DE102012016246A1 - Switching circuit for voltage source e.g. fuel cell stack, has semiconductor switch that generates conductive switching signal, when predetermined condition is not satisfied operation of voltage source - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses einer Spannungsquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, eine Spannungsquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 8, sowie ein Betriebsverfahren zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses einer Spannungsquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9.The invention relates to a circuit for producing a low-impedance termination of a voltage source according to the preamble of
Im Automobilbereich sind Spannungen > 60 VDC in abgeschalteten Systemen nicht erlaubt und somit zu verhindern. Die Spannung muss daher nach Abschalten des Systems fristgerecht abgebaut werden. Dazu wird in Komponenten mit Ladungsspeicher eine proaktive Entladung gefordert, welche zumindest die in dem jeweiligen System verbaute Kapazität fristgerecht entladen muss. Bei einem Brennstoffzellensystem kann sich unter ungünstigen Umständen eine Spannung aufbauen, die zuverlässig unter 60 V zu halten ist, wenn sich das System nicht im Betriebsmodus befindet (insbesondere um Gefahren bei Servicearbeiten zu vermeiden).In the automotive industry, voltages> 60 V DC are not permitted in switched-off systems and should therefore be prevented. The voltage must therefore be removed after the system has been switched off in due time. For this purpose, in components with charge storage, a proactive discharge is required, which must at least discharge the capacity installed in the respective system in due time. In a fuel cell system, under unfavorable circumstances, a voltage can build up that is reliably kept below 60 V when the system is not in operating mode (especially to avoid hazards during servicing).
Aus der
Pyrotechnische Schalter haben den Nachteil, dass sie nur einmal gezündet werden können und nach dem Zünden im Allgemeinen in einem niederohmigen Zustand verbleiben und die Spannungsquelle (beispielsweise der Brennstoffzellenstapel) danach nicht wieder ohne werkstattseitigen Eingriff in Betrieb genommen werden kann.Pyrotechnic switches have the disadvantage that they can only be ignited once and generally remain in a low-resistance state after ignition and that the voltage source (for example the fuel cell stack) can not then be put into operation again without workshop intervention.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Spannungsquelle (beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel) nach einer Notabschaltung ohne werkstattseitigen Eingriff wieder in Betrieb genommen werden kann.It is therefore an object of the present invention, a circuit and an operating method of the type mentioned in such a way that the voltage source (for example, a fuel cell stack) can be put back into operation after an emergency shutdown without workshop intervention.
Diese Aufgabe wird durch einen Schaltkreis mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Spannungsquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by a circuit having the features of
Zur Realisierung einer Inbetriebnahme ohne werkstattseitigen Eingriff nach einer Notabschaltung ist es bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis vorgesehen, dass der Schaltkreis zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses einer Spannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss einen Halbleiterschalter und eine Steuerschaltung umfasst, wobei der Halbleiterschalter einen ersten und einen zweiten Arbeitsanschluss sowie mindestens einen Steueranschluss aufweist, wobei der Halbleiterschalter dazu vorbereitet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsanschluss mittels eines Signals leitend geschaltet zu werden und die Steuerschaltung dazu vorbereitet ist, das Signal zum Leitendschalten des Halbleiterschalters zu erzeugen, wenn mindestens eine vorbestimmte Umgebungsbedingung zum Betrieb der Spannungsquelle nicht erfüllt ist. Entsprechendes gilt für die Spannungsquelle, welche einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses der Spannungsquelle umfasst.To realize a commissioning without workshop intervention after an emergency shutdown, it is provided in the circuit according to the invention that the circuit for producing a low-impedance termination of a voltage source having a first and a second supply terminal comprises a semiconductor switch and a control circuit, wherein the semiconductor switch has a first and a second Working terminal and at least one control terminal, wherein the semiconductor switch is prepared to be switched between the first and the second working port by means of a signal and the control circuit is prepared to generate the signal for Leitendschill the semiconductor switch, if at least one predetermined ambient condition for Operation of the voltage source is not fulfilled. The same applies to the voltage source, which comprises a circuit according to the invention for producing a low-impedance termination of the voltage source.
Entsprechend umfasst das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zum Herstellen eines niederohmigen Abschlusses einer Spannungsquelle folgende Schritte:
- – Überwachen einer Spannung einer Spannungsquelle;
- – Erzeugen eines Signals, sobald mindestens eine vorbestimmte Umgebungsbedingung zum Betrieb der Spannungsquelle nicht erfüllt ist; und
- – Kurzschließen der Spannungsquelle mittels eines auf Durchlass-Schaltens eines Halbleiterschalters.
- - monitoring a voltage of a voltage source;
- - generating a signal as soon as at least one predetermined ambient condition for operation of the voltage source is not met; and
- - Short-circuiting of the voltage source by means of on-pass switching of a semiconductor switch.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann eine Spannungsfreiheit an Anschlusspolen einer Spannungsquelle jederzeit garantiert werden, wenn sich die Spannungsquelle im Nicht-Betriebsmodus befindet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei der Spannungsquelle um einen ausgebauten Brennstoffzellenstapel handelt.The proposed measures a voltage at connection terminals of a voltage source can be guaranteed at any time when the power source is in non-operating mode. This is particularly advantageous if the voltage source is a removed fuel cell stack.
Bevorzugt ist, dass eine vorbestimmte Umgebungsbedingung zum Betrieb der Spannungsquelle als nicht erfüllt gilt, wenn bei Nichtanliegen eines externen Signals an dem Steueranschluss eine Klemmenspannung überschritten wird.It is preferred that a predetermined ambient condition for operation of the voltage source is considered not satisfied if a terminal voltage is exceeded in the absence of an external signal at the control terminal.
Optional kann der Schaltkreis dazu vorbereitet sein, den Halbleiterschalter passiv oder mittels eines Signals auf Nicht-Durchlass zu schalten, sobald vorbestimmte Umgebungsbedingungen zum Betrieb der Spannungsquelle erfüllt sind. Außerdem ist die Entladung im Gefahrenfall reversibel. Dies bedeutet, dass der Anwender nach einer Gefahrenabschaltung die Spannungsquelle mit der Sicherheitsschaltung (Entladeschaltung und/oder niederohmigen Abschluss) ohne Werkstatteingriff wieder in Betrieb nehmen kann, wenn das Hochvoltsystem noch intakt ist. Die Entladevorrichtung kann auch in Spannungsnetzen verwendet werden, um zu verhindern, dass zu schwach ausgelegte Entladevorrichtungen einzelner Hochvoltkomponenten auf Grund einer zu hohen Restladung im Spannungsnetz überlastet werden. Wenn der Halbleiterschalter ein Thyristor ist, der nur durch Unterschreiten seines Haltestroms nichtleitend geschaltet werden kann und wenn die Spannungsquelle eine Brennstoffzelle ist, dann kann das Nicht-Leitendschalten des Thyristors auch durch Fernhalten mindestens eines der Reaktanten (Reaktionsedukte) von der Brennstoffzelle bewirkt werden.Optionally, the circuit may be prepared to switch the semiconductor switch passively or by a signal to non-passing once predetermined environmental conditions for operating the voltage source are met. In addition, the discharge is reversible in case of danger. This means that the user can restart the voltage source with the safety circuit (discharge circuit and / or low-impedance termination) after a danger shutdown without the intervention of the garage, if the high-voltage system is still intact. The discharge device can also be used in voltage networks in order to prevent overcharging devices of individual high-voltage components that are designed too weakly being overloaded due to an excessively high residual charge in the voltage network. If the semiconductor switch is a thyristor that can be rendered non-conductive only by dropping its holding current and if the voltage source is a fuel cell, then the thyristor can not be turned off by removing at least one of the reactants from the fuel cell.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Steuerschaltung eine Auslösevorrichtung umfasst, die dazu vorbereitet ist, direkt oder mittelbar ein Signal zum Leitendschalten des Halbleiterschalters zu erzeugen, wenn eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsanschluss eine vorbestimmte Spannungsgrenze überschreitet.It is also expedient if the control circuit comprises a tripping device that is prepared to directly or indirectly generate a signal for conducting the semiconductor switch when a voltage between the first and the second working connection exceeds a predetermined voltage limit.
Ebenso bevorzugt ist, wenn die Steuerschaltung eine Diagnosevorrichtung umfasst, die dazu vorbereitet ist, eine Funktionalität einer Spannungsüberwachung, eines Gatetreibers, einer Auslöseschaltung, eines Stroms durch den Halbleiterschalter, einer Funktionalität des Halbleiterschalters und/oder einer Eigenschaft des Halbleiterschalters zu überwachen. Der Schaltkreis kann dazu genutzt werden, einen Brennstoffzellenstapel im Falle eines Unfalls mittels Kurzschließens und Entladens spannungsfrei zu schalten. Bei Verwendung eines reversiblen statt eines irreversiblen Halbleiterschalters (Kurzschlusselements) kann ein Spannungsaufbau im Ruhezustand verhindert werden.It is also preferred if the control circuit comprises a diagnostic device which is prepared to monitor a functionality of a voltage monitor, a gate driver, a triggering circuit, a current through the semiconductor switch, a functionality of the semiconductor switch and / or a property of the semiconductor switch. The circuit can be used to switch a fuel cell stack in the event of an accident by means of short-circuiting and discharging voltage. When using a reversible instead of an irreversible semiconductor switch (short-circuit element), a build-up of stress at rest can be prevented.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Steuerschaltung einen Gatetreiber umfasst, der dazu vorbereitet ist, den Halbleiterschalter auf Anweisung der Auslöseschaltung auf Durchlass zu schalten.A particularly preferred embodiment provides that the control circuit comprises a gate driver, which is prepared to switch the semiconductor switch on the instruction of the trigger circuit on passage.
Außerdem kann die Steuerschaltung einen potentialfreien symmetrischen oder unsymmetrischen Steueranschluss umfassen, der dazu vorbereitet ist, bei Anliegen eines Deaktivierungssignals an dem Steueranschluss in der Steuerschaltung eine Erzeugung des Signals zum Leitendschalten des Halbleiterschalters zu deaktivieren.In addition, the control circuit may comprise a potential-free balanced or unbalanced control terminal, which is prepared to deactivate generation of the signal to turn off the semiconductor switch upon application of a deactivation signal to the control terminal in the control circuit.
Vorteilhaft kann sein, wenn das Betriebsverfahren auch einen Schritt umfasst, in welchem der Halbleiterschalter auf Nicht-Durchlass geschaltet wird, sobald vorbestimmte Umgebungsbedingungen erfüllt sind.It can be advantageous if the operating method also includes a step in which the semiconductor switch is switched to non-passage as soon as predetermined environmental conditions are met.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltkreises wiedergibt.The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows a schematic structure of a circuit according to the invention.
Die Figur zeigt eine Spannungsquelle
Die Steuerschaltung
Die Spannungsversorgungseinheit
Die Steuerschaltung
Das Ausführungsbeispiel hat folgende funktionale Eigenschaften: Ohne Signal am Steueranschluss
Die Diagnosevorrichtung
Liegt an dem Steueranschluss
Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise für folgende Anwendungen genutzt werden:
- – Schnellentladung zur Sicherstellung einer Spannungsfreiheit bei gleichzeitiger Verfügbarkeit nach einer Notabschaltung;
- – Verhinderung eines Wiederaufbaus der Spannung (bei Brennstoffzellen grundsätzlich denkbar);
- – Start des Brennstoffzellenstapels gegen einen niederohmigen Abschluss (bei sehr tiefen Temperaturen ist eine schnelle Erwärmung des Brennstoffzellenstapels möglich; sogenannter ”Freeze Start-up”; ein ”Freeze Start-up” kann beendet werden, sobald der Brennstoffzellenstapel eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat oder einen vorbestimmten Strom liefert. Der Strom durch den Thyristor kann beispielsweise mittelbar anhand einer Erwärmung des Thyristors oder anhand einer Messung eines Spannungsabfalls überwacht werden.);
- – zentrale Entladeeinheit innerhalb eines Hochvoltsystems, Absicherung gegen einen unbeabsichtigten Spannungsaufbau (beispielsweise über 12 V/400 V DC-DC-Wandler für 100 mW);
- – niederohmiger Abschluss eines Quellensystems, welches nicht vollständig galvanisch getrennt werden kann (beispielsweise bei Batteriesystem mit Halbleiterschalter zur Trennung); und
- – Notabschaltung einer Quelle/Batterie, die (evtl. nur) durch eine Schmelzsicherung gesichert ist.
- - Fast discharge to ensure a voltage-free with simultaneous availability after an emergency shutdown;
- - Preventing a rebuilding of the voltage (in fuel cells in principle conceivable);
- - Start of the fuel cell stack against a low-impedance termination (at very low temperatures a rapid warming of the fuel cell stack is possible, so-called "freeze start-up", a "freeze start-up" can be terminated as soon as the fuel cell stack has reached a predetermined temperature or a For example, the current through the thyristor may be indirectly monitored by heating the thyristor or by measuring a voltage drop.);
- - Central discharge unit within a high-voltage system, protection against unintentional voltage build-up (for example, over 12 V / 400 V DC-DC converter for 100 mW);
- Low-resistance termination of a source system, which can not be completely galvanically isolated (for example, in battery system with semiconductor switch for separation); and
- - emergency shutdown of a source / battery, which is (possibly only) secured by a fuse.
Der Halbleiterschalter
Typischerweise umfasst die Entladevorrichtung zwei Hochvoltanschlüsse
Optional kann die Steuerschaltung
- – Selbstaktivierung ohne Fremdversorgung bei Anstieg über eine kritische Spannung (beispielsweise über 60 V);
- – einen galvanisch getrennten Steueranschluss
50 zur Deaktivierung der Selbstaktivierung, vorzugsweise in 2-Leitertechnik (bei Redundanz in 4-Leitertechnik); - – Selbstdiagnose und Kommunikation über den galvanisch getrennten Steueranschluss
50 , ggf. über eine Steuerleitung; - – Zur Deaktivierung eines durchgeschalteten Thyristors gibt es folgende Möglichkeiten:
- – Es kann ein GTO-Thyristor (Gate-Turn-Off-Thyristor) verwendet werden.
- – Wenn der Halbleiterschalter ein Thyristor ist, der nur durch Unterschreiten des Haltestroms nichtleitend geschaltet werden kann und wenn die Spannungsquelle eine Brennstoffzelle ist, dann kann das Nicht-Leitendschalten des Thyristors auch durch Fernhalten mindestens eines der Reaktanten (Reaktionsedukte) von der Brennstoffzelle bewirkt werden. Der Abfall des Stroms unter den Haltestrom des Thyristors kann beschleunigt werden, indem ein Thyristor mit einem hohen Haltestrom verwendet wird (allerdings ist ein hoher Haltestrom üblicherweise eine unerwünschte Eigenschaft von Thyristoren).
- – Anstelle eines GTO-Thyristors oder eines Thyristors mit einem hohen Haltestrom kann auch ein konventioneller Thyristor parallel zu einem MOS-FET verwendet werden. Zur Deaktivierung des Thyristors kann der MOSFET den Thyristor bei kleineren bis mittleren Strömen den Thyristor in den nichtleitenden Zustand versetzen, indem er die Arbeitsanschlüsse des Thyristors kurzschließt. Dies kann beispielsweise zur Freigabe des Thyristors nach einem Kaltstart (Betrieb des Brennstoffzellenstapels gegen einen niederohmigen Abschluss) zur Anwendung kommen.
- - self-activation without external supply when rising above a critical voltage (for example above 60 V);
- - a galvanically
isolated control connection 50 for deactivation of self-activation, preferably in 2-wire technology (with redundancy in 4-wire technology); - - Self-diagnosis and communication via the galvanically isolated
control connection 50 , if necessary via a control line; - - To deactivate a thyristor switched through, there are the following options:
- - A GTO thyristor (gate turn-off thyristor) can be used.
- If the semiconductor switch is a thyristor which can be made non-conductive only by dropping the holding current and if the voltage source is a fuel cell, then the thyristor can not be turned off by keeping at least one of the reactants (reaction educts) from the fuel cell. The drop in current below the holding current of the thyristor can be accelerated by using a high holding current thyristor (however, a high Holding current usually an undesirable feature of thyristors).
- - Instead of a GTO thyristor or a thyristor with a high holding current and a conventional thyristor can be used in parallel to a MOS-FET. To deactivate the thyristor, the MOSFET can put the thyristor in the non-conducting state at low to medium currents by short-circuiting the working terminals of the thyristor. This can be used, for example, to enable the thyristor after a cold start (operation of the fuel cell stack against a low-impedance termination).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Spannungsquellevoltage source
- 1111
- erster Versorgungsanschlussfirst supply connection
- 1212
- zweiter Versorgungsanschluss,second supply connection,
- 2020
- Schaltkreis; EntladeschaltungCircuit; discharge
- 2121
- erster Hochvoltanschluss der Entladevorrichtungfirst high-voltage connection of the unloading device
- 2222
- zweiter Hochvoltanschluss der Entladevorrichtungsecond high-voltage connection of the unloading device
- 2323
- HalbleiterschalterSemiconductor switches
- 2424
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 2626
- Auslösevorrichtungtriggering device
- 2828
- Diagnosevorrichtungdiagnostic device
- 3131
- erster Arbeitsanschlussfirst work connection
- 3232
- zweiter Arbeitsanschlusssecond work connection
- 3333
- Steueranschlusscontrol connection
- 4242
- SpannungsversorgungseinheitPower supply unit
- 4444
- Gatetreibergate drivers
- 5050
- Steueranschlusscontrol connection
- 5252
- NiederspannungsversorgungseinheitLow-voltage supply unit
- UU
- Spannung zwischen VersorgungsanschlüssenVoltage between supply connections
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2012-08-16 DE DE102012016246A patent/DE102012016246A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R230 | Request for early publication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |