的是，即使过电压放电器击穿，可以在最短时间内降低由过电压所致的能量并且不损伤或破坏功率半导体。因此，串联的电阻用作在过电压放电器中的故障情况或当过电压放电器未足够确定参数时的保险。
此外，根据本发明可以的是，在电流中断装置中至少一个功率半导体被设计成具有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）。如果至少一个功率半导体被设计成IGBT，则主电流路径可以特别快速并且可靠地短路并且因此过电流沿至少一个电池的方向相应地快速并且可靠地被阻止或基本上被阻止。IGBT还具有特别高的电压和电流极限。由此可以除了通过过电压放电器实现的保险之外还实现针对电池系统的附加的保险。即在例如100MW的功率下，IGBT可以无损地控制和开关例如7kV的电压和例如4kA的电流。此外，通过IGBT可以实现无功率或基本上无功率的控制。此外，IGBT具有特别高的脉冲负荷能力。
在根据本发明的电流中断装置中还可以的是，至少一个功率半导体被设计成功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。如果至少一个功率半导体被设计成功率MOSFET，则主电流路径可以通过功率MOSFET的快速开关时间而特别快速并且可靠地短路并且因此过电流沿至少一个电池的方向相应地快速并且可靠地被阻止或基本上被阻止。功率MOSFET与IGBT一样也具有特别高的电压和电流极限。功率MOSFET还具有相对于环境影响的高的鲁棒性。由此，功率MOSFET特别好地适用于在机动车中使用。
根据本发明还可以的是，在电流中断装置中电流中断单元具有多个用于分离和建立电池和耗电器之间的通过电流的功率半导体并且所述多个功率半导体串联。通过多个串联的功率半导体可以更好地分配在分离和重新建立电池和电池的耗电器之间的电流时形成的热量。即由此，当例如过电压放电器不足够地确定参数或具有故障功能时，可以考虑单个功率半导体的过热的风险。
根据本发明的另一方面，提供一种特别是用于机动车、特别是用于电动车辆的电池系统，其具有如前面详细描述的电流中断装置。因此，根据本发明的电池系统带来与详细参考根据本发明的电流中断装置所描述的优点相同的优点。电流中断装置优选地直接布置在电池的正极侧或负极侧或附近或者布置在相应的极上。
根据本发明的另一方面，提供一种用于通过如前面详细描述的电流中断装置来分离电池和耗电器之间的通过电流的方法。在分离通过电流时，在这种情况下形成的在至少一个功率半导体和至少一个过电压放电器之间的热能量在至少一个功率半导体和至少一个过电压放电器之间分配。因此，根据本发明的方法也带来与详细参考根据本发明的电流中断装置所描述的优点相同的优点。
在根据本发明的方法的一种改进方案中有利的是，至少一个用于分离通过电流的功率半导体至少有时完全截止并且至少有时在有源钳位模式中运行。即功率半导体可以被配置成，使得该功率半导体在切断时间的一部分内完全截止，由此过电压放电器导通，并且在切断时间的另一部分内在有源钳位模式中运行。在此，功率半导体的极限电压或耐压强度优选地小于过电压放电器的击穿电压地来选择。由此可以特别有效地降低在当前电池系统中的可能的过电压。在本发明的范围内也可以设想的是，过电压放电器上的温度通过温度传感器来检查并且在过电压放电器上的过高温度的情况下输出故障通知或者直接切断电池系统。
此外，根据本发明的一个方面提供一种用于如前面所描述的电池系统的控制器，其中控制器被设计用于执行前述方法。为了该目的，控制器至少在数据技术上通过线缆和/或无线电与电池系统和/或电流中断装置连接。因此，根据本发明的控制器也带来与详细参考根据本发明的电流中断装置所描述的优点相同的优点。
对本发明进行改进的其他措施从关于本发明的一些实施例的随后描述中得出，所述实施例在附图中示意性示出。所有从权利要求、说明书或附图中得出的特征和/或优点（包括构造细节和空间布置）不仅可以自身而且可以以不同组合而对本发明重要。
附图说明
分别示意性地：
图1示出根据在现有技术中已知的实施方式的电池系统，
图2示出根据本发明的第一实施方式的具有电流中断装置的电池系统，
图3示出根据本发明的第二实施方式的具有电流中断装置的电池系统，
图4示出根据本发明的第三实施方式的具有电流中断装置的电池系统，和
图5示出用于关于时间示出电流变化的图形。
具有相同功能和作用方式的元件在图1至5中分别配备有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出在现有技术中已知的电池系统100。电池系统100具有电池70和电池70的耗电器200。电池70和耗电器200之间的通过电流可以通过第一继电器10和第二继电器20分离或重新建立。在第一继电器10之前、即在第一继电器10和电池70的正极之间，在主电流路径中布置有保险丝60。
图2示出根据本发明的第一实施方式的具有电流中断装置1a的电池系统100a。在图2中示出的电流中断装置1a具有第一电流中断单元10和第二电流中断单元20。两个电流中断单元10、20被设计用于分离电池系统100a的电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。此外，第一电流中断单元10具有被设计成IGBT的第一功率半导体11。第二电流中断单元20具有被设计成IGBT的第三功率半导体21和被设计成IGBT的第四功率半导体22。功率半导体11、21、22分别被设计用于分离和建立电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。电流中断装置1a还具有过电压放电器30，该过电压放电器与第一功率半导体11并联。第一功率半导体11在此具有大于过电压放电器30的击穿电压的耐压强度。在图2中还示出控制器50，该控制器被配置用于控制和/或调节电池系统100a。
图3示出根据本发明的第二实施方式的具有电流中断装置1b的电池系统100b。在图3中示出的电流中断装置1b具有第一电流中断单元10和第二电流中断单元20。两个电流中断单元10、20被设计用于分离电池系统100b的电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。此外，第一电流中断单元10具有被设计成IGBT的第一功率半导体11和被设计成IGBT的第二功率半导体12，该第二功率半导体与第一功率半导体11串联。第二电流中断单元20具有被设计成IGBT的第三功率半导体21和被设计成IGBT的第四功率半导体22。功率半导体11、12、21、22分别被设计用于分离和建立电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。电流中断装置1b还具有过电压放电器30，该过电压放电器与第一功率半导体11和第二功率半导体12并联。第一功率半导体11以及第二功率半导体12在此分别具有大于过电压放电器30的击穿电压的耐压强度。在图3中还示出控制器50，该控制器被配置用于控制和/或调节电池系统100b。
图4示出根据本发明的第三实施方式的具有电流中断装置1c的电池系统100c。在图4中示出的电流中断装置1c具有第一电流中断单元10和第二电流中断单元20。两个电流中断单元10、20被设计用于分离电池系统100c的电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。此外，第一电流中断单元10具有被设计成IGBT的第一功率半导体11和被设计成IGBT的第二功率半导体12，该第二功率半导体与第一功率半导体11串联。第二电流中断单元20具有被设计成IGBT的第三功率半导体21和被设计成IGBT的第四功率半导体22。功率半导体11、12、21、22分别被设计用于分离和建立电池70和电池70的耗电器200之间的通过电流。电流中断装置1c还具有过电压放电器30，该过电压放电器与第一功率半导体11和第二功率半导体12并联。此外，根据在图4中示出的实施方式，电阻40与过电压放电器30串联。第一功率半导体11以及第二功率半导体12在此分别具有大于过电压放电器30的击穿电压的耐压强度。在图4中还示出控制器50，该控制器被配置用于控制和/或调节电池系统100c。
在根据本发明的用于借助所示出的电流中断装置1a、1b、1c之一来分离电池70和电池的耗电器200之间的通过电流的方法中，在分离通过电流时，在这种情况下形成的在至少一个功率半导体11、12和过电压放电器30之间的热能量在至少一个功率半导体11、12和至少一个过电压放电器30之间分配。为了分离通过电流，至少一个功率半导体11、12有时完全截止并且有时在有源钳位模式中运行。
图5示出用于关于时间示出在执行根据本发明的方法中的电流变化的图形。更确切地说，图5相较于在现有技术中常见的电流中断单元上的过电压降低U2示出在根据本发明的电流中断单元上的过电压降低U1。如在图5中明显可见，过电压通过根据本发明的电流中断单元可以明显更快地降低，由此此外形成明显更小的电流上升。
在附图中示出的控制器50被设计用于执行方法，该控制器通过线缆和/或无线地与电池系统100和/或电流中断装置1a；1b；1c连接。本发明除了所示出的实施方式之外还允许其他设计原则。因此，在附图中示出的IGBT也可以通过功率MOSFET、碳化硅半导体、氮化镓半导体或其他功率半导体来代替。

Claims (10)

1.用于电池系统（100a；100b；100c）的电流中断装置（1a；1b；1c），具有至少一个用于分离电池系统（100a；100b；100c）的电池（70）和电池（70）的耗电器（200）之间的通过电流的电流中断单元（10），其特征在于，所述电流中断单元（10）具有至少一个用于分离和建立电池（70）和电池（70）的耗电器（200）之间的通过电流的功率半导体（11、12）并且至少一个过电压放电器（30）与所述功率半导体（11、12）并联。
2.根据权利要求1所述的电流中断装置（1a；1b；1c），其特征在于，所述至少一个功率半导体（11、12）具有大于所述至少一个过电压放电器（30）的击穿电压的耐压强度。
3.根据上述权利要求之一所述的电流中断装置（1c），其特征在于，至少一个电阻（40）与所述至少一个过电压放电器（30）串联。
4.根据上述权利要求之一所述的电流中断装置（1a；1b；1c），其特征在于，所述至少一个功率半导体（11、12）被设计成具有绝缘栅电极的双极型晶体管（IGBT）。
5.根据上述权利要求之一所述的电流中断装置（1a；1b；1c），其特征在于，所述至少一个功率半导体（11、12）被设计成功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
6.根据上述权利要求之一所述的电流中断装置（1a；1b；1c），其特征在于，所述电流中断单元（10）具有多个用于分离和建立电池（70）和电池（70）的耗电器（200）之间的通过电流的功率半导体（11、12）并且所述多个功率半导体（11、12）串联。
7.特别是用于机动车的电池系统（100a；100b；100c），具有根据上述权利要求之一所述的电流中断装置（1a；1b；1c）。
8.用于通过根据权利要求1至6之一的电流中断装置（1a；1b；1c）来分离电池（70）和耗电器（200）之间的通过电流的方法，其中在分离通过电流时，在这种情况下形成的在所述至少一个功率半导体（11、12）和所述至少一个过电压放电器（30）之间的热能量在所述至少一个功率半导体（11、12）和所述至少一个过电压放电器（30）之间分配。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一个功率半导体（11、12）为了分离通过电流至少有时完全截止并且至少有时在有源钳位模式中运行。
10.用于根据权利要求7的电池系统（100a；100b；100c）的控制器（50），所述控制器被设计用于执行根据权利要求8或9所述的方法。
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