CN110461637A - 车辆能量存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于给机动车的电驱动装置(M)供电的车辆能量存储器(2)，该车辆能量存储器具有：正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)，所述正电位的连接端子和负电位的连接端子在车辆能量存储器的按规定的运行中连接在驱动装置(M)上；第一线路(23)，所述第一线路将正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)相互连接起来并且在所述第一线路中布置有至少一个电能量存储单体(EZ)；和第二线路(24‑26)，所述第二线路平行于并联于第一线路(23)地将正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)相互连接起来并且在所述第二线路中同样布置有至少一个电能量存储单体(EZ)；其中在第一线路(23)和第二线路(24‑26)中分别布置有至少一个半导体开关元件(27)，所述半导体开关元件能被操控以中断在相应的线路中流动的电流。

Description

车辆能量存储器
技术领域
本发明涉及一种车辆能量存储器、特别是用于给机动车的电驱动装置供电的车辆能量存储器。
背景技术
在现有技术中，已知一系列用作机动车用的车辆能量存储器的电池配置。
例如在现有技术中将96个电池单体串联(拓扑1)。在这种配置下，电池单体共同用于给机动车的电驱动装置供电。
最近基于环保考虑和变得越来越短缺的化石原料而被强烈推动的电动机动车的发展，需要越来越多的功率和更高的能量密度。为了符合这些要求，越来越多地使用有多个并联的电池单体的电池配置。对此例如已知两种不同类型的电池配置。
一方面将四个电池单体并联，从而所述四个电池单体形成了一个组。紧接着将例如96个这样的组串联(拓扑2)。
另一方面将例如96个单个的电池单体串联，从而它们形成了一个线路(Strang)。紧接着将四个这样的线路彼此并联(拓扑3)。
电池配置的因此达到的功率和能量密度的提高同样导致了例如在事故时潜在可能出现的较高短路电流。在典型的使用在机动车领域内的量级为400V的电压下，短路电流在最开始阐释的电池配置(拓扑1)中约为4000A。为了可靠地分离这些短路电流，强烈要求市面上能买到的接触器和保险装置。
若添加其它并联的电池单体，如在两个另外的之前阐释的电池配置(拓扑2和3)中那样，那么短路电流提高至30000A。在这个量级的有待处理的电流中，接触器和保险装置到达了可制造的极限。一方面接触器无法足够快地触发并且因此必须具有足够的电流强度，直至保险装置响应。另一方面，本身对保险装置而言困难的是，可靠地在这个高度上分离电流。此外，装在机动车中的电缆束和插头，必须经受住这些大的短路电流并且因此也被相应地设定规格大小。插头在这种情况下首先就是个问题。
与此对应，在现有技术中已经研发了其它没有接触器和保险装置就够用并且能处理这些短路电流的技术方案。这些技术方案基于烟火技术的开关，所述开关在短路情况下将连接端子与电池炸开。事实上，这种烟火技术的开关仅能触发唯一一次并且紧接着需要更新。
针对所述问题，还要补充的是，在所阐释的电池配置中，特别是拓扑1和2中，必须在考虑到安全因子的情况下确定触发电流的大小，在所述触发电流下发生触发电池的分离。安全因子处在10％的量级中并且原因在于，流过电池的电流可能不对称地分配到并联的电池单体上，但对此不存在任何准确的了解。就此而言，电池功率在各电池配置方面也可能没法被完全充分利用。
发明内容
在这个背景下，本发明的主要任务是，创造一种车辆能量存储器，其在出现高电流时允许可靠的和无损毁的分离。本发明的次要任务还在于，使得能良好地充分利用所提供的电池功率。
主要任务用按照权利要求1所述的车辆能量存储器解决。其它优选实施方式是从属权利要求的技术方案。
按照本发明的一个方面，用于给机动车的电驱动装置供电的车辆能量存储器包括：
在车辆能量存储器的按规定的运行中连接在驱动装置上的正电位的连接端子和负电位的连接端子；
第一线路，所述第一线路将正电位的连接端子和负电位的连接端子相互连接起来的并且在第一线路中布置有至少一个电能量存储单体；和
至少一个第二线路，所述至少一个第二线路并联于第一线路地将正电位的连接端子和负电位的连接端子相互连接起来并且在所述至少一个第二线路中同样布置有至少一个电能量存储单体；其中
在第一线路和第二线路中分别布置有至少一个半导体开关元件，所述半导体开关元件能被操控以中断在相应的线路中流动的电流。
按本发明的车辆能量存储器除了第一线路和第二线路外优选也还可以具有第三线路和第四线路。无论是第三线路还是第四线路均并联于第一线路和第二线路地将正电位的连接端子与负电位的连接端子连接起来。通常而言，按本发明的车辆能量存储器除了第一和第二线路外还可以包括多个其它的并联线路，在所述其它的并联线路中布置有至少一个电能量存储单体。
由按本发明的车辆能量存储器提供的电压优选为400V。
第一线路和第二线路可以尤其鉴于能量存储单体的数量而构成为一致的或不同的。相同的说明也适用于第三线路和/或第四线路或多个其它的线路。
能量存储单体应理解为一个结构性单元，其具有壳体，在壳体内例如含有电解质溶液(例如锂离子蓄电池)并且在壳体上布置有和用于连接能量存储单体的相应的电极。
特别优选的是在车辆能量存储器的每个所述线路中布置有在80和110之间的、特别优选为96个单个的能量存储单体。每个所述线路然后优选形成了一个蓄能模块，各蓄能模块一起构成了所述车辆能量存储器。
按本发明的车辆能量存储器可以在结构上例如这样构造，使得该车辆能量存储器具有带一些格层的支承壳体，能量存储单体中的其中一个分别插入到所述格层中。所述支承壳体可以由一些模块壳体组成，其中，每个模块壳体具有用于蓄能模块的能量存储单体的格层。
按照本发明，在第一线路和第二线路中，通常而言在每个所述线路中，均布置有至少一个半导体开关元件，可以操控所述至少一个半导体开关元件，以便中断在相应的线路中的电流。所述半导体开关元件优选涉及一个或多个场效应晶体管或双极性晶体管。在本发明的范畴内尤其考虑场效应晶体管，如MOSFET，或者双极性晶体管，如IGBT。
通过不仅在第一线路中而且在第二线路中分别布置半导体开关元件，使流过相应的线路的极高的电流保持能掌控。优选可以完全取消保险装置、烟火技术的开关或接触器。
通过半导体开关元件在每一个线路中的按本发明的应用，也可以这样快速地逐个线路执行中断，使得短路电流目前不再能取其最大的值或者可能极为强烈地受到限制。这导致了，电缆束和插头鉴于其电流强度而可能在规格上设计得较小(它们目前不再需要承受在现有技术中出现的大小为30kA的电路电流)。这还导致了重量减轻和较小的成本。
此外，还可以节省有价值的结构空间，因为半导体开关元件通常在它们的尺寸大小方面比例如接触器、保险装置或继电器小得多。
这样来设计所述半导体开关元件，使得该半导体开关元件能至少中断车辆能量存储器的沿放电方向流动的电流。
按本发明的车辆能量存储器优选还包括布置在第一线路中的一个电流测量元件和布置在第二线路中的另一个电流测量元件，其中，所述电流测量元件能与电流测量装置连接以测量在相应的线路中流动的电流。
所述电流测量元件，也就是说布置在第一线路中的电流测量元件和布置在第二线路中的电流测量元件，优选是测量电阻，例如分流电阻，在相应的线路中流动的相应的电流能通过所述测量电阻进行测量。电流测量元件备选也可以是霍尔效应传感器，其根据在相应的线路中流动的电流输出相应的霍尔电压。
所述电流测量装置可以在其数量上和到线路的分配上不同地构造。电流测量装置——如在下文中阐释的那样——可以和半导体开关元件、电流测量元件和能量存储单体一起集成到支承壳体或模块壳体中(分布式短路中断)。由此可以尽可能节省有价值的结构空间。
电流测量装置备选可以是控制器的一部分，该控制器除了电流测量外还承担起其它功能。
通过电流测量元件在每一个线路中的按本发明的布置，使得能测量流过相应的线路的相应的电流，因此人们由此获得了有关电流负荷是对称地还是不对称地分配到第一线路和第二线路、通常而言所述多个线路上的认识。通常而言，不存在未知的补偿电流。出于这个原因，不再需要考虑到在现有技术中使用的安全因子，因此人们在按本发明的车辆能量存储器的按规定运行中可以达到车辆能量存储器的功率极限，而不会存在第一线路或第二线路违背本意地过度受负的风险。总体上实现了所述10％的功率提升。
按本发明的车辆能量存储器优选还包括：配设给第一线路的电流测量装置，该电流测量装置与布置在第一线路中的电流测量元件连接以测量在第一线路中流动的电流；和配设给第二线路的电流测量装置，该电流测量装置与布置在第二线路中的电流测量元件连接以测量在第二线路中流动的电流。
配设给第一线路的电流测量装置优选设置用于，测量在第一线路中流动的电流，并且当在第一线路中流动的电流超过了阈值时，操控布置在第一线路中的半导体开关元件以中断流动的电流。
配设给第二线路的电流测量装置同样优选设置用于，测量在第二线路中流动的电流，并且当在第二线路中流动的电流超过了阈值时，操控布置在第二线路中的半导体开关元件以中断流动的电流。
当在正电位的连接端子和负电位的连接端子之间出现了短路并且所引起的沿放电方向流动的短路电流超过了相应的阈值时，由相应的所配设的电流测量装置操控布置在第一线路和第二线路中的半导体开关元件以中断流动的电流。
与在第一线路中流动的电流相比较的阈值和与在第二线路中流动的电流相比较的阈值，可以是一致的或不同的。
同样的说明也适用于配设给第一线路的电流测量装置和配设给第二线路的电流测量装置。也就是说，电流测量装置可以设计成一致的或不同的。
按本发明的车辆能量存储器备选还可以具有：
配设给第一线路和第二线路的电流测量装置，该电流测量装置与电流测量元件连接以测量在相应的线路中流动的电流；其中，
电流测量装置设置用于，单独地测量在第一线路中流动的电流和在第二线路中流动的电流，并且
当在第一线路中流动的电流或在第二线路中流动的电流超过了阈值时，操控布置在第一线路中的半导体开关元件和布置在第二线路中的半导体开关元件以中断在相应的线路中流动的电流。
通常而言，唯一一个电流测量装置可以设置用于第一线路和第二线路。当在这个设计方案中，在第一线路中流动的电流或在第二线路中流动的电流超过了阈值时，那么同时总共操控所有的半导体开关元件以中断在第一线路和第二线路中流动的电流。
特别优选的是按本发明的车辆能量存储器如之前所阐述那样设计，其中，配设给第一线路和/或第二线路的电流测量装置包括比较器电路，该比较器电路将通过相应的电流测量元件测得的电流与所述阈值相比较并且在流动的电流超过所述阈值时操控半导体开关元件以中断流动的电流。
比较器电路例如是运算放大器，在输入端上、例如其未反转的输入端上施加落在电流测量元件上的电压(或霍尔电压)并且将该施加的电压与一个例如施加在反转的输入端上的参考电压(阈值)相比较。运算放大器的输出信号操控相应的半导体开关元件。为此例如将运算放大器的输出端与至少双稳态的驱动电路(驱动电路例如包含至少一个触发器)连接，该双稳态的驱动电路又与形成了半导体开关元件的晶体管的栅极连接端子连接。
此外，按本发明的车辆能量存储器还优选如之前所阐释那样设计，其中，在第一线路和/或第二线路中分别布置有多个半导体开关元件，并且所述多个半导体开关元件包括一组并联的半导体开关元件，当在相应的线路中流动的电流超过了所述阈值时，通过相应的电流测量装置操控所述一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在相应的线路中流动的电流。
通过设置多个半导体开关元件优选达到了减小各个半导体开关元件的电流负荷。
在这种情况下，优选这样来设计按本发明的车辆能量存储器，使得：
在第一线路中布置有一组并联的半导体开关元件，当在第一线路中流动的电流沿特定的电流方向超过了所述阈值时，通过配设给第一线路的电流测量装置操控所述一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在第一线路中流动的电流；
在第二线路中布置有一组并联的半导体开关元件，当在第二线路中流动的电流沿特定的电流方向超过了所述阈值时，通过配设给第二线路的电流测量装置操控一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在第二线路中流动的电流；
在第一线路和第二线路中的所述多个半导体开关元件包含另一组并联的半导体开关元件；
当在第一线路中流动的电流沿与所述特定的电流方向相反的电流方向超过阈值时，通过配设给第一线路的电流测量装置操控布置在第一线路中的另一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在第一线路中流动的电流；并且
当在第二线路中流动的电流沿与所述特定的电流方向相反的电流方向超过阈值时，通过配设给第二线路的电流测量装置操控布置在第二线路中的另一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在第二线路中流动的电流。
当半导体开关元件由场效应晶体管(MOSFET)形成时，按本发明的车辆能量存储器的这种设计方案尤为有利。这种晶体管当然可以仅朝着一个方向截止，因为所述晶体管包含寄生二极管，所述寄生二极管致力于使场效应晶体管沿相反的方向不能截止。出于这个原因，在第一线路中和第二线路中分别布置有至少两组半导体开关元件，其中，一组可以中断沿一个方向的电流流动并且另一组可以中断沿相反的电流方向的电流流动。
通常而言，相应的按本发明的车辆能量存储器能在第一线路中或第二线路中相应的电流超过阈值时中断总电流流动，更确切地说，与电流沿哪个方向流过相应的线路无关。就此而言，短路和相应的短路电流可以在按规定对车辆能量存储器放电或充电时进行处理。
流过相应的线路的电流可以针对两个电流方向通过布置在相应的线路中的电流测量元件进行测量。
按本发明的车辆能量存储器还优选具有：
开关装置，其与彼此并联布置的线路串联布置并且具有至少一个另外的半导体开关元件，其中，所述开关装置设置用于，根据控制信号操控所述另外的半导体开关元件以中断流过车辆能量存储器的总电流。
开关装置的所述另外的半导体开关元件优选这样设计，使其尤其能中断在按本发明的车辆能量存储器中流动的电流。换句话说，所述另外的半导体开关元件可以中断充电电流。通过按本发明的车辆能量存储器的这种设计方案可以通过所述另外的半导体开关元件来替代分别设置用于中断充电电流的布置在第一线路中的组和布置在第二线路中的组。开关装置优选也可以具有多个并联的半导体开关元件，以便降低电流负荷。对所述另外的半导体开关元件的操控在下文中加以阐释。
本发明优选同样涉及一种用于给机动车的电驱动装置供电的车辆能量存储器系统，其中，该系统具有：
如在前文中阐释那样的车辆能量存储器；和车辆存储器控制装置，该车辆存储器控制装置与开关装置的一个/多个用于中断流过车辆能量存储器的总电流的半导体开关元件和一个/多个电流测量装置连接，以便获得有关在第一线路和/或第二线路中流动的电流是否超过了相应的阈值的信息。
车辆存储器控制装置优选设置用于，识别车辆能量存储器的充电过程，并且当在第一线路中和/或第二线路中流动的电流超过了相应的阈值时，操控所述另外的半导体开关元件，以用于中断流过车辆能量存储器的总电流。
按本发明的车辆能量存储器或车辆能量存储器系统的实现了中断充电电流和放电电流的所述设计方案，同时允许了鉴于电流强度将按法律规定的开关(车辆能量存储器可以通过该开关与驱动装置电分离)的规格设定得较小，因为通过使用所阐释的半导体开关元件能这样快地切换所述短路电流，使得所述开关不必再满足高要求。
最后，本发明涉及一种机动车，该机动车具有如在前文中阐释那样的车辆能量存储器或车辆能量存储器系统。
由前述说明可以理解的是，可以通过使用半导体开关元件来掌控沿两个方向的短路电流(充电电流和放电电流)。尤其可以通过所述半导体开关元件这样快速地中断相应的电流，使得短路电流不再取本文开头所述的30kA的值。这尤其适用于这样的情形，即，按本发明的车辆能量存储器具有至少四个一致构造的线路，在所述线路中分别布置有多个能量存储单体(例如96个能量存储单体)。因短路电流受到负荷的元件因此可以鉴于电流强度而规格较小设定。
车辆能量存储器的制造商通常确定了保修极限，所述保修极限表明：流过车辆能量存储器的电流在特定的持续时间内应当仅取一个最大值。通过本发明能这样快速地在短路情况下中断电流流动，使得短路电流不取极端的值，从而即使在短路情况下也能良好地遵守所述的保修极限。由此大幅降低了保修成本；此外还可能避免在修理厂停留(不是故障车)。
附图说明
接下来参考附图详细阐释本发明的优选实施方式。
图1A示出了按照第一优选实施方式的按本发明的车辆能量存储器系统，其具有按本发明的车辆能量存储器、用于将车辆能量存储器与电机电分离的开关装置和车辆存储器控制装置；
图1B示出了在图1A中示出的车辆能量存储器系统的电流测量装置的细节图；
图2示出了按照第二优选实施方式的按本发明的车辆能量存储器系统，其与第一实施方式的区别在于开关装置的构造；
图3示出了仿真的信号变化曲线，所述仿真定性地表明，通过在每个车辆能量存储器的线路中按本发明使用至少一个半导体开关元件能保持对短路电流的掌控。
具体实施方式
第一优选实施方式
图1A示出了按本发明的车辆能量存储器系统1的第一优选实施方式，其具有按本发明的车辆能量存储器2和车辆存储器控制装置3。
按本发明的车辆能量存储器2包含正电位的连接端子21和负电位的连接端子22，按本发明的车辆能量存储器2通过它们与耗电器连接。所述耗电器在这个优选实施方式中是机动车的电驱动装置M并且被供以储存在车辆能量存储器2中的电能用于驱动机动车。
按本发明的车辆能量存储器2包含将正电位的连接端子21与负电位的连接端子22电连接的第一线路23。在第一线路23中布置有多个电能量存储单体EZ，其中，各个能量存储单体EZ彼此串联。
与能量存储单体EZ串联地在第一线路23中布置有一个半导体开关元件27和一个电流测量元件28。
按本发明的车辆能量存储器2除了第一线路23外还包括第二线路24、第三线路25和第四线路26。第二线路24、第三线路25和第四线路26分别与第一线路23并联布置并且将正电位的连接端子21与负电位的连接端子22连接起来。第二、第三和第四线路24-26分别与第一线路23一致地构造并且包括相同的元件。就此而言下列阐述同样适用于所有的线路23-26。
能量存储单体EZ优选涉及锂离子蓄电池，它们分别具有壳体，在壳体内容纳着有其它元素的相应的电解质溶液并且在该壳体上布置有相应的单体连接端子(阳极或阴极)。能量存储单体EZ优选插入到支承壳体(未示出)的格层中。
可以这样来操控布置在第一线路23中的半导体开关元件27，使得该半导体开关元件中断在第一线路23中流动的电流。当在电驱动装置M中以如下方式出现了短路，即，正电位的连接端子21与负电位的连接端子22连接起来并且在第一线路23中由此出现的短路电流超过了特定的阈值时，优选进行所述中断。为此，第一线路23包括配设给第一线路的电流测量装置29，该电流测量装置一方面与半导体开关元件27连接并且另一方面与布置在第一线路23中的电流测量元件28连接。
其它线路24-26一致地构造，也就是说，它们同样分别包括半导体开关元件27、电流测量元件28和配设给相应的线路的电流测量装置29，其中，相应的电流测量装置29设置用于，测量在相应的线路中流动的电流并且操控相应的半导体开关元件27以中断在线路中流动的电流。
布置在每个所述线路中的半导体开关元件27在这个实施方式中构造成场效应晶体管，其中，相应的场效应晶体管的栅极连接端子与电流测量装置29连接。
不过在每个所述线路23-26中优选可以布置有多个半导体开关元件27，即晶体管，其中，在这种情况下，在每个所述线路中，半导体开关元件27彼此并联布置并且能共同地通过相应的电流测量装置29操控。
按本发明的车辆能量存储器2优选还包括开关装置210，该开关装置具有接触器211和保险装置212。
除了按本发明的车辆能量存储器2外，按本发明的车辆能量存储器系统1还包括车辆存储器控制装置3，该车辆存储器控制装置一方面与电流测量装置29连接并且另一方面与开关装置210连接。车辆存储器控制装置3可以涉及单独的电池管理系统或控制器，该电池管理系统或控制器除了电池管理外还履行其它功能。
车辆存储器控制装置3可以优选这样来操控接触器211，使得该接触器中断与正电位的连接端子21和负电位的连接端子22的连接。
按本发明的车辆能量存储器系统1设置用于，在出现短路时中断流过车辆能量存储器2的总电流。这种短路可以一方面在车辆能量存储器2放电时，也就是说驱动装置M按规定运行时出现，另一方面则可以在车辆能量存储器2充电时，也就是说，外部电源连接到正电位的连接端子21和负电位的连接端子22上时出现。
(在车辆能量存储器2放电时的短路)
在车辆能量存储器系统1的按规定的运行中，车辆存储器控制装置3闭合接触器211，由此驱动装置M被供以储存在按本发明的车辆能量存储器2中的能量以驱动机动车。
当在这种状态下例如在驱动装置M内出现短路时，产生了一个短路电流，该短路电流流过整个车辆能量存储器2并且必须被中断。按照本发明，这一点以如下方式完成，即，当在相应的线路中流动的电流超过了特定的阈值时，在每个所述线路23-26中通过半导体开关元件27中断相应的电流流动。这参照图1B加以阐释。
由图1B可知，每个所述线路的电流测量装置29包括运算放大器291，其承担起比较器的功能。用于运算放大器291的运行电压的其中一个连接端子处在正电位上(例如10V)并且另一个连接端子处在接地电位上，从而运算放大器291的输出端可以在正电位和接地电位之间切换。
运算放大器291的输出端与驱动器292连接，驱动器可以占据至少两个稳定的状态。为此，驱动器292例如包括触发器(Filpflop)。驱动器292此外还可以包含一些元件，以便调整相应的晶体管的栅源电压。光电耦合器属于所述元件。
电流测量装置29为了测量在相应的线路中流动的相应的电流而与电流测量元件28电连接。电流测量元件28优选是测量电阻(例如分流电阻)或霍尔效应传感器，其根据在线路中流动的电流的强度输出特定的霍尔电压。
更准确地说，运算放大器291的非反转的输入端与测量电阻或霍尔效应传感器这样连接，使得落在测量电阻上的电压或霍尔电压用作电流测量装置29的输入信号。
在运算放大器291的反转的输入端上施加一个参考电压Uref，将落在测量电阻上的电压或霍尔电压(通常为输入信号)与所述参考电压相比较。就此而言，参考电压Uref形成了用于比较的阈值。
若按本发明的车辆能量存储器2处在正常的功能运行中，此时按规定的电流在相应的线路中流动，那么落在测量电阻上的电压的值或霍尔电压处在参考电压Uref之下。这导致了运算放大器291在其输出端上输出正电位并且驱动器292处在或保留在这样一个状态中，在该状态中，半导体开关元件28或晶体管处于其导通的状态中。在所述导通的状态中，晶体管理想情况下可以被视作闭合的开关。
若现在在驱动装置M中出现了短路，那么在每个所述线路中，相应的电流紧接着上升。出于这个原因，电流测量元件28的电压同样上升，所述电压从流过相应的线路的电流的特定值起超过了参考电压Uref或阈值。
运算放大器291的输出端由此翻转到接地电位上并且由此操控驱动器292，驱动器因此翻转到一个状态中，在该状态中，半导体开关元件27或晶体管中断在相应的线路中流动的电流。换句话说，晶体管处于其不导通的状态中。所述中断在每个所述线路23-26中单独地进行，从而能根据流动的电流按相应的顺序中断各线路。
半导体开关元件27的操控通过电流测量装置29这样快地进行，使得在短路情况下流过相应的线路的电流远远保持在其例如约为30kA的最大值之下。按照本发明，由此使电缆束和插头的规格可以鉴于电流强度设定得更小。
由图1B可知，车辆存储器控制装置3与每个所述电流测量装置29在相应的运算放大器291的输出端上连接并且识别到了运算放大器291的切换。此外，车辆存储器控制装置3也与电流测量装置29的相应的驱动器292连接。当这样来设计车辆存储器控制装置3，使其能相应快速地探测运算放大器291的切换时，备选也可以通过车辆存储器控制装置3实现对驱动器292的操控。
半导体开关元件27的操控也导致了，车辆存储器控制装置3通过其相应地操控接触器211的方式将车辆能量存储器与驱动装置电分离。
当消除了短路原因并且车辆存储器控制装置3获得了这个信息时，车辆能量存储器装置就相应地操控驱动器292，因此所述驱动器就复位到这样一个状态中，在该状态中，所述驱动器将半导体开关元件27置于其导通的状态中。此外，车辆存储器控制装置3又闭合接触器211。
(在车辆能量存储器2充电时的短路)
当按本发明的车辆能量存储器2在驱动装置M运行后必须充电时，为此将外部的电源连接到正电位的连接端子21上和负电位的连接端子22上。
若在这个状态下以如下方式出现了短路，即：线路23-26中的其中一个线路的能量存储单体烧坏，那么至少在引起短路的线路中出现了相应的短路电流。该短路电流与在之前阐释的放电时出现短路的情况相比，具有相反的符号，也就是说，短路电流朝相反的方向流。
相应的配设给相应线路的电流测量装置29虽然同样能识别在车辆能量存储器2充电时出现的短路电流，但半导体开关元件27或晶体管的切换不会导致电流的中断。原因在于，场效应晶体管具有寄生二极管，寄生二极管使得不能中断沿所需方向的电流流动。为了尽管如此仍能识别在充电时出现的短路情况并且中断流过车辆能量存储器2的总电流，将车辆存储器控制装置3与电流测量装置29连接并且由此识别到了相关的运算放大器291的切换。
当车辆存储器控制装置通过电流测量装置29识别到了短路情况时，车辆存储器控制装置相应地操控接触器211，以便将车辆能量存储器2与驱动装置M电分离。若接触器211不能打开，那么开关装置210为此还额外具有熔断保险装置212。
第二优选实施方式
图2示出了按照本发明的第二优选实施方式的车辆能量存储器系统1′。
所示的车辆能量存储器系统1′与第一优选实施方式的车辆能量存储器系统的区别在于开关装置210的和电流测量装置29′的设计方案。保留的元件与第一实施方式的元件一致并且因此使用相同的附图标记。就此而言可以参考对第一优选实施方式的阐述。
按本发明的车辆能量存储器系统1′的第二实施方式的开关装置210不具有接触器和保险装置，而是包含与每个电流测量装置29′和车辆存储器控制装置3连接的半导体控制装置213、能通过该半导体控制装置213操控的另外的半导体开关元件214和用于将电驱动装置M与车辆能量存储器2电分离的常用的机械开关215。所述常用的机械开关并非是必需的并且可以取消，从而按本发明的车辆能量存储器2不再具有机械开关。
本发明的第二优选实施方式的车辆能量存储器2与第一优选实施方式的车辆能量存储器一致，也就是说，它包括多个线路23至26，在所述多个线路中分别布置有至少一个用于中断相应的电流流动的半导体开关元件27。
车辆能量存储器2的工作方式在按规定放电时出现短路的情况下与图1A的车辆能量存储器2的工作方式一致，因此参考在那里的阐述。
不过车辆能量存储器系统1′的工作方式在车辆能量存储器2按规定充电时出现短路/过电流的情况下却是不同的。
(在车辆能量存储器2充电时的短路/过电流)
在车辆能量存储器2的充电过程期间，将外部的电源连接在正电位的连接端子21上和负电位的连接端子22上。开关215是闭合的。
当在这个状态下出现了短路或过电流时，在相应的线路中流动的电流(短路电流或过电流)紧接着上升，所述短路或过电流例如以如下方式触发，即，烧坏线路23-26中的其中一个线路的能量存储单体EZ或者外部的电源导入了过高的电流。
如也在第一优选实施方式中那样，场效应晶体管27为此没有能力中断短路电流/过电流，尽管与相应的场效应晶体管连接的电流测量装置29通过电测量元件28确定了短路电流并且操控相应的场效应晶体管。这又关系到场效应晶体管的寄生二极管。
但为了掌控在车辆能量存储器2充电时出现的短路，每个电流测量装置29′相比第一优选实施方式的配置包括一个另外的运算放大器，该另外的运算放大器在其输入端上这样接线，使得该另外的运算放大器的输出端在出现短路电流/过电流时翻转。所述另外的运算放大器的输出端与半导体控制装置213连接，其中，这个电流测量装置如第一优选实施方式的电流测量装置29那样包括驱动器，该驱动器在所述另外的运算放大器的输出端翻转时处于这样一个状态中，使得所述另外的半导体开关元件214切换到其不导通的状态中。当车辆存储器控制装置能足够快地探测到所述另外的运算放大器的输出端的翻转时，开关装置的驱动器的操控备选也可以通过该车辆存储器控制装置3完实现。
与在半导体开关元件27中相似的是，在开关装置210中也可以设有多个彼此并联的另外的半导体开关元件214。
对另外的半导体开关元件214所执行的操控可以这样快速地进行，使得短路电流远远保持在其最大值之下或过电流保持在其最大允许的值之下。操控的速度处在与半导体开关元件27的操控相同的量级中。
在第二优选实施方式中可能的是，当在按规定放电时出现短路或在按规定充电时出现短路/过电流时，通过半导体开关元件27或214中断流过车辆能量存储器2的总电流；通常而言，通过操控半导体开关元件覆盖了两种情况。
第二优选实施方式因此使得也能参照电流强度将装在开关装置210中的开关的规格设定得更小。如已经提到的那样，也可以完全取消所述开关215。
对所述实施方式的修正
通常而言，在附图说明之前的通用部分中所作的阐述和阐释，也适用于所阐释的实施方式。
在两个实施方式中，当在按规定的充电过程期间出现了短路时，通过开关装置210中断流过车辆能量存储器2的电流。
作为对此的备选，在每个所述线路23-26中可以布置有另外的半导体开关元件，也就是说，另外的场效应晶体管，不过其被这样布置，使得寄生二极管与所示相反地极化并且相应的场效应晶体管可以中断在按规定的充电过程期间出现的短路电流/过电流。如在图1A和2中所示的半导体开关元件27中那样，也可以使用多个彼此并联的另外的半导体开关元件。半导体开关元件然后同样通过它们的栅极连接端子与相应的电流测量装置29连接，该电流测量装置在出现短路/过电流时共同地操控所有的半导体开关元件，也就是说场效应晶体管。
所述优选实施方式的晶体管并不局限于场效应晶体管。也可以使用其它类型的晶体管，例如IGBT，或完全不同的半导体开关元件，如晶闸管。
在优选实施方式中，示出了增强型(n沟道)场效应晶体管。本发明也并不局限于此。也可以例如使用p沟道晶体管。此外也可以使用耗尽型场效应晶体管。
在各个线路中使用的阈值或参考电压Uref的确定，可以例如根据在相应的线路中布置有多少个单独的能量存储单体EZ来个性化地确定。
在两个优选实施方式中，为每个所述线路配设自身的电流测量装置29。备选可以考虑的是，使用仅唯一一个电流测量装置29，其与每个电流测量元件28连接。当在这种情况下在线路23-26中的其中一个线路内的电流超过了在电流测量装置29中确定的阈值时，电流测量装置同时操控总共所有的半导体开关元件27。
仿真结果
图3示出了由发明人执行的仿真的信号变化曲线。
所述仿真基于有唯一一个线路的车辆能量存储器执行，更确切地说针对这样的情形，即，车辆能量存储器处在其按规定的放电过程中并且出现了有相应的电流方向的短路。所述唯一一个线路包含十四个单个的串联的能量存储单体。
由此得出了60V的总电压和200A的标称电流。
在所述线路中布置有六个并联的场效应晶体管，它们由相应的电流测量装置操控，该电流测量装置如在所述实施方式中那样通过测量电阻测量在唯一一个线路中流动的电流。
虚线K1表示电压UDS，该电压落在场效应晶体管的漏源沟道上。对应点EIN的时间点上，场效应晶体管以如下方式处于其导通的状态中，即，相应地切换栅极操控信号(线K2)。
紧接在接通场效应晶体管之后就出现了所述的短路，其中，相应的短路电流快速上升(虚点线K3)，短路电流实际上仅受到导线电感或导线电阻的限制。相应的值在仿真时约为5μH和14Ω。流过每个场效应晶体管的单独的电流相应地上升(线K4)。
阈值或参考电压Uref为了触发电流的中断而被确定为480A。
场效应晶体管通过电流测量装置的操控时间在最糟糕的情况下约为70μs；在图3中可以看到，在这个时间段之后切换栅极操控信号(参看线K2的下降的边沿)。
针对这种情况，最大的短路电流的值约为540A，也就是说每个场效应晶体管约90A，其中，落在场效应晶体管的漏源沟道上的电压UDS在此约上升到110V。在短路电流下降后(线K3)，场效应晶体管保持在其断开的状态中，在该断开的状态中，电压UDS具有和在点EIN之前一样的值。
这个最大的短路电流在假设的50℃的环境温度下导致了场效应晶体管(MOSFET)变热到约150℃(图3中的线K5)，其中，所使用的场效应晶体管无问题地承受175℃。
通过所述仿真能纯粹定性地表明，通过使用半导体开关元件能这样快地中断短路电流，使得能强烈减小并且保持掌控出现的最大的电流。
在图3中示出的变化曲线涉及下列测量参量：
K1：电压UDS，其落在场效应晶体管的漏源沟道上；
K2：栅极操控信号；电压UGS，其落在场效应晶体管的栅源引线之间；
K3：短路电流；
K4：每个晶体管的单独的短路电流；
K5：晶体管的温度。

Claims (10)

1.一种用于给机动车的电驱动装置(M)供电的车辆能量存储器(2)，该车辆能量存储器具有：
正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)，所述正电位的连接端子和负电位的连接端子在车辆能量存储器的按规定的运行中连接在驱动装置(M)上；
第一线路(23)，所述第一线路将正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)相互连接起来并且在所述第一线路中布置有至少一个电能量存储单体(EZ)；和
第二线路(24-26)，所述第二线路并联于第一线路(23)地将正电位的连接端子(21)和负电位的连接端子(22)相互连接起来并且在所述第二线路中同样布置有至少一个电能量存储单体(EZ)；其中
在第一线路(23)和第二线路(24-26)中分别布置有至少一个半导体开关元件(27)，所述半导体开关元件能被操控以中断在相应的线路中流动的电流。
2.按照权利要求1所述的车辆能量存储器(2)，还具有：
布置在所述第一线路(23)中的电流测量元件(28)，和
布置在所述第二线路(24-26)中的电流测量元件(28)，其中，电流测量元件(28)能与电流测量装置(29)连接以测量在相应的线路中流动的电流。
3.按照权利要求2所述的车辆能量存储器(2)，还具有：
配设给所述第一线路(23)的电流测量装置(29)，所述电流测量装置与布置在所述第一线路(23)中的电流测量元件(28)连接以测量在所述第一线路(23)中流动的电流；和
配设给所述第二线路(24-26)的电流测量装置(29)，所述电流测量装置与布置在所述第二线路(24-26)中的电流测量元件(28)连接以测量在所述第二线路(24-26)中流动的电流；其中，
配设给所述第一线路(24-26)的电流测量装置(29)设置用于，测量在所述第一线路(23)中流动的电流，并且当在所述第一线路(23)中流动的电流超过了阈值时，操控布置在所述第一线路(23)中的半导体开关元件(27)以中断流动的电流，并且
配设给所述第二线路(24-26)的电流测量装置(29)设置用于，测量在所述第二线路(24-26)中流动的电流，并且当在所述第二线路(24-26)中流动的电流超过了阈值时，操控布置在所述第二线路(24-26)中的半导体开关元件(27)以中断流动的电流。
4.按照权利要求2所述的车辆能量存储器(2)，还具有：
配设给所述第一线路(23)和所述第二线路(24-26)的电流测量装置，所述电流测量装置与所述电流测量元件(28)连接以测量在相应的线路中流动的电流；其中，
电流测量装置设置用于：
测量在所述第一线路(23)中流动的电流和在所述第二线路(24-26)中流动的电流，并且
当在所述第一线路(23)中流动的电流或在所述第二线路(24-26)中流动的电流超过了阈值时，操控布置在所述第一线路(23)中的半导体开关元件(27)和布置在所述第二线路(24-26)中的半导体开关元件(27)以中断在相应的线路中流动的电流。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的车辆能量存储器(2)，其中，配设给所述第一线路(23)和/或所述第二线路(24-26)的电流测量装置(29)包括比较器电路，所述比较器电路将通过所述相应的电流测量元件(28)测得的电流与所述阈值相比较并且在流动的电流超过所述阈值时操控所述半导体开关元件(27)以中断流动的电流。
6.按照权利要求3至5中任一项所述的车辆能量存储器(2)，其中，在所述第一线路和/或所述第二线路中分别布置有多个半导体开关元件(27)，并且所述多个半导体开关元件(27)包括一组并联的半导体开关元件(27)，当在相应的线路中流动的电流超过了所述阈值时，通过相应的电流测量装置(29)操控所述一组并联的半导体开关元件(29)，共同地用于中断在相应的线路中流动的电流。
7.按照权利要求6所述的车辆能量存储器(2)，其中，
在所述第一线路(23)中布置有所述一组并联的半导体开关元件(27)，当在所述第一线路(23)中流动的电流沿特定的电流方向超过所述阈值时，通过配设给第一线路的电流测量装置(29)操控所述一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在所述第一线路中流动的电流；
在所述第二线路(24-26)中布置有所述一组并联的半导体开关元件，当在所述第二线路(24-26)中流动的电流沿特定的电流方向超过所述阈值时，通过配设给所述第二线路(24-26)的电流测量装置(29)操控所述一组并联的半导体开关元件，共同地用于中断在所述第二线路(24-26)中流动的电流；
在所述第一线路和所述第二线路中的所述多个半导体开关元件(27)包括另一组并联的半导体开关元件(27)；
当在所述第一线路(23)中流动的电流沿与所述特定的电流方向相反的电流方向超过阈值时，通过配设给所述第一线路(23)的电流测量装置(29)操控布置在所述第一线路(23)中的另一组并联的半导体开关元件(27)，共同地用于中断在所述第一线路(23)中流动的电流；并且
当在所述第二线路(24-26)中流动的电流沿与所述特定的电流方向相反的电流方向超过阈值时，通过配设给所述第二线路(24-26)的电流测量装置(29)操控布置在所述第二线路(24-26)中的另一组并联的半导体开关元件(27)，共同地用于中断在所述第二线路(24-26)中流动的电流。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的车辆能量存储器(2)，该车辆能量存储器还具有：
开关装置(210)，所述开关装置与彼此并联布置的线路串联布置并且具有至少一个另外的半导体开关元件(214)，其中，开关装置(210)设置用于，根据控制信号操控所述另外的半导体开关元件(214)以中断流过车辆能量存储器(2)的总电流。
9.一种用于给机动车的电驱动装置(M)供电的车辆能量存储器系统(1)，所述车辆能量存储器系统具有：
按照权利要求8所述的车辆能量存储器(2)；和
车辆存储器控制装置(3)，所述车辆存储器控制装置与开关装置(210)的用于中断流过车辆能量存储器(2)的总电流的所述另外的半导体开关元件(214)以及与电流测量装置(29)连接，以便获得有关在第一线路和/或第二线路中流动的电流是否超过相应的阈值的信息，其中，
所述车辆存储器控制装置设置用于，当在第一线路中和/或第二线路中流动的电流超过了相应的阈值时，操控所述另外的半导体开关元件(214)，以用于中断流过车辆能量存储器(2)的总电流。
10.机动车，所述机动车具有按照权利要求1至8中任一项所述的车辆能量存储器(2)或按照权利要求9所述的车辆能量存储器系统(3)。
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