DE102012210600B4 - Lade- und/oder Trenneinrichtung für ein Batteriesystem - Google Patents

Lade- und/oder Trenneinrichtung für ein Batteriesystem Download PDF

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Abstract

Batteriesystem (20), umfassendzwei Anschlüsse (10, 12), die über einen Batteriestrang (18) miteinander verbunden sind, wobei der Batteriestrang (18) eine Vielzahl an in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen (17) aufweist, von denen mindestens eines mindestens eine Batteriezelle (16) aufweist und dazu ausgebildet ist, per Ansteuerung zu dem Batteriestrang (18) hinzuschaltbar oder von selbigem entkoppelbar zu sein, wobei der Batteriestrang (18) ferner eine Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassdie Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) einen Halbleiterschalter (6) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (6) in einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung angeordnet ist und wobei der Halbleiterschalter (6) innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung zu einer Serienschaltung aus einem Relais sowie einem Vorladewiderstand parallel geschaltet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lade- und/oder Trenneinrichtung für ein Batteriesystem, welches als Batteriedirektkonverter für die Speisung elektrischer Antriebe zum Einsatz kommt.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, Batteriesysteme beziehungsweise Batterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen aus einer Vielzahl von Batteriezellen zusammenzusetzen. Insbesondere sogenannte Traktionsbatterien, welche innerhalb von Hybrid- und Elektrofahrzeugen für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt werden, sind aus einer Vielzahl von Batteriezellen zusammengesetzt. Um die bei diesen Fahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, werden dabei einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet.
  • Die 1 zeigt ein Batteriesystem 20 des Standes der Technik, welches zum Beispiel in einer Traktionsbatterie zur Speisung des Antriebs eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zur Anwendung kommt. Zwei Anschlüsse 10, 12 sind über einen Batteriestrang 18 miteinander verbunden. Innerhalb des Batteriestrangs 18 ist eine Vielzahl an Batteriezellen 16 in Reihe geschaltet. Zwischen einer ersten und einer zweiten Hälfte der Batteriezellen 16 des Batteriestrangs 18 ist ein als Service-Stecker ausgeführtes Schaltmittel 7 mit doppelter Kontaktierung des Batteriestrangs 18 angeordnet, über dessen Öffnung sich der Batteriestrang 18 unterbrechen beziehungsweise in zwei Teilstränge unterteilen lässt. Dabei liegt in jedem Teilstrang genau eine Hälfte der Gesamtheit der Batteriezellen 16 des Batteriestrangs 18. Des Weiteren ist in dem in 1 dargestellten Batteriesystem 20 zwischen dem ersten Anschluss 10 und den Batteriezellen 16 innerhalb des Batteriestrangs 18 eine Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 angeordnet. Diese weist zwei als Schütze ausgeführte Schaltmittel auf, wobei eines der Schaltmittel dem Batteriestrang 18 in Reihe geschaltet ist, während das andere Schaltmittel parallel zu diesem Schaltmittel und in Reihe zu einem Widerstand angeordnet ist. Über das dem Batteriestrang 18 in Reihe geschaltete Schaltmittel können die Batteriezellen 16 von dem ersten Anschluss 10 einpolig abgekoppelt werden, während über das dem Widerstand in Reihe geschaltete Schaltmittel Ausgleichsströme beim Zuschalten des Batteriesystems 20, beispielsweise an den Antrieb des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, begrenzt werden können. Zwischen dem zweiten Anschluss 12 und den Batteriezellen 16 ist eine weitere Trenneinrichtung 9 innerhalb des Batteriestrangs 18 angeordnet, welche aus einem dem Batteriestrang 18 in Reihe geschalteten Schaltmittel besteht. Durch die Öffnung dieses Schaltmittels ist der zweite Anschluss 12 von den Batteriezellen 16 einpolig abkoppelbar. Sind die beiden dem Batteriestrang 18 in Reihe geschalteten Schaltmittel der Trenneinrichtungen 8, 9 geöffnet, ist das Batteriesystem 20 zweipolig von dessen Anschlüssen 10, 12 abgekoppelt.
  • Ferner ist es dem Stand der Technik bekannt, die Batteriezellen von Batteriesystemen innerhalb von Batteriesträngen in Batteriemodulen anzuordnen, wobei die Batteriemodule über Voll- oder Halbbrücken dazu ausgebildet sind, ihrem jeweiligen Batteriestrang hinzuschaltbar oder von diesem entkoppelbar zu sein. Kombiniert man eine derartige Schaltungskonfiguration mit dem in 1 dargestellten Batteriesystem, so erhält man einen sogenannten Batteriedirektkonverter. Über das geregelte Hinzuschalten beziehungsweise Entkoppeln von Batteriezellen des jeweiligen Batteriestrangs ist es mit derartigen Batteriedirektkonvertern möglich, elektrische Antriebe zu speisen, da sich die Ausgangsspannung des Batteriedirektkonverters durch die Hinzuschaltung beziehungsweise die Entkopplung von Batteriezellen stufig einstellen lässt. Die in 1 beschriebene Lade- und/oder Trenneinrichtung wird auch bei einem Batteriedirektkonverter, welcher beispielsweise in einem Traktionsantrieb zur Anwendung kommt, dazu genutzt, um den Batteriedirektkonverter über einen Gleichspannungszwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator an den Inverter eines elektrischen Antriebes zu koppeln. Mit der Lade- und/oder Trenneinrichtung kann dabei der Gleichspannungszwischenkreiskondensator geladen werden, wodurch die Ladeströme auf zulässige Werte begrenzt werden können.
  • Üblicherweise wird, wie in 1 dargestellt, die Lade- und/oder Trenneinrichtung sowie die Trenneinrichtung unter Verwendung von Schützen oder Relais sowie einem dazu in Serie geschaltetem Vorwiderstand realisiert. Die dabei zur Anwendung kommenden Bauelemente sind groß, schwer und weisen eine hohe Ausfallrate auf. Des Weiteren werden die lauten Schaltgeräusche der Schütze beim Zuschalten der Batterie vom Menschen oft als störend empfunden.
  • Aus der DE 10 2007 043 919 A1 sind daher Ansätze bekannt, die Verwendung von Schützen beziehungsweise Relais bei der Realisierung von Lade- und/oder Trenneinrichtungen zu umgehen. So zeigt die DE 10 2007 043 919 A1 beispielsweise eine Lade - und/oder Trennschaltung, insbesondere für Fahrzeugbordnetze, welche anstelle von Schützen unter anderem drei Dioden aufweist.
  • Aus der Schrift DE 10 2009 000 674 A1 ist ein Batteriesystem mit mehreren Batteriemodulen bekannt, die mittels einer Trenneinrichtung abgeschaltet oder angebunden werden können. Die Trenneinrichtung kann dabei als elektromechanischer und/oder elektronischer Schalter realisiert werden.
  • Weitere Batteriestränge mit Lade- und Trenneinrichtungen sind aus den Schriften DE 10 2010 007 452 A1 , US 2011 / 0 234 177 A1 , US 2003 / 0 137 791 A1 sowie DE 10 2005 002 490 A1 bekannt.
  • Aus den Schriften US 2007 / 0 121 257 A1 und GB 2 479 535 A sind eine Schaltvorrichtungen zum Schalten von Leistungselementen bekannt. Entsprechende Halbleitervorrichtungen sind aus den Schriften DE 44 01 123 A1 und DE 40 19 829 A1 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem zur Verfügung gestellt, welches zwei Anschlüsse umfasst, die über einen Batteriestrang miteinander verbunden sind. Der Batteriestrang weist eine Vielzahl an in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen auf, von denen mindestens eines mindestens eine Batteriezelle aufweist und dazu ausgebildet ist, per Ansteuerung zu dem Batteriestrang hinzuschaltbar oder von selbigem entkoppelbar zu sein. Der Batteriestrang weist ferner eine Lade- und/oder Trenneinrichtung auf. Dabei weist die Lade- und/oder Trenneinrichtung einen Halbleiterschalter auf. Der Halbleiterschalter in dabei in einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung angeordnet. Durch eine Anordnung des Halbleiterschalters in einer derartigen Diodenbrücke wird erreicht, dass der Stromfluss durch den Halbleiterschalter immer in Vorwärtsrichtung erfolgt, unabhängig davon, in welcher Richtung der Stromfluss durch die Lade- und/oder Trenneinrichtung erfolgt. Dies ermöglicht die Verwendung eines gewöhnlichen Halbleiterschalters, wie beispielsweise eines Biploartransistors, eines MOSFET oder eines IGBT, welche in einer einfachen Verschaltung den Stromfluss lediglich in einer Richtung sperren. Weiterhin ist der Halbleiterschalter innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung zu einer Serienschaltung aus einem Relais sowie einem Vorladewiderstand parallel geschaltet. Dadurch besteht weiterhin die Option, die Ladung des Gleichspannungszwischenkreiskondensators über ein Laderelais mit Vorwiderstand zu ermöglichen.
  • Der Vorteil an der Verwendung von Halbleiterschaltern für die Realisierung einer Lade- und/oder Trenneinrichtung liegt im Vergleich zum Stand der Technik in dem geringen Eigengewicht sowie der kompakten Bauweise von Halbleiterschaltern. Des Weiteren kann durch die Verwendung von Halbleiterschaltern die Zuverlässigkeit der Lade- und/oder Trenneinrichtung erhöht und das Bauvolumen derselben reduziert werden. Auch erfolgt die Zuschaltung des Batteriesystems über die Lade- und/oder Trenneinrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik geräuschlos.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterschalter als Leistungsschalter auf Halbleiterbasis ausgeführt. Leistungsschalter auf Halbleiterbasis können große Ströme beziehungsweise Leistungen schalten oder steuern und sind kompakter als Relais oder Schütze. Sie weisen einen sehr großen Verstärkungsfaktor und einen kleinen Durchlasswiderstand auf.
  • Vorzugsweise ist der Halbleiterschalter als Bipolartransistor oder als MOSFET oder als IGBT ausgeführt. Vorteilig an der Verwendung von MOSFETs ist unter anderem deren im Vergleich zu Transistoren anderer Technologien hohe Integrations- beziehungsweise Packungsdichte. Des Weiteren weisen MOSFETs, beispielsweise im Vergleich zu bipolaren Transistoren einen geringen Widerstand der Drain-Source-Strecke Ron auf und sind kostengünstig in der Realisierung im Substrat. Bipolartransistoren sind hingegen robuster und weisen eine steilere Kennlinie als viele andere, insbesondere MOS-Transistoren auf. Sie weisen zudem einen hohen Verstärkungsfaktor auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiterschalter dazu ausgelegt, im aktiven Schaltbetrieb zu arbeiten. Der Ladevorgang, beispielsweise eines Gleichspannungszwischenkreiskondensators über die Lade- und/oder Trenneinrichtung ist bei einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung über den aktiven Schaltbetrieb des Halbleiterschalters sehr gut einstellbar. Der Halbleiterschalter kann dann beispielsweise als gesteuerter Widerstand verwendet werden, der während des Ladevorgangs zum Beispiel konstant gehalten oder beispielsweise gegen Ende des Ladevorgangs verringert werden kann, um den Ladevorgang zu beschleunigen.
  • Vorzugsweise ist die Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung mit dem Halbleiterschalter zu einer Serienschaltung aus einem Relais sowie einem Vorladewiderstand parallel geschaltet. Dadurch besteht ebenfalls weiterhin die Option, die Ladung des Gleichspannungszwischenkreiskondensators über ein Laderelais mit Vorwiderstand zu ermöglichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lade- und/oder Trenneinrichtung zwischen den Batteriemodulen des Batteriestrangs positioniert.
  • Vorzugsweise ist die Lade- und/oder Trenneinrichtung zwischen einem Anschluss des Batteriestrangs und der Gesamtheit der Vielzahl an Batteriemodulen positioniert. Vorteil einer solchen Positionierung der Lade- und/oder Trenneinrichtung ist, dass durch Öffnung des Halbleiterschalters der Lade- und/oder Trenneinrichtung der jeweilige Anschluss vor dem die Lade- und/oder Trenneinrichtung positioniert ist, von der Gesamtheit der Batteriemodule abgekoppelt werden kann.
  • Ferner wird eine Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
  • Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Batteriesystem des Standes der Technik,
    • 2 eine Ausführungsform einer Lade- und/oder Trenneinrichtung des Standes der Technik,
    • 3 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem und
    • 4 ein erfindungsgemäßes Batteriesystem mit einem speziellen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 20 dargestellt. Bei diesem ist ein Halbleiterschalter 6 in einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung angeordnet. Bei einer solchen Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung handelt es sich um einen Gleichrichter beziehungsweise eine Brücken-Gleichrichterschaltung, die auch unter der Bezeichnung Diodenbrücke bekannt ist und vier Dioden 5 aufweist. Dabei sind je zwei Diodenpaare parallel zueinander geschaltet, wobei die zwei jeweils ein Paar bildenden Dioden 5 innerhalb eines Strangs der Parallelschaltung die gleiche Orientierung aufweisen, dass heißt die Kathode der ersten Diode 5 des Diodenpaars ist innerhalb eines Strangs der Parallelschaltung jeweils mit der Anode der zweiten Diode 5 des Diodenpaars verbunden. Der Halbleiterschalter 6 ist mit den Anschlüssen der Parallelschaltung der Diodenpaare verbunden, dass heißt, das einer der Anschlüsse der leitenden Strecke des Halbleiterschalters 6 mit dem Potenzial der Anode der jeweils ersten Dioden 5 der Diodenpaare verbunden ist, während der zweite Anschluss der leitenden Strecke des Halbleiterschalters 6 mit dem Potenzial der Kathode der jeweils zweiten Dioden 5 der Diodenpaare verbunden ist. Der Halbleiterschalter 6 kann dann als in eine Richtung nicht sperrender, also unidirektionaler Halbleiterschalter 6 ausgeführt sein, da der Halbleiterschalter 6 innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung nur in einer Richtung durchflossen werden kann. Der Halbleiterschalter 6 ist dabei innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung so angeordnet, dass er den Stromfluss durch selbige zu unterbrechen vermag. Rein beispielhaft ist der Halbleiterschalter 6 in diesem Ausführungsbeispiel als MOSFET ausgeführt, er kann aber auch als Bipolartransistor, als IGBT oder als anderer Halbleiterschalter 6 ausgeführt sein. Auch können bidirektional sperrende Halbleiterschalter 6 ohne Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung oder eine sonstige Beschaltung in einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung verwendet werden.
  • In der 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 20 mit einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 dargestellt. Die Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Leistungsschalter auf Halbleiterbasis ausgeführt, welcher zu einer bidirektionalen Sperrung des Stromflusses in der Lage ist und einen aktiven Schaltbetrieb ermöglicht. Das Batteriesystem 20 umfasst zwei Anschlüsse 10, 12, die über einen Batteriestrang 18 miteinander verbunden sind. Der Batteriestrang 18 weist eine Vielzahl an Batteriemodulen 17 auf, von denen in 3 zwei ausgeführt dargestellt sind, während eine nicht weiter definierte Anzahl an Batteriemodulen 17 über eine Punktlinie angedeutet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Batteriemodule 17 so ausgestaltet, das sie jeweils über eine aus zwei Schaltmitteln 11, 13 bestehende Halbbrücke von dem Batteriestrang 18 entkoppelbar oder zu dem Batteriestrang 18 hinzuschaltbar sind. Dabei kann ein Batteriemodul 17 dem Batteriestrang 18 hinzugeschaltet werden, indem das Schaltmittel 11 geschlossen wird, während das Schaltmittel 13 in einem geöffneten Zustand verbleibt. Wird hingegen das Schaltmittel 13 geschlossen, während das Schaltmittel 11 im geöffneten Zustand verbleibt, ist das jeweilige Batteriemodul 17 von dem Batteriestrang 18 entkoppelt. Des Weiteren weisen in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriesystems 20 alle Batteriemodule 17 eine Batteriezelle 16 auf. Es können allerdings auch erfindungsgemäße Batteriesysteme 20 realisiert werden, in denen nicht alle Batteriemodule 17, sondern zum Beispiel nur einige wenige oder nur ein Batteriemodul 17 von dem Batteriestrang 18 entkoppelbar beziehungsweise zu diesem hinzuschaltbar ist. Auch die Einrichtung zur Entkopplung beziehungsweise Hinzuschaltung von Batteriemodulen 17 kann schaltungstechnisch auf andere Art und Weise realisiert sein, zum Beispiel über eine Vollbrücke oder durch einen anderen Schaltungsaufbau. Auch können innerhalb jeweils eines Batteriemoduls 17 mehrere Batteriezellen 16 verbaut werden. Es können auch Batteriemodule 17 realisiert sein, in denen keine Batteriezelle 16 verbaut ist. Des Weiteren können auch anders ausgestaltete Lade- und/oder Trenneinrichtungen 8 realisiert sein, die wie in den Ausführungen zu der 2 dargelegt, beispielsweise auf anderen Arten von Halbleiterschaltern 6 basieren, oder zum Beispiel innerhalb einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung oder innerhalb einer anderen Schaltung realisiert sind. Insbesondere können zum Beispiel auch uni- oder weitere bidirektional sperrende Leistungsschalter auf Halbleiterbasis oder sonstige Halbleiterschalter verwendet werden. Es können zudem auch noch weitere Trenneinrichtungen innerhalb des Batteriesystems 20 verbaut sein.
  • In der 4 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 20 mit einem speziellen Ausführungsbeispiel einer Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 dargestellt. In dieser ist ein Halbleiterschalter 6 wie in 2 beschrieben in einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung angeordnet. Der Halbleiterschalter 6 ist dabei innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung so angeordnet, dass er den Stromfluss durch selbige zu unterbrechen vermag. Rein beispielhaft ist der Halbleiterschalter 6 in diesem Ausführungsbeispiel als Bipolartransistor ausgeführt, er kann aber auch als MOSFET, als IGBT oder als anderer Halbleiterschalter 6 ausgeführt sein. Auch können bidirektional sperrende Halbleiterschalter 6 ohne Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung oder einer sonstigen Beschaltung in einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Trenneinrichtung verwendet werden.
  • Das Batteriesystem 20 ist dabei mit Ausnahme der Lade- und/oder Trenneinrichtung 8 rein beispielhaft zu dem in der 3 beschriebenen identisch.

Claims (9)

  1. Batteriesystem (20), umfassend zwei Anschlüsse (10, 12), die über einen Batteriestrang (18) miteinander verbunden sind, wobei der Batteriestrang (18) eine Vielzahl an in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriemodulen (17) aufweist, von denen mindestens eines mindestens eine Batteriezelle (16) aufweist und dazu ausgebildet ist, per Ansteuerung zu dem Batteriestrang (18) hinzuschaltbar oder von selbigem entkoppelbar zu sein, wobei der Batteriestrang (18) ferner eine Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) einen Halbleiterschalter (6) aufweist, wobei der Halbleiterschalter (6) in einer Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung angeordnet ist und wobei der Halbleiterschalter (6) innerhalb der Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung zu einer Serienschaltung aus einem Relais sowie einem Vorladewiderstand parallel geschaltet ist.
  2. Batteriesystem (20) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterschalter (6) als Leistungsschalter auf Halbleiterbasis ausgeführt ist.
  3. Batteriesystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (6) als Bipolartransistor oder als MOSFET oder als IGBT ausgeführt ist.
  4. Batteriesystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (6) dazu ausgelegt ist, im aktiven Schaltbetrieb zu arbeiten.
  5. Batteriesystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung mit dem Halbleiterschalter (6) zu einer Serienschaltung aus einem Relais sowie einem Vorladewiderstand parallel geschaltet ist.
  6. Batteriesystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) zwischen den Batteriemodulen (17) des Batteriestrangs (18) positioniert ist.
  7. Batteriesystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lade- und/oder Trenneinrichtung (8) zwischen einem Anschluss (10, 12) des Batteriestrangs (18) und der Gesamtheit der Vielzahl an Batteriemodulen (17) positioniert ist.
  8. Batterie mit einem Batteriesystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Batterie nach Anspruch 8, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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