CN110277770B - 模块存储器联接的双重保险装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护能量存储单元(104)的电路(100)，其中至少一个能量存储单元(104)是交流电池的一部分，该交流电池具有至少一个模块(110，120)并且该至少一个模块(110，120)包括由两个功率半导体开关器(106)形成的至少一个半桥、模块存储器(105)和模块控制器(109)，其中该至少一个模块(110，120)与该至少一个能量存储单元(104)在构成第一连接的情况下相连，并且该第一连接在该至少一个模块(110，120)与该至少一个能量存储单元(104)之间具有第一保险装置(101)，该第一保险装置能够中断该第一连接，其中该电路在该至少一个模块(110，120)的该模块控制器(109)与该至少一个能量存储单元(104)之间具有第二连接。

Description

模块存储器联接的双重保险装置
技术领域
本发明涉及一种用于保护交流电池(Wechselstrombatterie)的单独能量存储单元的电路，该电路在内部连接方面动态地重配置，以便对交流电耗电器进行供应。
背景技术
目前用于电动车辆的电池组是由单独部分(例如电池单元)形成的硬接线的单元。此类电池组在输出端几乎仅仅提供直流电压。相反，大多数耗电器需要交流电压，该交流电压例如具有带有固定频率、幅值和相位的谐波式电压曲线。
通过动态重配置电池连接可以直接产生用于一个或多个耗电器的交流电压或多相电压。因此，例如文件DE 10 2011 014 133 A1建议通过接通单独电池模块来动态重配置电池，以改变输出电压。
当电池的仅一部分、例如一个电池单元有故障时，通常整个电池组都不能使用。于是在电动车辆的情况下，必须考虑到完全失效。在适当时必须甚至必须主动强制停机，从而使得有故障的电池部分不会在进一步的负载下过热和起火。在此背景下，文件DE 10 2012210 910 A1公开了一种对单独电池模块的监测装置。在出现错误时将有错误的电池模块桥接(überbrückt)。
具有功率半导体开关器(例如像模块化多电平变换器，简称为MMC且例如在DE 10217 889 A1中描述的)的功率电子器件可以用于将在其他情况下硬接线的电池组划分成多个模块化电池部分，这些电池部分的电连接可以在运行中动态地改变。模块化电池部分可以由单独的电池单元组成，但是也可以由自身又由小电池组构成的多个电池单元组成。动态重配置在此允许桥接有故障的电池单元或产生任意的输出电压。
在模块化多电平变换器中(本领域技术人员已知简写为MMC、MMSPC及其他)希望使用需要保护的能量存储单元。这尤其涉及电池单元、电池和双层电容器，以构建交流电池。出于这一原因，此类能量存储单元大多数情况下通过保险装置(例如熔断保险丝和/或保护器)连接到模块化多电平变换器的相应的模块，以避免损伤电池或避免火灾。这尤其与过电流或低电压关断一起完成，在其脱扣时该保护器也同时脱扣。此类情况例如可以在损伤功率半导体开关器(例如半导体的击穿且因此所连接的电池的短路)时出现。同时，相应的模块控制器在此类系统中大多数情况下非常简洁地(elegant)由相应的本地模块存储器(例如电容器)来供应。由此可以避免较小的在电流上分离的直流电压变换器，因为模块存储器可以在模块的电势上或相对于此提供供电电压。在此要注意的是，依据模块状态不同，局部电势(近似于“局部接地”)相对于大地偏移。但是如果现在由能量存储单元为本地模块控制器和模块监测器供电并且保险装置脱扣，则因此模块控制器或模块监测器也丧失其供电电压并失效。并且，尤其是在电池模块需要模块控制器和模块监测器的时间点。
发明内容
在此背景下，本发明的目的是提供一种电路，该电路在由模块构造的交流电池中保护相应的能量存储单元，其中在运行中相应的模块不仅需要模块控制器还需要模块监测器。
为了实现上述目的，建议一种用于保护能量存储单元的电路，其中至少一个能量存储单元是交流电池的一部分，该交流电池具有至少一个模块并且该至少一个模块包括由两个功率半导体开关器形成的至少一个半桥、模块存储器和模块控制器，其中该至少一个模块与该至少一个能量存储单元在构成第一连接的情况下相连，并且该第一连接在该至少一个模块与该至少一个能量存储单元之间具有第一保险装置，该第一保险装置能够中断该第一连接，其中该电路在该至少一个模块的该模块控制器与该至少一个能量存储单元之间具有第二连接。
该电路一般包括多个模块和多个能量存储单元，其中一个模块分别通过一个相应的第一连接与一个相应的能量存储单元相连，并且相应的第一连接在相应的模块与相应的能量存储单元之间具有相应的第一保险装置，该第一保险装置可以中断相应的第一连接。另外，该电路在相应的模块的相应的模块控制器与相应的能量存储单元之间具有相应的第二连接。这意味着，每个模块分别与一个能量存储单元相连。在设计中，每个模块与一个能量存储单元一一对应地相关联，该能量存储单元与该相应的模块相连。
由此，与现有技术相比，模块控制器的供电不再通过模块到能量存储单元的第一连接来进行。因此，要保险的能量存储单元与包含模块的功率半导体开关器的功率部件之间的第一连接的中断不再自动地影响模块控制器的运行。
当功率部件的第一保险装置脱扣以便例如阻止能量存储单元的过载或热穿透时，继续由能量存储单元确保供电的模块控制器继续控制功率部件。
在本发明电路的设计中，在模块控制器与能量存储单元之间的第二连接具有第二保险装置。在此该第二保险装置例如为熔断保险丝或可复位的保险装置。可复位的保险装置可以例如为热保险装置。在使用第二保险装置时，第一和第二保险装置的脱扣极限可以明显不同。用于功率部件的独立的第一保险装置可以依据(例如在电动车辆中的)用途处于几百A或在电网存储器的情况下处于至少几十A。相反，用于模块控制器的独立的第二保险装置与之相对可以处于几百mA至几安培。
在本发明电路的另外的设计中，在该至少一个或该相应的模块与该至少一个或该相应的能量存储单元之间的第一连接另外具有保护器。
在本发明电路的仍另外的设计中，在该至少一个模块的模块控制器与该至少一个能量存储单元之间的第二连接具有附加的休止电路(Ruheschaltung)。休止电路优选可以实施为半导体开关器，例如场效应晶体管。此类的休止电路通过中断电压供应来防止由于在没有运行时的空载电流导致相应能量存储单元的清空。其控制可以例如通过中央控制器来进行，该中央控制器于是可以将模块从休止模式“唤醒”。
在本发明电路的再进一步另外的设计中，休止电路为与该电路在电流上分离的开关器。该开关器例如可以实施为光耦合器或光晶体管。光耦合器从“外部”并因此电流分离地受到控制，例如通过上级控制器的共用的唤醒导线，该唤醒导线由此在不考虑存在于相应模块中的电势比
Figure BDA0001994914050000041
的情况下进行反应。但是相应的光耦合器的控制还可以用对于相应模块或模块子组所决定的唤醒导线来进行。
在本发明电路的另外的设计中，在该至少一个模块的模块控制器与该至少一个能量存储单元之间的第二连接另外具有直流电压变换器。直流电压变换器可以例如实施为降压、升压或降升压变换器。以此方式，能量存储单元的电压可以匹配模块控制器的需要和/或在适当时补偿较大的电压波动。取决于充电状态和负载电流，电池恰好可能具有大于50％的较大电压差。
在本发明电路的另外的设计中，该至少一个模块的模块控制器被配置为另外还形成模块监测装置，该模块监控装置监测该功率半导体开关器或功率部件。
在本发明电路的仍另外的设计中，该至少一个模块的模块控制器被配置为监测该第一保险装置的断开。与现有技术相反，模块控制器可以毫无问题地承担这一功能，因为根据本发明该模块控制器的供应与该第一连接是独立的。
在本发明电路的再进一步另外的设计中，该至少一个模块的模块控制器被配置为，在该第一保险装置之前或之后借助于测试点来识别该第一保险装置的断开。例如可以通过如此安排的测试触点来引入测试电流：例如具有几个毫安的恒定电流强度，或者优选具有预定频率和优选在不等于0的两个预定电流值之间的方波信号(由于更好且噪音更低的检测)，并且测试电流可以被反向测量。如果测试电流不再流动或仅仍电容性地流动，则应假定连接断开。如果在第一保险装置之后安排有保护器(例如具有电子过流断开功能的保护器)，则可以通过读取触点或切换触点(Rücklese-oder Wechselkontakte)来进行。此外，测试点可以用在能量存储单元的触点处、例如在能量存储单元的正极，以及到功率部件、例如到模块的触点处。当不依赖于功率端子将这些测试导线连接到电池和功率回路时，例如用独立的螺丝点或焊接物，则不仅可以识别出断开的第一保险装置而且还可以识别出第一连接的机械性断裂。对于相应测试点的定位、并且对于第二连接到模块控制器的端子的定位有利的是，这两者拧接或焊接到特别接近由能量存储单元伸出的触片或接触面之处。在适当时，相应的测试点的定位和第二连接的端子的定位是分开的。第一连接到功率部件的端子通常直接拧接或焊接在能量存储单元处。对于相应的端子还可以设置有在能量存储单元处的端子孔。
最后，在本发明电路的设计中，可以在第一保险装置和任选的保护器之后与功率部件之前之间安排附加的电容器。一旦功率部件的第一保险装置失效并且能量存储单元在运行中与功率半导体开关器分离，则功率部件就不再具有电压供应。然而当在运行中在失效期间正好输出或接收了能量，则模块有空转或满转(leer-oder vollzulaufen)的风险，使得在功率半导体开关器上的电压下降或上升。根据本发明安排的电容器在通过能量存储单元的实际电压供应脱离耦合时提供电容器的电容用于运行该功率部件。相反，根据本发明，控制器的供电已经通过到能量存储单元的第二连接来保证。
如果即使有自身的到能量存储单元的第二连接，模块控制器的供电仍然失效，则应能够通过上级的控制器来识别。
这例如可以如下进行：模块控制器必须在进一步的实施中将其准备就绪状态通知上级控制器。如果这个通知失效，则上级控制器必须假定模块控制器已经失效或者不再被供电。例如，准备就绪状态可以通过主动设置为高(high)的信号来实现，该信号在其他情况下通过下拉电阻被设为0，例如通过所谓的开集总线(open-collector-Bus)。替代地，在导线上可以使用必须遵循特定规则的某种位模式(Bitmuster)。这种规则可以例如涉及幅值或频率，或者固定的位模式或者根据可预测的规则来变化的位模式，例如由移位寄存器电路(如从加密技术中已知的)所要求的。同样还可以通过总线进行基于分组的通信，其中必须发送周期性的状态分组。当状态分组没有出现(即标记为“超时”的情况)，要考虑模块控制器的失效。但是在此存在如下缺点：必须以某一总线开销来工作且同样必须接受某一超时时间并且因此可能存在长反应时间。
总之，本申请在此公开下述项1的技术方案，下述项2-12为优选技术方案：
1.一种用于保护能量存储单元的电路，其中至少一个能量存储单元是交流电池的一部分，该交流电池具有至少一个模块并且该至少一个模块包括由两个功率半导体开关器形成的至少一个半桥、模块存储器和模块控制器，其中该至少一个模块与该至少一个能量存储单元在构成第一连接的情况下相连，并且该第一连接在该至少一个模块与该至少一个能量存储单元之间具有第一保险装置，该第一保险装置能够中断该第一连接，其中该电路在该至少一个模块的该模块控制器与该至少一个能量存储单元之间具有第二连接。
2.根据前述项1所述的电路，其中该第二连接在该模块控制器与该能量存储单元之间具有第二保险装置。
3.根据前述项2所述的电路，其中该第二保险装置为熔断保险丝或可复位的保险装置。
4.根据前述项之一所述的电路，其中该第一连接在该至少一个模块与该至少一个能量存储单元之间另外具有保护器。
5.根据前述项之一所述的电路，其中该第二连接在该至少一个模块的该模块控制器与该至少一个能量存储单元之间另外具有休止电路。
6.根据前述项5所述的电路，其中该休止电路具有与该电路在电流上分离的开关器。
7.根据前述项6所述的电路，其中与该电路在电流上分离的开关器为光耦合器或光晶体管。
8.根据前述项之一所述的电路，其中该第二连接在该至少一个模块的该模块控制器与该至少一个能量存储单元之间另外具有直流电压变换器。
9.根据前述项之一所述的电路，其中该至少一个模块的该模块控制器被配置为另外还形成模块监测装置，该模块监测装置监测该功率半导体开关器。
10.根据前述项之一所述的电路，其中该至少一个模块的该模块控制器被配置为监测该第一保险装置的断开。
11.根据前述项10所述的电路，其中该至少一个模块的该模块控制器被配置为，在该第一保险装置之前或之后借助于测试点来确定该第一保险装置的断开。
12.根据前述项之一所述的电路，该电路另外具有电容器，该电容器在该第一连接中安排在具有任选的保护器的该第一保险装置与包含该功率半导体开关器的功率部件前方之间。
附图说明
本发明的其他优点和构型从说明书和附图得出。
显然，上述的以及还将在下文中说明的特征不仅可以按照相应给出的组合来使用，也可以按照其他组合或单独地使用，而不背离本发明的范围。
将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。
图1示出在两个彼此相连的模块处的本发明电路的实施方式。
图2示出具有休止电路和电压变换器的本发明电路的另一个实施方式。
图3示出具有另外的休止电路和电压变换器的本发明电路的再一个实施方式。
图4示出具有光耦合器的本发明电路的又另一个实施方式。
图5示出具有对功率部件的供应中断的识别装置的本发明电路的实施方式。
具体实施方式
图1中示出了在通过连接导线107彼此相连的两个模块110和120处的本发明电路100，其中示例性地描述模块110处的电路。模块110通过能量存储单元104来供能。为此安排了从能量存储单元104到模块110的功率部件111的第一连接，该功率部件包含多个功率半导体开关器106和模块存储器105。这个连接通过第一保险装置101来保险。任选地可以另外(如所示地)安排保护器102。功率半导体开关器106由模块控制器109控制。由于模块控制器109在第一连接中断之后还可以选择性地通过断开保险装置101或任选的保护器102进一步控制功率半导体开关器106或者还可以实施可设想的监测功能，模块控制器109或模块110根据本发明具有与第一连接独立的供电。这通过从能量存储单元104到模块控制器109的第二连接构成，该第二连接可以通过保险装置103中断。模块110还通过连接导线108与下一个模块或交流电池的输出端相连。
图2中示出了具有休止电路206和电压变换器204的本发明电路200，其中这两者本身分别可以看作是任选的。如在图1中展示了两个彼此相连的模块210和220，这些模块分别具有与图1中展示的模块相同的构造，例如具有第一保险装置101、第二保险装置103和模块控制器109。然而，该电路已经相对于图1首先已经增加了休止电路206，通过该休止线路能够中断或再次产生对模块控制器109的供电。可以考虑将多个电子构件用于休止电路206的开关器，其中该开关器在此通过增强型p沟道场效应晶体管来展示。上级的控制器具有到休止电路206的场效应晶体管的漏极端子的连接208并且通过这个连接208控制休止电路206的开关行为。另一方面，在用于模块210的电路200中展示了直流电压变换器204，通过该直流电压变换器将模块控制器109连接到该能量存储单元。
图3示出了具有另一个休止电路206和电压变换器204的本发明电路300。该电路为与图2中几乎相同的电路，然而上级控制器的连接308位于休止电路206的场效应晶体管的源极端子处。
图4示出具有光耦合器402的本发明电路400。虽然第一保险装置101将能量单元相对于功率部件进行保险，但在第二连接中，光耦合器402位于具有上游连接的直流电压变换器204的模块控制器109与第二保险装置103之间。光耦合器402能够实现与模块在电流上分开的休止电路。
在图5中示出了具有对功率部件的供应中断的识别装置的本发明电路510、520和530。电路510示出了插入在测试触点501和502之间的围绕第一保险装置101的测量电路506，通过该测量电路可以识别由于例如传导到模块控制器(在此未示出)的信号505造成的供电中断，例如第一保险装置101脱扣或保护器102断开。测试触点501或502在此安排在能量存储单元104的正极处或模块存储器105处。一般它们应安排为尽可能独立于通向模块的功率部件的端子。在电路520中通过与电路510中相同的测量触点安排可以检测朝向模块的功率部件的第一连接的断开504。最后在电路530中通过模块存储器105处(优选在所加入的电容器的端子处)的电压监测装置532进行对功率部件与能量存储单元之间的第一连接的断开504的识别并且带有通过传导到模块控制器(在此未示出)的信号534的消息。一旦能量存储单元与功率部件之间的连接断裂，则必须用负载电流绕过剩余的中间电路电容并且输出或接收必要的电荷(只要还有负载电流流动)。当在供电中断的时间点该负载电流正好流入模块中以便对所连接的能量存储单元充电时，在连接断开的情况下要考虑到电压升高到超过预期极限。如果负载电流正好从模块流出并且在此使所连接的能量存储单元放电，则在连接断开的情况下要考虑到电压降低到低于预期极限。通过一个或两个阈值开关器(上限和/或下限)因此可以识别到能量存储单元的连接的断开或能量存储单元的故障。当通过硬件阈值开关器实现识别时，不需要任何模数转换器。阈值例如可以选择为明显高于能量存储单元的最大电压或低于最小电压。阈值开关器可能具有相对输出信号的错误识别或振荡的迟滞。

Claims (12)

1.一种用于保护能量存储单元(104)的电路(100，200，300，400)，其中至少一个能量存储单元(104)是交流电池的一部分，该交流电池具有至少一个模块(110，120，210，220，310，320)并且该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)包括由两个功率半导体开关器(106)形成的至少一个半桥、模块存储器(105)和模块控制器(109)，其中该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)与该至少一个能量存储单元(104)在构成第一连接的情况下相连，并且该第一连接在该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)与该至少一个能量存储单元(104)之间具有第一保险装置(101)，该第一保险装置能够中断该第一连接，其中该电路在该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)与该至少一个能量存储单元(104)之间具有第二连接。
2.根据权利要求1所述的电路(100，200，300，400)，其中该第二连接在该模块控制器(109)与该能量存储单元(104)之间具有第二保险装置(103)。
3.根据权利要求2所述的电路(100，200，300，400)，其中该第二保险装置(103)为熔断保险丝或可复位的保险装置。
4.根据以上权利要求1-3之一所述的电路(100，200，300，400)，其中该第一连接在该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)与该至少一个能量存储单元(104)之间另外具有保护器(102)。
5.根据以上权利要求1-3之一所述的电路(200，300，400)，其中该第二连接在该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)与该至少一个能量存储单元(104)之间另外具有休止电路(206，402)。
6.根据权利要求5所述的电路(400)，其中该休止电路(206，402)具有与该电路在电流上分离的开关器(402)。
7.根据权利要求6所述的电路(400)，其中与该电路在电流上分离的开关器(402)为光耦合器或光晶体管。
8.根据以上权利要求1-3之一所述的电路(200，300，400)，其中该第二连接在该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)与该至少一个能量存储单元(104)之间另外具有直流电压变换器(204)。
9.根据以上权利要求1-3之一所述的电路(100，200，300，400)，其中该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)被配置为另外还形成模块监测装置，该模块监测装置监测该功率半导体开关器(106)。
10.根据以上权利要求1-3之一所述的电路(100，200，300，400)，其中该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)被配置为监测该第一保险装置(101)的断开。
11.根据权利要求10所述的电路(500)，其中该至少一个模块(110，120，210，220，310，320)的该模块控制器(109)被配置为，在该第一保险装置(101)之前或之后借助于测试点(501，502)来确定该第一保险装置(101)的断开。
12.根据以上权利要求1-3之一所述的电路，该电路另外具有电容器，该电容器在该第一连接中安排在具有任选的保护器(102)的该第一保险装置(101)与包含该功率半导体开关器(106)的功率部件(111)前方之间。
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