CN113196664A - 用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于方向相关地运行电化学能量存储器(101)的设备(100)，所述电化学能量存储器具有第一半导体开关(102)、第二半导体开关(104)、第一测量装置(106)和第二测量装置(107)，所述第一半导体开关包括第一反向二极管(103)，所述第二半导体开关包括第二反向二极管(105)，其特征在于，所述第一半导体开关(102)和所述第二半导体开关(104)串联连接，所述第一测量装置(106)设置用于，检测所述第一反向二极管(103)上的第一电压测量值，并将所述第一电压测量值与预先确定的第一极限值进行比较，其中，根据所述第一电压测量值与所述预先确定的第一极限值的比较能够操控所述第一半导体开关(102)，所述第二测量装置(107)设置用于，检测所述第二反向二极管(105)上的第二电压值，并将第二电压测量值与预先确定的第二极限值进行比较，根据所述第二电压测量值与所述预先确定的第二极限值的比较能够操控所述第二半导体开关。

Description

用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备和方法，以及具有这种设备的车辆。
背景技术
电池管理系统具有用于阻断或断开电流流动的隔离开关，如继电器或半导体开关。隔离开关作为普通的开关运行并且对电流方向不敏感。这意味着电流可以双向流动，使得能够同时进行电池的充电和放电。在此使用的半导体开关例如是Mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，其具有本征(intrinsische)的体二极管。
其缺点在于，不能够方向相关地切换隔离开关，因为体二极管中的损耗会非常大。
还已知以下电池管理系统，其具有用于充电和放电的单独的连接部。在此，半导体开关彼此布置在并联电路中。
其缺点在于，不能够通过负载实现能量反馈。
本发明的任务在于克服这些缺点。
发明内容
用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备包括第一半导体开关、第二半导体开关、第一测量装置和第二测量装置，其中，第一半导体开关包括第一反向二极管(Inversdiode)，且第二半导体开关包括第二反向二极管。根据本发明，第一半导体开关和第二半导体开关串联连接。第一测量装置设置用于，检测第一反向二极管上的第一电压值，并将第一电压测量值与预先确定的第一极限值进行比较。可以根据第一电压测量值与预先确定的第一极限值的比较来操控第一半导体开关。第二测量装置设置用于，检测第二反向二极管上的第二电压值，并将第二电压测量值与预先确定的第二极限值进行比较。可以根据第二电压测量值与预先确定的第二极限值的比较来操控第二半导体开关。换句话说，根据相应的反向二极管上的各个所检测的电压测量值与各个预先确定的极限值的比较，能够接通或关断第一半导体开关和第二半导体开关。
其优点在于，能够实现电化学能量存储器的设备的方向相关的运行，其中，能够调节电化学能量存储器的各个运行状态，即充电或放电。
在一种扩展方案中，第一半导体开关和第二半导体开关分别是场效应晶体管，尤其是MOSFET。
在此有利的是，在高达60V的电压下的导通电阻(Rdson)很低。
在另一构型中，第一反向二极管和第二反向二极管分别是场效应晶体管的体二极管。
在一种扩展方案中，第一半导体开关和第二半导体开关分别是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。
在此有利的是，设备适用于高电压级别。
根据本发明的车辆包括根据本发明的用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备。根据本发明的车辆尤其是电动两轮车，例如电动摩托车(Roller)。
在此有利的是，能够调节车辆的各个运行状态，即充电、放电或行驶。
根据本发明的用于方向相关地运行电化学能量存储器的方法包括：接通第一半导体开关，检测第二半导体开关的第二反向二极管的第二电压测量值，将第二半导体开关的第二反向二极管的第二电压测量值与预先确定的第二极限值进行比较，根据第二电压测量值与预先确定的第二极限值的比较来操控第二半导体开关。换句话说，电化学能量存储器能够方向相关地运行，其中，在电化学能量存储器的放电过程中阻止电化学能量存储器的同时的充电，反之亦然。
其优点在于，能够实现电化学能量存储器的方向相关的运行，其中，能够调节电化学能量存储器的各个运行状态，即充电或放电。
在一种扩展方案中，第二电压测量值借助第二测量装置来检测，其中，第二测量装置包括比较器。
在此有利的是，测量装置能够成本有利地实现。
在另一构型中，根据关断信号进行第一半导体开关和第二半导体开关的操控。
在一种扩展方案中，根据过电流信号进行第一半导体开关和第二半导体开关的操控。
其优点在于，在高于允许的电流时，两个半导体同时关断，并且能够节省主路径中的过电流安全装置。
由以下实施例的描述或从属权利要求得到其他优点。
附图说明
以下根据优选的实施方式和附图阐述本发明。附图示出：
图1示出用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备；
图2示出用于方向相关地运行电化学能量存储器的方法。
具体实施方式
图1示出用于方向相关地运行电化学能量存储器101的设备100。设备100包括第一半导体开关102、第二半导体开关104、负载108和充电单元109。能量存储器101、第一半导体开关102、第二半导体开关104和负载108串联连接。充电单元109与负载108并联连接。第一半导体开关102包括第一反向二极管103。第二半导体开关104包括第二反向二极管105。第一半导体开关102具有第一连接部120、第二连接部121和第三连接部122，其中，第二连接部121用作控制连接部。第二半导体开关104具有第四连接部123、第五连接部124和第六连接部125，其中，第五连接部124用作控制连接部。
第一反向二极管103的阴极与第一半导体开关102的第一连接部120电连接，第一反向二极管103的阳极与第一半导体开关102的第三连接部122电连接。第二反向二极管105的阴极与第二半导体开关104的第四连接部123电连接，第二反向二极管104的阳极与第二半导体开关104的第六连接部125电连接。
换句话说，第一反相二极管103相对于电化学能量存储器101布置在阻断方向(Sperrichtung)上，因为第一反相二极管103的阴极与电化学能量存储器101的正极电连接。第二反向二极管105相对于电化学能量存储器101布置在导通方向(Durchlassrichtung)上，因为当第一半导体开关102接通时，第二反向二极管105的阳极与电化学能量存储器101的正极电连接。
第一测量装置106与第一反向二极管103的阴极以及第一反向二极管103的阳极电连接。第二测量装置107与第二反向二极管105的阴极以及第二反向二极管105的阳极电连接。
第一测量装置106设置用于检测第一反向二极管103上的电压降并且产生第一信号，该第一信号被发送或施加到第一或门112的输入端。第二测量装置107设置用于检测第二反向二极管105上的电压降并且产生第二信号，该第二信号被发送或施加到第二或门113的输入端。第一反向二极管和第二反向二极管上的电压降的检测在设备100的运行中持续进行。
第一或门112具有多个输入端和一个第一输出端。第一输出端与第一与门114的输入端电连接。第一与门114的输出端与第一驱动级116电连接。第一驱动级116设置用于操控或者说切换第一半导体开关102。
第二或门113具有多个输入端和一个第二输出端。第二输出端与第二与门115的输入端电连接。第一与门115的输出端与第二驱动级117电连接。第二驱动级117设置用于操控或者说切换第二半导体开关104。
附加地，设备100包括第一反相器118，其检测关断信号作为输入信号，并且在输出侧与第一与门114以及第二与门115的输入端电连接。设备100包括第二反相器119，其检测过电流信号作为输入信号，并且在输出侧与第一与门114以及第二与门115的另一输入端电连接。过电流信号在此由另一测量装置111产生，其中，测量装置111检测另一电阻110上的电压降。
第一半导体开关102和第二半导体开关104例如构型为晶体管的形式。它们可以实施为要么n沟道、要么p沟道晶体管。在一种实施例中，第一半导体开关102和第二半导体开关104是场效应晶体管，尤其是Mosfet。第一反向二极管103和第二反向二极管105是Mosfet的体二极管。替代地，第一半导体开关102和第二半导体开关104可以构型为IGBT。
电化学能量存储器101包括例如锂离子电池。在一种实施例中，第一半导体开关102和第二半导体电路具有共同的源极连接部。在另一实施例中，第一半导体开关102和第二半导体开关104具有共同的漏极连接部。
第一半导体开关102和第二半导体开关104也可以布置在电化学能量存储器101的负路径(Minuspfad)中。
根据所需的电流负载能力或电流需求，能够并联连接多个对(Paar)的半导体开关，其中，一个第一半导体开关102和一个第二半导体开关101分别形成一个对的半导体开关。
第一测量装置106和第二测量装置107主要包括模拟构件。在一种实施例中，第一测量装置106和第二测量装置107仅仅具有模拟构件。通过模拟的结构方式，快速识别通过第一反向二极管103或第二反向二极管105的电压降或电流流动，因为可以直接使用离散的信号。数字的结构阻碍快速的识别，因为必须转换和处理信号。第一或门112、第二或门113、第一与门114、第二与门115、第一反相器118和第二反相器119实施为模拟构件。
为了开始电化学能量存储器101的方向相关的运行，借助代表电化学能量存储器101的力求的运行状态的接通信号来接通要么第一半导体开关102、要么第二半导体开关104。如果以这种方式接通第一半导体开关102，则电化学能量存储器101将被放电。如果以这种方式接通第二半导体开关104，则电化学能量存储器101将被充电。
现在将根据放电运行状态来阐述设备100的作用方式。通过驱动级116接通第一半导体开关102，其方式是，将接通信号或者说放电信号施加到第一或门112的输入端。该接通信号通过第一或门112的输出端传导至第一与门114的输入端。第一与门114具有另外的输入端，所述另外的输入端分别与第一反相器118以及第二反相器119电连接。如果第一反相器118上不存在关断信号、第二反相器119上也不存在过电流信号，则通过第一驱动级116接通第一半导体开关102。通过接通第一半导体开关102，当连接负载108时，放电电流流动通过第二反向二极管104、负载108和另外的电阻110。第二测量装置107包括比较器并且在此检测第二反向二极管105上的电压降。如果电压降超过预先确定的极限值(即第二反向二极管105的阈值电压，其约为0.7V)，则信号被传导至第二或门113的输入端。该信号被进一步传导到第二与门115的输入端。第二与门115具有另外的输入端，所述另外的输入端分别与第一反相器118以及第二反相器119电连接。如果第一反相器118上不存在关断信号、第二反相器119上也不存在过电流信号，则通过第二驱动级117接通第二半导体开关104。电能存储器101被放电。换句话说，通过接通第一半导体开关102，只有放电电流可以通过反向二极管105沿放电方向流动。反向二极管105阻断充电电流。通过测量装置107检测从放电方向到充电方向的电流方向反转并且关断第二半导体开关104。
相反，如果要对电化学能量存储器101进行充电，则首先闭合第二半导体开关104。因此，电流仅能够在充电方向上流动通过第一半导体开关102和第一反向二极管103。如果电流在充电方向上流动，则通过第一测量装置106检测到该电流，并且第一驱动级116激活第一半导体开关102。
在行驶的运行状态中，电化学能量存储器101可以被放电也可以被充电，即进行再生(Rekuperation)。在这种状态下，第一半导体开关102和第二半导体开关104都闭合。
如果将关断信号施加到第一反相器118上或者将过电流信号施加到第二反相器119上，则第一半导体开关102和第二半导体开关104都断开。
多个电化学能量存储器101可以并联连接，使得在电池组之间不存在补偿电流的情况下实现有效的运行。
在另一实施例中，仅设置第二测量装置107和另外的测量装置111。这意味着，设备100不具有检测第一反向二极管上的电压降的测量装置。该实施例仅允许放电并阻止充电电流。由此，放电电流总是能够流动，并且保护电化学能量存储设备免于不允许的充电电流。
图2示出了用于方向相关地运行电化学能量存储器的方法200。方法200始于接通210第一半导体开关。借助例如代表放电模式或充电模式的接通信号接通第一半导体开关。在随后的步骤220中，借助第二测量装置检测第二半导体开关的第二反向二极管上的电压降。
在随后的步骤230中，将电压降与预先确定的极限值进行比较。预先确定的极限值在此代表第二反向二极管的阈值电压，通常为0.7V。如果电压降大于阈值，则第二测量装置产生第二信号，该第二信号被发送到第二或门的输入端。如果电压降小于阈值，则不产生第二信号，该方法继续进行步骤220。在步骤230之后的步骤240中，连接第二或门，并且借助下游的第二驱动电路来操控或接通第二半导体开关。
在第一实施例中，能量存储器被放电。接通信号被施加到第一或门的输入端中的一个上，使得通过第一驱动电路接通第一半导体开关。这意味着第一半导体开关、例如Mosfet被激活，电流流动通过第一半导体开关和第二反向二极管、例如第二Mosfet的体二极管，至负载。第二测量值装置监测第二反向二极管上的电压或者说电压降。如果电流流动通过第二反向二极管，第二反向二极管上的电压就会下降。如果达到第二反向二极管的阈值电压，则接通第二半导体开关。
通过第二测量装置和大约0.7V的阈值接通第二半导体开关。在导通的状态下，第二半导体开关具有约1mΩ的接触电阻
Figure BDA0003120805630000071
具体取决于所使用的MOSFET。如果放电电流流过，则第二测量装置上的电压降为正，即从阳极到阴极的正电压降。测量装置如此设计，使得能够识别电流方向反转、即从阳极到阴极的负电压降，然后关断第二半导体开关。
换句话说，开启放电方向。持久地接通第一半导体开关。如果放电电流能够流动通过第二反向二极管，即，第二反向二极管上的电压降高于阈值，则通过第二测量值检测来开启第二半导体开关。在从放电到充电的电流方向反转的情况下，由第二测量值检测来识别该电流方向反转，并且关断第二半导体开关。放电方向始终仍开启，第二半导体开关在放电电流下自动接通，并在充电电流下自动关断。
在第二实施例中，能量存储器被充电。用于方向相关地运行用于充电状态的电化学能量存储器的方法包括：接通第二半导体开关；检测第一半导体开关的第一反向二极管的第一电压测量值；将第一半导体开关的第一反向二极管的第一电压测量值与预先确定的第一极限值进行比较；根据第一电压测量值与预先确定的第二极限值的比较来操控第一半导体开关。
将接通信号或者说充电信号施加到第二或门的输入端之一上，使得通过第二驱动电路接通第二半导体开关。这意味着激活第二Mosfet，并且电流流动通过第二半导体开关和第一反向二极管、例如第一Mosfet的体二极管，至负载。第一测量值装置监测第一反向二极管上的电压或者说电压降。如果电压降达到第一反向二极管的阈值电压，则电流流动通过第一反向二极管并且接通第一半导体开关。
设备因此能够方向相关地切换电流流动。通过接通晶体管之一，电流仅能够在一个方向上流动。因此预给定电流方向。相反方向的电流被阻断。此外，可以识别和阻止电流方向反转。
用于方向相关地运行用于行驶状态(即充电和放电)的电化学能量存储器的方法包括接通第一和第二半导体开关。
换句话说，根据本发明能够实现方向相关地切换第一半导体开关和第二半导体开关。为此，检测体二极管上的电压降并自动地接通MOSFET。

Claims (9)

1.一种用于方向相关地运行电化学能量存储器(101)的设备(100)，所述电化学能量存储器具有第一半导体开关(102)、第二半导体开关(104)、第一测量装置(106)和第二测量装置(107)，所述第一半导体开关包括第一反向二极管(103)，所述第二半导体开关包括第二反向二极管(105)，其特征在于，所述第一半导体开关(102)和所述第二半导体开关(104)串联连接，并且所述第一测量装置(106)设置用于检测所述第一反向二极管(103)上的第一电压测量值并将所述第一电压测量值与预先确定的第一极限值进行比较，其中，根据所述第一电压测量值与所述预先确定的第一极限值的比较能够操控所述第一半导体开关(102)，并且所述第二测量装置(107)设置用于检测所述第二反向二极管(105)上的第二电压值并将第二电压测量值与预先确定的第二极限值进行比较，其中，根据所述第二电压测量值与所述预先确定的第二极限值的比较能够操控所述第二半导体开关。
2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述第一半导体开关(101)和所述第二半导体开关(102)分别是场效应晶体管，尤其是MOSFET。
3.根据权利要求2所述的设备(100)，其特征在于，所述第一反向二极管(103)和所述第二反向二极管(105)分别是体二极管。
4.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述第一半导体开关(102)和所述第二半导体开关(104)分别是IGBT。
5.一种车辆，尤其是电动二轮车，所述车辆具有根据权利要求1至4中任一项所述的用于方向相关地运行电化学能量存储器的设备。
6.一种用于方向相关地运行电化学能量存储器的方法(200)，所述方法具有步骤：
接通(210)第一半导体开关；
检测(220)第二半导体开关的第二反向二极管的第二电压测量值；
将所述第二半导体开关的第二反向二极管的第二电压测量值与预先确定的第二极限值进行比较(230)；
根据所述第二电压测量值与所述预先确定的第二极限值的所述比较来操控(240)所述第二半导体开关。
7.根据权利要求6所述的方法(200)，其特征在于，借助第二测量装置来检测所述第二电压测量值，所述第二测量装置具有比较器。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，根据关断信号来操控(240)所述第一半导体开关和所述第二半导体开关。
9.根据权利要求6或7中任一项所述的方法(200)，其特征在于，根据过电流信号来操控(240)所述第一半导体开关和所述第二半导体开关。
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