-
Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Schalteranordnungen und Batterieanordnungen.
-
Um Spannungen im Bereich von hunderten von Volt sicher zu schalten, z. B. um eine Batterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sicher zu trennen, sind üblicherweise Luftspaltschalter oder Relais als Hauptschalter vorgesehen. Die Luftspaltschalter erfordern jedoch viel Raum, sind schwer, führen zu hohen Kosten und sind nicht immer vollständig zuverlässig.
-
Deshalb hat es einen Versuch gegeben, die Luftspaltschalter oder Relais durch Halbleiterschalter zu ersetzen. In diesem Fall müssen mehrere Halbleiterschalter parallelgeschaltet sein. Dies führt zu einer Addition der möglichen Ströme und der möglichen Schaltleistung.
-
Üblicherweise können im Fall von Parallelschaltungen die einzelnen Halbleiterschalter in einer Reihe nebeneinander auf einen Kühlkörper geschraubt oder geklemmt sein.
-
Eine Schalteranordnung kann wenigstens einen Träger, der eine erste Seite und eine zweite Seite und mehrere elektrisch leitfähige Durchgangsverbindungen, die sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite erstrecken, besitzt; einen ersten Schalteranschluss auf der ersten Seite; einen zweiten Schalteranschluss auf der zweiten Seite; und mehrere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der ersten Seite angeordnet sind, wobei jede elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss umfasst, enthalten; wobei jeder erste gesteuerte Anschluss über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung mit dem ersten Schalteranschluss verbunden ist; wobei die elektrisch leitfähigen Verbindungen im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen; und wobei jeder zweite gesteuerte Anschluss mit einer jeweiligen Durchgangsverbindung verbunden ist, um mit dem zweiten Schalteranschluss eine Verbindung herzustellen.
-
In einer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung ferner Folgendes aufweisen: mehrere weitere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der zweiten Seite angeordnet sind, wobei jede weitere elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss aufweist; wobei jeder erste gesteuerte Anschluss über eine jeweilige weitere elektrisch leitfähige Verbindung mit dem zweiten Schalteranschluss verbunden ist, wobei die weiteren elektrisch leitfähigen Verbindungen im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen.
-
In noch einer Ausgestaltung kann eine Schaltvorrichtung der Schaltvorrichtungen auf der ersten Seite einer Schaltvorrichtung der Schaltvorrichtungen auf der zweiten Seite zugeordnet sein, um dadurch ein Schaltvorrichtungspaar zu bilden.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung ferner Folgendes aufweisen: eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, die Steueranschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen anzusteuern.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, die Steueranschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen einzeln anzusteuern.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerschaltung mehrere Treiberschaltungen aufweisen; wobei jede Treiberschaltung einer jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtung zugeordnet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Schaltanordnung ferner Folgendes aufweisen: wenigstens einen Stromsensor, der zwischen den ersten Schalteranschluss und den zweiten Schalteranschluss geschaltet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann der wenigstens eine Stromsensor wenigstens einen Stromsensor aufweisen, der für jede Gruppe der elektronischen Schaltvorrichtungen bereitgestellt ist.
-
In noch einer Ausgestaltung können die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen wenigstens einen Transistor und/oder wenigstens einen Thyristor aufweisen.
-
In noch einer Ausgestaltung können die mehreren elektrisch leitfähigen Durchgangsverbindungen mehrere Durchgangslöcher aufweisen, die sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite erstrecken.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Batterieanordnung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: wenigstens eine Batterie; und eine Schalteranordnung, die Folgendes aufweist: wenigstens einen Träger, der eine erste Seite und eine zweite Seite und mehrere elektrisch leitfähige Durchgangsverbindungen, die sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite erstrecken, besitzt; einen ersten Schalteranschluss auf der ersten Seite; einen zweiten Schalteranschluss auf der zweiten Seite und; mehrere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der ersten Seite angeordnet sind, wobei jede elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss aufweist; wobei jeder erste gesteuerte Anschluss über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung mit dem ersten Schalteranschluss verbunden ist; wobei die elektrisch leitfähigen Verbindungen im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen; und wobei jeder zweite gesteuerte Anschluss mit einer jeweiligen Durchgangsverbindung verbunden ist, um mit dem zweiten Schalteranschluss eine Verbindung herzustellen.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Schalteranordnung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: wenigstens einen Träger, der eine erste Hauptseite und eine zweite Hauptseite und mehrere elektrisch leitfähige Durchgangsverbindungen von der ersten Hauptseite zu der zweiten Hauptseite besitzt; einen ersten Schalteranschluss auf der ersten Hauptseite; einen zweiten Schalteranschluss auf der zweiten Hauptseite; mehrere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der ersten Hauptseite angeordnet sind, wobei jede elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss aufweist; wobei die ersten gesteuerten Anschlüsse um den ersten Schalteranschluss angeordnet sind und über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung mit dem ersten Schalteranschluss verbunden sind; und wobei jeder zweite gesteuerte Anschluss mit einer jeweiligen Durchgangsverbindung verbunden ist, um eine Verbindung mit dem zweiten Schalteranschluss herzustellen.
-
In einer Ausgestaltung können die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen entlang einer Polygon-Umfangslinie auf der ersten Hauptseite angeordnet sein; wobei der erste Schalteranschluss innerhalb des Polygons angeordnet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung ferner Folgendes aufweisen: mehrere weitere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der zweiten Hauptseite angeordnet sind, wobei jede weitere elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss aufweist; wobei jeder erste gesteuerte Anschluss über eine jeweilige weitere elektrisch leitfähige Verbindung mit dem zweiten Schalteranschluss verbunden ist, wobei die ersten gesteuerten Anschlüsse um den zweiten Schalteranschluss angeordnet sind und über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung mit dem zweiten Schalteranschluss verbunden sind.
-
In noch einer Ausgestaltung können die mehreren weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen entlang einer Polygon-Umfangslinie auf der zweiten Hauptseite angeordnet sein; wobei der zweite Schalteranschluss innerhalb des Polygons angeordnet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann eine Schaltvorrichtung der Schaltvorrichtungen auf der ersten Hauptseite einer Schaltvorrichtung der Schaltvorrichtungen auf der zweiten Hauptseite zugeordnet sein, um dadurch ein Schaltvorrichtungspaar zu bilden.
-
In noch einer Ausgestaltung können die Schaltvorrichtungen eines Schaltvorrichtungspaars in Übereinstimmung mit einer der folgenden Verbindungen miteinander verbunden sein: in Reihe; in Antireihe; und parallel.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung ferner Folgendes aufweisen: eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, die Steueranschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen anzusteuern.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, die Steueranschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen einzeln anzusteuern.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Steuerschaltung mehrere Treiberschaltungen aufweisen; wobei jede Treiberschaltung einer jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtung zugeordnet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann die Schalteranordnung ferner Folgendes aufweisen: wenigstens einen Stromsensor, der zwischen den ersten Schalteranschluss und den zweiten Schalteranschluss geschaltet ist.
-
In noch einer Ausgestaltung kann der wenigstens eine Stromsensor wenigstens einen Stromsensor aufweisen, der für jede Gruppe der elektronischen Schaltvorrichtungen bereitgestellt ist.
-
In noch einer Ausgestaltung können die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen wenigstens einen Transistor und/oder wenigstens einen Thyristor aufweisen.
-
In noch einer Ausgestaltung können die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen wenigstens einen Transistor aufweisen; und der wenigstens eine Transistor kann wenigstens einen Feldeffekttransistor und/oder wenigstens einen Bipolartransistor aufweisen.
-
In noch einer Ausgestaltung kann der wenigstens eine Transistor wenigstens einen Leistungs-Feldeffekttransistor und/oder wenigstens einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate aufweisen.
-
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Batterieanordnung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: wenigstens eine Batterie; und eine Schalteranordnung, die Folgendes aufweist: wenigstens einen Träger, der eine erste Hauptseite und eine zweite Hauptseite und mehrere elektrisch leitfähige Durchgangsverbindungen von der ersten Hauptseite zu der zweiten Hauptseite besitzt; einen ersten Schalteranschluss auf der ersten Hauptseite; einen zweiten Schalteranschluss auf der zweiten Hauptseite; mehrere elektronische Schaltvorrichtungen, die auf der ersten Hauptseite angeordnet sind, wobei jede elektronische Schaltvorrichtung einen ersten gesteuerten Anschluss und einen zweiten gesteuerten Anschluss aufweist; wobei die ersten gesteuerten Anschlüsse um den ersten Schalteranschluss angeordnet sind und über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung mit dem ersten Schalteranschluss verbunden sind; und wobei jeder zweite gesteuerte Anschluss mit einer jeweiligen Durchgangsverbindung verbunden ist, um eine Verbindung mit dem zweiten Schalteranschluss herzustellen.
-
In den Zeichnungen beziehen sich überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen wurde im Allgemeinen die Betonung auf das Veranschaulichen der Prinzipien der Erfindung gelegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, worin:
-
1 eine Batterieanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
2 ein Strom-/Zeitdiagramm zeigt, das den Stromanstieg veranschaulicht, der nach einem Kurzschluss in einer Batterieanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen auftritt;
-
3 eine vereinfachte Ersatzschaltung der Batterieanordnung nach 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
4A eine Draufsicht einer Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
4B eine Draufsicht einer Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
5A eine Querschnittsansicht einer Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
5B eine Querschnittsansicht einer Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
6 eine Implementierung eines Abschnitts einer Batterieanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
7 eine Ersatzschaltung der Implementierung des Hauptschalters gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
8 eine Ersatzschaltung der Implementierung des Hauptschalters gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
9 einen Stromlaufplan des ersten Hauptschalters und des dritten Hauptschalters gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
10 einen Abschnitt einer Batterieanordnung, die mehrere Hauptschalter enthält, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
-
11A einen Abschnitt einer Vorladeschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
-
11B einen Abschnitt einer Vorladeschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
-
Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Veranschaulichung spezifische Einzelheiten und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann.
-
Das Wort ”beispielhaft” wird hier so verwendet, dass es ”als ein Beispiel, ein Fall oder eine Veranschaulichung dienend” bedeutet. Irgendeine Ausführungsform oder Konstruktion, die hier als ”beispielhaft” beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Konstruktionen bevorzugt oder vorteilhaft auszulegen.
-
Das Wort ”über”, das hinsichtlich eines abgeschiedenen Materials, das ”über” einer Seite oder einer Oberfläche ausgebildet ist, verwendet wird, kann hier so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das abgeschiedene Material ”direkt auf”, z. B. in direktem Kontakt mit, der besagten Seite oder Oberfläche ausgebildet ist. Das Wort ”über”, das hinsichtlich eines abgeschiedenen Materials, das ”über” einer Seite oder einer Oberfläche ausgebildet ist, verwendet wird, kann hier so verwendet werden, dass es bedeutet, dass das abgeschiedene Material ”indirekt auf” der besagten Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der besagten Seite oder Oberfläche und dem abgeschiedenen Material angeordnet sind.
-
Wie oben erwähnt worden ist, ist die herkömmliche Anordnung der Halbleiterschalter nebeneinander in einer Reihe. Folglich besitzen die Versorgungsleitungen zu den verschiedenen Halbleiterschaltern unterschiedliche Längen. Dies führt zu unterschiedlichen Zeitpunkten beim Schalten der jeweiligen Halbleiterschalter.
-
Wie im Folgenden ausführlicher erklärt wird, ist in den verschiedenen Ausführungsformen eine Anordnung aus mehreren Halbleiterschaltern so bereitgestellt, dass die Versorgungsleitungen oder die Steuerleitungen (mit anderen Worten, die elektrisch leitfähigen Verbindungen) zwischen einem gemeinsamen Anschluss und einem jeweiligen gesteuerten Anschluss der verschiedenen Halbleiterschalter im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen. Folglich können die verschiedenen Halbleiterschalter im Wesentlichen gleichzeitig ausgeschaltet werden. Dies kann die Sicherheit der Schalteranordnung, z. B. in Anordnungen mit Hochspannung im Bereich von z. B. 48 V oder sogar einigen hundert Volt (z. B. 400 V Gleichspannung), vergrößern.
-
Verschiedene Ausführungsformen stellen veranschaulichend einen hohen Grad der Symmetrie der angeordneten Halbleiterschalter, im Allgemeinen der angeordneten elektronischen Schaltvorrichtungen, bereit.
-
1 zeigt eine Batterieanordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Obwohl die Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen im Kontext einer Batterieanordnung beschrieben wird, kann die Schalteranordnung in anderen technischen Anordnungen, wie z. B. in einem Wechselrichter, z. B. einem Wechselrichter eines Solarzellenmoduls, verwendet werden. In weiteren alternativen Ausführungsformen können die Schalteranordnungen in einer Anwendung eines intelligenten Netzes, im Allgemeinen in einer Anwendung unter Verwendung eines Gleichspannungsnetzes, das mehrere zehn oder hunderte von Volt bereitstellt, bereitgestellt sein. Als eine weitere Alternative kann die Schalteranordnung in einer stationären Batteriepufferanordnung zum Speichern von über ”grüne Energiequellen”, z. B. über Solarmodule, Windturbinen und dergleichen, gewonnener Energie bereitgestellt sein. Im Allgemeinen kann die Schalteranordnung in jeder Schaltung oder Anordnung angewendet werden, die ein sicheres Schalten von Hochspannungen (z. B. im Bereich von einigen zehn bis hunderten von Volt (Gleichspannung)) und/oder hohen Strömen (z. B. im Bereich von einigen zehn Ampère (Gleichstrom)) erfordert.
-
Die Batterieanordnung 100 kann ein System 102 wiederaufladbarer Batterien enthalten, das mehrere wiederaufladbare Batterieblöcke 104 enthalten kann (in 1 sind zehn wiederaufladbare Batterieblöcke 104 gezeigt, obwohl in alternativen Ausführungsformen irgendeine andere gewünschte oder geeignete Anzahl wiederaufladbarer Batterieblöcke 104 bereitgestellt sein kann), wobei jeder wiederaufladbare Batterieblock 104 eine oder mehrere wiederaufladbare Batteriezellen und optional eine (nicht gezeigte) Batteriezellen-Überwachungs- und Ausgleichsschaltung enthalten kann. Die wiederaufladbaren Batterieblöcke 104 können miteinander in Reihe geschaltet sein, beginnend von einem ersten Batterieblock 104 bis zu einem letzten Batterieblock 104 der Reihenschaltung. Das System 102 wiederaufladbarer Batterien kann ferner einen ersten Batterieanschluss 106 (der ein erstes elektrisches Potential bereitstellt), der an den ersten Batterieblock 104 gekoppelt ist, und einen zweiten Batterieanschluss 108, der an den letzten Batterieblock 104 (der ein zweites elektrisches Potential, das von dem ersten elektrischen Potential verschieden ist bereitstellt), gekoppelt ist. Die Batterieanordnung 100 kann ferner eine Hauptschalteranordnung 110 enthalten, die mehrere (z. B. zwei, drei oder mehr) Hauptschalter 112, 114 aufweist. Ein erster Hauptschalter 112 kann an den ersten Batterieanschluss 106 gekoppelt sein, während der zweite Hauptschalter 114 an den zweiten Batterieanschluss 108 gekoppelt sein kann. Außerdem kann der erste Hauptschalter 112 an einen ersten Hauptschalteranschluss 116 gekoppelt sein, während der zweite Hauptschalter 114 an einen zweiten Hauptschalteranschluss 118 gekoppelt sein kann. Folglich kann die Hauptschalteranordnung 110 eine allpolige Trennung des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien von den Hauptschalteranschlüssen 116, 118 der Batterieanordnung 100 bereitstellen.
-
In verschiedenen Ausführungsformen können der erste Batterieanschluss 108 und der zweite Batterieanschluss 110 an eine Lastvorrichtung oder eine Lastschaltung (die nicht gezeigt sind) gekoppelt sein. In verschiedenen Ausführungsformen können eine Hochspannung und/oder ein hoher Strom an den Batterieanschlüssen 108, 110 und (falls der Hauptschalter 110 geschlossen ist) an den Hauptschalteranschlüssen 116, 118 bereitgestellt sein. Eine (elektrische) Hochspannung kann so verstanden werden, dass sie eine Gleichspannung im Bereich von einigen zehn (z. B. 30 V, 35 V, 40 V, 45 V, 48 V, 50 V, 55 V, 60 V oder mehr) Volt (V) bis etwa einigen hundert (z. B. 100 V, 150 V, 200 V, 250 V, 300 V, 350 V, 400 V, 450 V, 500 V, 550 V, 600 V oder mehr) Volt (V) enthält. Ein hoher (elektrischer) Strom kann so verstanden werden, dass er einen Gleichstrom im Bereich von einigen zehn (z. B. 30 A, 35 A, 40 A, 45 A, 50 A, 55 A, 60 A oder mehr) Ampère (A) bis etwa einigen hundert (z. B. 100 A, 150 A, 200 A, 250 A, 300 A, 350 A, 400 A, 450 A, 500 A, 550 A, 600 A oder mehr) Ampère (A) enthält. Beispielhaft kann ein Ladestrom, der durch eine Ladevorrichtung in die Hauptschalteranschlüsse 116, 118 und folglich in die Batterieanschlüsse 108, 110 eingespeist wird, um die wiederaufladbaren Batterieblöcke 104 zu laden, im Bereich von etwa 100 A (kontinuierlicher Ladestrom) bis etwa 250 A (Spitzenstrom, der während einiger Sekunden eingespeist werden kann) bei einer Ladespannung im Bereich von etwa 200 V bis etwa 420 V liegen. In einem weiteren Beispiel kann der Ladestrom in dem Bereich von etwa 150 A (kontinuierlicher Ladestrom) bis etwa 350 A (Spitzenstrom, der während einiger Sekunden eingespeist werden kann) bei einer Ladespannung im Bereich von etwa 200 V bis etwa 420 V liegen.
-
Die Batterieanordnung 100 kann ferner einen Master-Controller 120 (der z. B. als irgendeine Art einer Logikschaltung, wie z. B. als eine festverdrahtete Logik oder als eine programmierbare Schaltung, wie z. B. ein programmierbarer Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller) implementiert ist) enthalten. Der Master-Controller 120 kann über eine Verbindungsleitung 122 (z. B. ein Kabel oder eine elektrisch leitfähige Leiterbahn auf einer Leiterplatte (PCB)) an den Hauptschalter 110 gekoppelt sein und kann konfiguriert sein, Steuersignale an den Hauptschalter 110 zu senden und dadurch das Öffnen und Schließen der Schalter 112, 114 des Hauptschalters 110 zu steuern. Der Master-Controller 120 kann ferner eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) 124 enthalten, um z. B. über eine Einzeldrahtverbindung 126 oder eine Mehrdrahtverbindung 126 (z. B. eine Zweidrahtverbindung, eine Dreidrahtverbindung oder eine Verbindung mit noch mehr Drähten) eine Verbindung (mit anderen Worten, eine Kommunikationsverbindung) mit den wiederaufladbaren Batterieblöcken 104 und darin, falls anwendbar, mit der einen oder den mehreren Batteriezellen-Überwachungs- und Ausgleichsschaltungen herzustellen (bereitzustellen), um das Lade- und Entladeverhalten der Batteriezellen der Batterieblöcke 104 zu steuern.
-
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Master-Controller 120 konfiguriert sein, um wenigstens eine der folgenden Funktionen bereitzustellen:
das Überwachen der Spannungen der Batteriezellen;
das Überwachen der Temperaturen der Batteriezellen;
das Ermitteln des durch die Batteriezellen und/oder die Batterieblöcke 104 und/oder das System 102 wiederaufladbarer Batterien bereitgestellten Stroms;
das Berechnen des Ladezustands der Batteriezellen und/oder der Batterieblöcke 104 und/oder des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien;
das Berechnen des Funktionszustands der Batteriezellen und/oder der Batterieblöcke 104 und/oder des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien; und/oder
das Ermitteln der Ausgleichsentscheidung(en) der Batteriezellen.
-
In verschiedenen Ausführungsformen kann (können) die optionale(n) Batteriezellen-Überwachungs- und Ausgleichsschaltung(en) konfiguriert sein, um wenigstens eine der folgenden Funktionen bereitzustellen:
das Messen der Spannungen der Batteriezellen;
das Messen der Temperaturen der Batteriezellen; und/oder
das Ausführen des Ausgleichens der Batteriezellen.
-
Außerdem können ein oder mehrere Stromsensoren 128 (die z. B. als ein oder mehrere Hall-Sensoren und/oder als ein oder mehrere Nebenschlusswiderstände oder dergleichen implementiert sein können) einerseits zwischen die Batterieblöcke 104, z. B. den ersten Batterieanschluss 106, und den ersten Hauptschalter 112 und zwischen die Batterieblöcke 104, z. B. den ersten Batterieanschluss 106, und einen Sensoreingang 130 des Master-Controllers 120, der die Sensorsignale von dem einen oder den mehreren Stromsensoren 128 empfangen kann, gekoppelt sein. Der Master-Controller 120 kann ferner eine äußere Schnittstelle 132 enthalten, die konfiguriert ist, Signale (z. B. Steuersignale) von einer Vorrichtung außerhalb der Batterieanordnung 100 zu empfangen und/oder Signale (z. B. Steuersignale und/oder Meldungssignale) einer Vorrichtung außerhalb der Batterieanordnung 100 bereitzustellen.
-
Die Batterieanordnung 100 kann Teil eines Fahrzeugs, z. B. eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, sein.
-
Unter Berücksichtigung dieser Hochspannungen und/oder hohen Ströme sollten in einer Situation, in der die Batterieanschlüsse 108, 110 von den wiederaufladbaren Batterieblöcken 104 getrennt (isoliert) werden sollten, die Schalter 112, 114 des Hauptschalters 110 sehr schnell geöffnet werden. In einem herkömmlichen Hauptschalter unter Verwendung eines Relais ist die Schaltzeit z. B. ziemlich langsam.
-
2 zeigt ein Strom-/Zeitdiagramm 200, das den Stromanstieg veranschaulicht, der nach einem Kurzschluss in einer Batterieanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen auftritt. Wie in 2 gezeigt ist, gibt es innerhalb von nur einigen Mikrosekunden einen hohen Anstieg des Stroms, nachdem ein Kurzschluss aufgetreten ist. Ein herkömmlicher Hauptschalter besitzt normalerweise eine Schaltzeit, um ausgeschaltet zu werden, von wenigstens 1,5 Millisekunden (was in 2 mittels eines ersten Pfeils 202 angegeben ist), was zu einer hohen Strombelastung für den Hauptschalter im Bereich von etwa 4000 A oder sogar mehr führen würde. Dies ist eine hohe Belastung für den Hauptschalter und kann sogar einen herkömmlichen Hauptschalter, der z. B. auf Relais basiert, zerstören. Im Gegensatz dazu kann ein auf (Leistungs-)Halbleiterschaltern basierender Hauptschalter eine Schaltzeit, um ausgeschaltet zu werden, im Bereich von nur einigen Mikrosekunden erreichen, (was in 2 mittels eines zweiten Pfeils 204 angegeben ist), was zu einer viel geringeren Strombelastung für den Hauptschalter im Bereich von nur etwa einigen hundert Ampère führen würde. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Hauptschalter 110 mehrere Halbleiterschalter enthalten, die z. B. in dem ersten Hauptschalter 112 und dem zweiten Hauptschalter 114 implementiert sind.
-
In verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Schalter an einem Träger angebracht sein und können parallel, in Reihe und/oder antiparallel geschaltet sein.
-
Um eine ausreichend hohe Schaltleistung der Schalter bereitzustellen, können mehrere Schalter (die jeweils vom gleichen elektronischen Schaltvorrichtungstyp sein können) parallelgeschaltet werden, so dass die Ströme und die Schaltleistungen addiert werden.
-
In einer herkömmlichen Anordnung der mehreren Schalter sind die Schalter in einer Reihe auf einem Träger nebeneinander angeordnet, wobei die Schalter auf einen Kühlkörper geschraubt oder geklemmt sind. Dies führt zu elektrisch leitfähigen Verbindungen, die unterschiedliche Längen besitzen, um die jeweiligen Schalter zu verbinden. Dies führt dann aufgrund der unterschiedlichen parasitären Komponenten zu unterschiedlichen Schalt-Ansprechzeiten der Schalter auf ein gemeinsames Aktivierungs-/Deaktivierungssteuersignal, das z. B. durch den Master-Controller 120 bereitgestellt wird. Folglich werden in einer herkömmlichen Konstruktion die Schalter zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeschaltet. Dies führt wiederum dazu, dass einige der Schalter sehr hohe Ströme führen müssen, selbst jene der Schalter, die bereits ausgeschaltet worden sein sollten, wobei dadurch einige der Vorrichtungen einer hohen Belastung ausgesetzt werden.
-
3 zeigt eine vereinfachte Ersatzschaltung 300 der Batterieanordnung nach 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 3 zeigt das System 102 wiederaufladbarer Batterien, das die Batterieblöcke 104 enthält, wobei sie zusätzlich einen parasitären Induktor L1 302 des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien zeigt, der z. B. 0,5 μH pro Batteriezelle der Batterieblöcke 104 betragen kann und der außerdem die Reihenverdrahtung zwischen den Batteriezellen berücksichtigen kann. Außerdem kann der Hauptschalter 110, der den ersten und den zweiten Hauptschalter 112, 114 enthält, ferner eine freilaufende Diode 304 enthalten, die unterstromig des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien zwischen den ersten Hauptschalter 112 und den zweiten Hauptschalter 114 geschaltet ist. Außerdem ist in 3 ein Wechselrichter 308 als eine Implementierung einer äußeren Lastvorrichtung gezeigt, die an die Hauptschalteranschlüsse 116, 118 gekoppelt ist. Der Wechselrichter kann z. B. mittels eines Kabels, das in 3 durch einen Kabelinduktor L2 306 (der z. B. im Bereich von mehr als etwa 50 μH liegen kann) angegeben ist, an die Hauptschalteranschlüsse 116, 118 gekoppelt sein. Außerdem sind sowohl ein DC-Verbindungskondensator (Gleichstrom-Verbindungskondensator) CL 310 als auch ein Lastwiderstand 312 des Inverters 308 gezeigt.
-
Um eine ausreichende Stromführungsleistung für die Hauptschalter 112, 114 zu erreichen, kann jeder von ihnen mehrere elektronische Schaltvorrichtungen enthalten. Im Folgenden werden verschiedene Implementierungen eines Hauptschalters 112, 114, im Allgemeinen einer Schalteranordnung 400, ausführlicher beschrieben.
-
4 zeigt eine Draufsicht einer Schalteranordnung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Außerdem zeigt 4 ebenfalls eine Rückseitenansicht (Untersicht) der Schalteranordnung, wobei die auf der Rückseite angeordneten Elemente mittels gestrichelter Linien gezeigt sind.
-
Die Schalteranordnung 400 kann wenigstens einen Träger 402 enthalten, der eine erste Seite (z. B. eine Vorderseite) 404, die außerdem als eine erste Hauptseite bezeichnet werden kann, und eine zweite Seite (z. B. eine hintere Seite oder Rückseite) 406, die außerdem als eine zweite Hauptseite bezeichnet werden kann, und mehrerer elektrisch leitfähige Durchgangsverbindungen (z. B. mehrere Durchgangslöcher), die sich von der ersten Seite 404 zur zweiten Seite 406 erstrecken, besitzt. Die Schalteranordnung 400 kann ferner auf der ersten Seite 404 einen ersten Schalteranschluss 408 enthalten. Der erste Schalteranschluss 408 kann z. B. als eine Schraube oder ein Bolzen implementiert sein und kann ferner eine Metalloberfläche enthalten, die wenigstens einige Abschnitte der Vorderseite 404 des Trägers 402 abdeckt, so dass die elektronischen Schaltvorrichtungen, die im Folgenden ausführlicher beschrieben werden, an den ersten Schalteranschluss 408 elektrisch gekoppelt werden können. Der erste Schalteranschluss 408 kann konfiguriert sein, ein erstes elektrisches Potential zu empfangen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Schalteranschluss 408 ein Anschluss, der ein Drain-Potential empfängt, (in alternativen Ausführungsformen ein Anschluss, der ein Source-Potential empfängt) sein. Außerdem kann die Schalteranordnung 400 einen zweiten Schalteranschluss 410 auf der zweiten Seite 406 enthalten. Der zweite Schalteranschluss 410 kann konfiguriert sein, ein zweites elektrisches Potential zu empfangen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Schalteranschluss 410 ein Anschluss, der ebenfalls ein Drain-Potential empfängt, (in alternativen Ausführungsformen ein Anschluss, der ein Source-Potential empfängt) sein. Der erste Schalteranschluss 408 und der zweite Schalteranschluss 410 sind voneinander elektrisch isoliert. Der erste Schalteranschluss 408 kann in einem Mittenbereich auf der ersten Seite 404 des Trägers 402 angeordnet sein, während der zweite Schalteranschluss 410 in einem Mittenbereich auf der zweiten Seite 406 des Trägers 402 angeordnet sein kann. Der Träger 402 (der eine Leiterplatte (PCB) sein kann) kann eine Größe von etwa (1 cm bis 10 cm, z. B. 2 cm bis 5 cm) (Breite)·etwa (1 cm bis 20 cm, z. B. 5 cm bis 10 cm) (Länge)·etwa (3 cm bis 5 cm, z. B. 3,5 cm bis 4,5 cm) (Dicke) besitzen. Der Träger 402 kann außerdem eine sogenannte Vater Board-PCB der Firma Schweitzer oder irgendein anderer geeigneter Träger sein.
-
Der erste Schalteranschluss 408 und der zweite Schalteranschluss 410 können von mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen 412 umgeben sein, die auf der ersten Seite 404 angeordnet sind, wobei jede elektronische Schaltvorrichtung 412 einen ersten gesteuerten Anschluss 414 (z. B. einen Drain-Anschluss 414) und einen zweiten gesteuerten Anschluss 416 (z. B. einen Source-Anschluss 416) enthalten kann. In verschiedenen Ausführungsformen können die ersten gesteuerten Anschlüsse 414 der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 um den ersten Schalteranschluss 408 angeordnet sein und können über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung 418 mit dem ersten Schalteranschluss 408 verbunden sein, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Außerdem können in verschiedenen Ausführungsformen die ersten gesteuerten Anschlüsse 424 der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 um den zweiten Schalteranschluss 410 angeordnet sein und können über eine jeweilige weitere elektrisch leitfähige Verbindung 430 mit dem zweiten Schalteranschluss 410 verbunden sein, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird.
-
Die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen 412 können entlang einer Polygon-Umfangslinie auf der ersten Seite 404 angeordnet sein, wobei der erste Schalteranschluss 408 innerhalb des Polygons angeordnet sein kann. Auf eine ähnliche Weise können die mehreren weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 entlang einer Polygon-Umfangslinie auf der zweiten Seite 406 angeordnet sein, wobei der zweite Schalteranschluss 410 innerhalb des Polygons angeordnet sein kann. Das Polygon kann (die Polygone können) ein Dreieck, ein Rechteck, ein Fünfeck, ein Sechseck, ein Siebeneck, ein Achteck oder ein Polygon mit einer höheren Anzahl von Kanten und Ecken sein.
-
In der in 4A gezeigten Implementierung können acht elektronische Schaltvorrichtungen 412 auf der ersten Seite 404 bereitgestellt sein, obwohl irgendeine andere Anzahl von elektronischen Schaltvorrichtungen 412 bereitgestellt sein kann, z. B. eine gerade Anzahl (oder alternativ eine ungerade Anzahl) elektronischer Schaltvorrichtungen 412. Die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 können Halbleiter-Schaltvorrichtungen 412 sein und können einen oder mehrere Feldeffekttransistoren (z. B. einen oder mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETS)), z. B. einen oder mehrere Leistungs-Feldeffekttransistoren (z. B. einen oder mehrere Leistungs-MOSFETS) enthalten. Als eine Alternative können die Halbleiter-Schaltvorrichtungen 412 einen oder mehrere Bipolartransistoren (z. B. einen oder mehrere Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs)) enthalten. Als eine weitere Alternative können die Halbleiter-Schaltvorrichtungen 412 einen oder mehrere Thyristoren enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen können die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 in Baugruppen angeordnete Schaltvorrichtungen (die außerdem als integrierte Schaltungen bezeichnet werden) oder freiliegende Chips sein.
-
Jeder erste gesteuerte Anschluss 414 (z. B. der Drain-Anschluss 414) kann über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung 418 mit dem ersten Schalteranschluss 408 verbunden sein. Außerdem kann jede elektronische Schaltvorrichtung 412 einen Steueranschluss 420 (z. B. einen Gate-Anschluss 420) enthalten. Die elektrisch leitfähigen Verbindungen 418 können im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen. In verschiedenen Implementierungen können sich die Längen. der elektrisch leitfähigen Verbindungen 418 nur um einige Millimeter oder einige hundert Mikrometer oder noch weniger voneinander unterscheiden. In verschiedenen Implementierungen können sich die Längen der elektrisch leitfähigen Verbindungen 418 von der längsten elektrisch leitfähigen Verbindung 418 nur um einige Prozent, z. B. nur um maximal 10% von der längsten elektrisch leitfähigen Verbindung 418, z. B. nur um maximal 5%, z. B. nur um maximal 3%, z. B. nur um maximal 1% oder noch weniger unterscheiden.
-
Jeder zweite gesteuerte Anschluss 416 kann mit einer jeweiligen Durchgangsverbindung (z. B. einem Durchgangsloch) verbunden sein, um (direkt oder indirekt, z. B. über eine weitere elektronische Schaltvorrichtung, die auf der zweiten Seite 406 angeordnet sein kann) mit dem zweiten Schalteranschluss 410 eine Verbindung herzustellen.
-
Folglich können in verschiedenen Ausführungsformen die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 nur auf einer Seite 404, 406 des Trägers 402, z. B. der ersten Seite 404 des Trägers 402, bereitgestellt sein (in alternativen Ausführungsformen können sie außerdem nur auf der zweiten Seite 406 des Trägers 402 angeordnet sein).
-
In verschiedenen Ausführungsformen können jedoch mehrere weitere elektronische Schaltvorrichtungen 422 zusätzlich bereitgestellt sein, die auf der zweiten Seite 406 des Trägers 402 angeordnet sein können, im Allgemeinen auf der Seite des Trägers, die der Seite gegenüberliegt, auf der die mehreren elektronischen Schaltvorrichtungen 412 angeordnet sind. Die weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen können von einem ähnlichen Typ sein, wie oben für die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 beschrieben worden ist. Folglich kann in verschiedenen Ausführungsformen jede weitere elektronische Schaltvorrichtung 422 einen ersten gesteuerten Anschluss 424 (z. B. einen Drain-Anschluss 424) und einen zweiten gesteuerten Anschluss 426 (z. B. einen Source-Anschluss 426) enthalten. Außerdem kann jede weitere elektronische Schaltvorrichtung 422 einen Steueranschluss 428 (z. B. einen Gate-Anschluss 428) enthalten.
-
In der in 4A gezeigten Implementierung können auf der zweiten Seite 404 acht weitere elektronische Schaltvorrichtungen 422 bereitgestellt sein, obwohl irgendeine andere Anzahl von weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 bereitgestellt sein kann, z. B. eine gerade Anzahl (alternativ eine ungerade Anzahl) weiterer elektronischer Schaltvorrichtungen 422. Die weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 sind in 4A in gestrichelten Linien gezeigt.
-
Wie in 4A gezeigt ist, können die weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 so bezüglich der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 angeordnet sein, dass in jedem Fall eine elektronische Schaltvorrichtung 412 eine entsprechende weitere elektronische Schaltvorrichtung 422 teilweise überlappt. Sie können in einem Winkel zueinander angeordnet sein, so dass die Anschlüsse 414, 416, 420, der elektronischen Schaltvorrichtungen 422 die Anschlüsse 424, 426, 428 nicht überlappen (alternativ teilweise überlappen oder vollständig überlappen). Veranschaulichend können jeweils eine elektronische Schaltvorrichtung 412 und eine zugeordnete weitere elektronische Schaltvorrichtung 422 zu einem Schaltvorrichtungspaar gruppiert sein, wobei sie zwischen dem ersten Schalteranschluss 408 und dem zweiten Schalteranschluss 410 miteinander verbunden sein können. Mit anderen Worten, eine elektronische Schaltvorrichtung 412 der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 auf der ersten Seite 404 des Trägers 402 kann einer elektronischen Schaltvorrichtung 422 der elektronischen Schaltvorrichtungen 422 auf der zweiten Seite 406 des Trägers 402 zugeordnet sein, um dadurch ein Schaltvorrichtungspaar zu bilden. Die elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 eines Schaltvorrichtungspaars können miteinander in Reihe, in Antireihe oder parallel geschaltet sein.
-
In dem Fall, in dem die zwei Schaltvorrichtungen 412, 422 eines jeweiligen Paars in Reihe geschaltet sind, kann der zweite gesteuerte Anschluss (z. B. der Source-Anschluss) 416 der elektronischen Schaltvorrichtung 412 (über eine jeweilige Durchgangsverbindung, z. B. ein Durchgangsloch) mit dem zweiten gesteuerten Anschluss (z. B. dem Source-Anschluss) 426 der weiteren elektronischen Schaltvorrichtung 422 elektrisch verbunden sein. Diese elektrische Verbindung oder Kopplung kann bereitgestellt werden, indem die beiden Anschlüsse (z. B. 416, 426) direkt miteinander in Kontakt gebracht werden, wobei einer oder beide der Anschlüsse in (und, falls zutreffend, durch) die jeweilige Durchgangsverbindung, z. B. das Durchgangsloch, gebogen werden können und, z. B. mittels Löten, mechanisch aneinander gekoppelt werden können. Als eine Alternative können die Durchgangsverbindungen, z. B. die Durchgangslöcher, teilweise oder vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. einem Metall, z. B. Wolfram oder Kupfer oder Aluminium, oder einer Metalllegierung) gefüllt sein. In diesem Fall kann dann jeder Anschluss (z. B. 416, 426) an das elektrisch leitfähige Material gekoppelt sein, um eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen (z. B. 416, 426) über das elektrisch leitfähige Material bereitzustellen. In diesem Fall können die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und, falls zutreffend, die weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 als oberflächenmontierte Vorrichtungen (SMD) implementiert sein.
-
Ferner kann in dem Fall einer Reihenschaltung der erste Anschluss 424 der jeweiligen weiteren elektronischen Schaltvorrichtung 422 über eine jeweilige weitere elektrisch leitfähige Verbindung 430 mit dem zweiten Schalteranschluss 410 elektrisch verbunden sein. In verschiedenen Implementierungen können die weiteren elektrisch leitfähigen Verbindungen 430 im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen. In verschiedenen Implementierungen können sich die Längen der weiteren elektrisch leitfähigen Verbindungen 430 nur um einige Millimeter oder einige hundert Mikrometer oder noch weniger voneinander unterscheiden. In verschiedenen Implementierungen können sich die Längen der weiteren elektrisch leitfähigen Verbindungen 430 von der längsten weiteren elektrisch leitfähigen Verbindung 430 nur um einige Prozent, z. B. nur um maximal 10% von der längsten weiteren elektrisch leitfähigen Verbindung 403, z. B. nur um maximal 5%, z. B. nur um maximal 3%, z. B. nur um maximal 1% oder noch weniger unterscheiden.
-
In dem Fall einer Reihenschaltung ist veranschaulichend über eine jeweilige elektrisch leitfähige Verbindung 418, einen ersten Anschluss 414 (z. B. einen Drain-Anschluss) einer jeweiligen elektronischen Schaltvorrichtung 412, einen zweiten Anschluss 416 (z. B. einen Source-Anschluss) der elektronischen Schaltvorrichtung 412, (falls zutreffend, das elektrisch leitfähige Material in der Durchkontaktierung oder der Durchgangsverbindung, z. B. dem Durchgangsloch), einen zweiten Anschluss 426 (z. B. einen Source-Anschluss) der zugeordneten weiteren elektronischen Schaltvorrichtung 422, einen ersten Anschluss 424 (z. B. einen Drain-Anschluss) der zugeordneten weiteren elektronischen Schaltvorrichtung 422 und die jeweilige weitere elektrisch leitfähige Verbindung 430 eine schaltbare Reihenschaltung von dem ersten Schalteranschluss 408 zu dem zweiten Schalteranschluss 410 bereitgestellt.
-
Wie in 4A gezeigt ist, sind sowohl die Anschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 als auch die Anschlüsse der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 vom Mittenbereich des Trägers 422 weg und folglich von dem ersten Schalteranschluss 408 bzw. dem zweiten Schalteranschluss 410 weg gerichtet.
-
Durch das Bereitstellen dieser Anordnung ähnlicher Längen der elektrisch leitfähigen Verbindungen 418 und, falls zutreffend, der weiteren elektrisch leitfähigen Verbindungen 430 kann erreicht werden, dass die elektronischen Schaltvorrichtungen gleichzeitig geschaltet werden, wobei dadurch eine hohe Belastung nur einiger der elektronischen Schaltvorrichtungen aufgrund eines unsynchronisierten Schaltens vermieden wird. Außerdem sind in der in 4A gezeigten Anordnung die zweiten gesteuerten Anschlüsse (z. B. 416, 426) neben ihrer ”gemeinsamen” Durchgangsverbindung, z. B. ihrem ”gemeinsamen” Durchgangsloch, sehr nah nebeneinander angeordnet, wobei dadurch der Abstand zwischen den zweiten gesteuerten Anschlüssen (z. B. 416, 426) minimiert ist.
-
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schalteranordnung 400 ferner eine Steuerschaltung (z. B. den Master-Controller 120) enthalten, die konfiguriert ist, die Steueranschlüsse (z. B. 420, 428) der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und/oder der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 anzusteuern. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, die Steueranschlüsse (z. B. 420, 428) der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und/oder der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 einzeln anzusteuern. In diesem Fall kann die Steuerschaltung mehrere Treiberschaltungen enthalten, wobei jede Treiberschaltung einer entsprechenden elektronischen Schaltvorrichtung 412 und/oder einer entsprechenden weiteren elektronischen Schaltvorrichtung 422 zugeordnet sein kann.
-
4B zeigt eine Draufsicht einer Schalteranordnung 450 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die in 4B gezeigte Schalteranordnung 450 ist zu der in 4A gezeigten Schalteranordnung 400 ähnlich. Deshalb werden im Folgenden nur die Unterschiede der Anordnungen ausführlicher beschrieben. Bezüglich der anderen Merkmale wird auf die obige Beschreibung der in 4A gezeigten Schalteranordnung 400 verwiesen.
-
Wie in 4B gezeigt ist, sind sowohl die Anschlüsse der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 als auch die Anschlüsse der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 zum Mittenbereich des Trägers 422 gerichtet, wobei sie folglich zum ersten Schalteranschluss 408 bzw. zum zweiten Schalteranschluss 410 gerichtet sind.
-
Außerdem können Stromsensoren 452 (die z. B. als Hall-Sensoren und/oder Nebenschlusswiderstände implementiert sind) bereitgestellt sein (es sei angegeben, dass in der in 4A gezeigten Anordnung 400 außerdem Stromsensoren bereitgestellt sein können), um den zwischen den jeweiligen zweiten Anschlüssen (z. B. 416, 426) der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 fließenden Strom zu messen. In verschiedenen Ausführungsformen kann für jedes Paar (das außerdem als eine Gruppe bezeichnet werden kann) der elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und der weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 wenigstens ein Stromsensor 452 bereitgestellt sein.
-
5A zeigt eine Querschnittsansicht 500 einer Implementierung der Schalteranordnung 400 nach 4A oder der Schalteranordnung 450 nach 4B gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
-
Wie in 5A gezeigt ist, können sowohl der erste Schalteranschluss 408 als auch der zweite Schalteranschluss 410 eine jeweilige Presspassungs-Leistungsklemme 502, 504 und einen jeweiligen Isolationsring 506, 508 zwischen einer ersten Presspassungs-Leistungsklemme 502 und der Oberfläche der ersten Seite 404 des Trägers 402 und zwischen einer zweiten Presspassungs-Leistungsklemme 504 und der Oberfläche der zweiten Seite 406 des Trägers 402 enthalten. Außerdem können die elektronischen Schaltvorrichtungen 412 und die weiteren elektronischen Schaltvorrichtungen 422 mittels isolierter Schrauben 510, 512 oder durch andere geeignete Befestigungsmittel, wie z. B. mittels Klemmverbindung oder Adhäsion, an dem Träger 402 befestigt sein. Außerdem sind in 5A die Durchgangsverbindungen, z. B. die Durchgangslöcher 514, 516, gezeigt, durch die die zweiten Anschlüsse (z. B. 416, 426) miteinander verbunden sind. Die elektronischen Schaltvorrichtungen 500 verwenden einen Luftkühlungsmechanismus und können z. B. imstande sein, etwa 10 A pro elektronische Schaltvorrichtung 412, 422 zu führen.
-
5B zeigt eine Querschnittsansicht 550 einer Implementierung der Schalteranordnung 400 nach 4A oder der Schalteranordnung 450 nach 4B gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die in 5B gezeigte Schalteranordnung 550 ist zu der in 5A gezeigten Schalteranordnung 500 ähnlich. Deshalb werden im Folgenden nur die Unterschiede der Anordnungen ausführlicher beschrieben. Bezüglich der anderen Merkmale wird auf die obige Beschreibung der in 5A gezeigten Schalteranordnung 500 verwiesen.
-
Wie in 5B gezeigt ist, kann der Träger 402 zwei Substrate 552, 554 und einen Metallbehälter 556, der eine Kühlflüssigkeit 558, wie z. B. Wasser oder Öl oder eine andere geeignete Kühlflüssigkeit, enthält (mit anderen Worten, mit dieser gefüllt ist), enthalten. Der Metallbehälter 556 kann zwischen die zwei Substrate 552, 554 eingelegt sein. Die elektronischen Schaltvorrichtungen 550 verwenden. einen Flüssigkeitskühlungsmechanismus und können z. B. imstande sein, etwa 25 A pro elektronische Schaltvorrichtung zu führen.
-
6 zeigt eine Implementierung eines Abschnitts 600 einer Batterieanordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In der Implementierung nach 6 kann ein weiterer Hauptschalter 602 (der im Folgenden außerdem als ein dritter Hauptschalter bezeichnet wird) bereitgestellt sein, der mit dem ersten Hauptschalter 112 in Reihe geschaltet sein kann und der zwischen den ersten Hauptanschluss 116 und den ersten Hauptschalter 112 gekoppelt sein kann. Es sei angegeben, dass alle Hauptschalter 112, 114, 602 durch eine Schalteranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsformen implementiert sein können, wie oben beschrieben worden ist und wie im Folgenden beschrieben wird.
-
Außerdem kann der Master-Controller 120 Folgendes enthalten:
einen Mehrbit-Mikrocontroller 604 (z. B. einen 8-bit-, alternativ einen 16-bit- oder 32-bit- oder 64-bit-Mikrocontroller);
einen digitalen Doppelkanal-Isolator 606 (z. B. in der Form eines Transformators oder eines Optokopplers), der an zwei Anschlüsse des Mikrocontrollers 604 auf einer Seite des digitalen Isolators 606 und mit einer ersten Steuerschaltung 608 der tiefen Seite auf der anderen Seite des digitalen Isolators 606 gekoppelt ist;
einen Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) 610, der an einen Steueranschluss des Mikrocontrollers 604 gekoppelt ist, wobei ein erster Eingangsanschluss des DC/DC-Umsetzers 610 an einen ersten Bezugspotentialanschluss 612 (der z. B. konfiguriert ist, ein erstes Bezugspotential von z. B. 12 V zu empfangen) gekoppelt sein kann und ein zweiter Eingangsanschluss des DC/DC-Umsetzers 610 an einen zweiten Bezugspotentialanschluss 614 (der z. B. konfiguriert ist, ein zweites Bezugspotential, z. B. das Massepotential, zu empfangen) gekoppelt sein kann; wobei der DC/DC-Umsetzer 610 ein erstes Ausgangsanschlusspaar, das eine erste elektrische Spannung (z. B. von 12 V) bereitstellt, und ein zweites Ausgangsanschlusspaar, das eine zweite elektrische Spannung (z. B. von 15 V) bereitstellt, die niedriger als die erste elektrische Spannung sein kann, enthalten kann; und
einen Sender/Empfänger 616, der an eine CAN-Busschnittstelle (Controller-Bereichsnetz-Busschnittstelle) 618 gekoppelt ist.
-
Der Abschnitt 600 der Batterieanordnung kann ferner eine Schalter-Treiberschaltung 620 enthalten. Die Schalter-Steuerschaltung 620 kann Folgendes enthalten:
die erste Steuerschaltung 608 der tiefen Seite, die konfiguriert ist, das Schalten des ersten Hauptschalters 112 zu steuern;
eine Steuerschaltung 622 der hohen Seite, die konfiguriert ist, das Schalten des zweiten Hauptschalters 114 zu steuern, wobei die Eingänge der Steuerschaltung 622 der hohen Seite an das erste Ausgangsanschlusspaar des DC/DC-Umsetzers 610 gekoppelt sind; und
eine zweite Steuerschaltung 624 der tiefen Seite, die konfiguriert ist, das Schalten des dritten Hauptschalters 602 zu steuern, wobei die Eingänge der zweiten Steuerschaltung 624 der tiefen Seite an das zweite Ausgangsanschlusspaar des DC/DC-Umsetzers 610 gekoppelt sind.
-
7 zeigt eine Ersatzschaltung 700 einer Implementierung des Hauptschalters 110 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie in 7 gezeigt ist, kann der erste Hauptschalter 112 auf seiner einen Seite an einen ersten Batterieanschluss 106 des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien und auf seiner anderen Seite an den dritten Hauptschalter 602 gekoppelt sein. Der dritte Hauptschalter 602 kann zwischen den ersten Hauptschalter 112 und den ersten Hauptschalteranschluss 116 gekoppelt sein. Der zweite Hauptschalter 114 kann zwischen den zweiten Batterieanschluss 108 des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien und den zweiten Hauptschalteranschluss 118 gekoppelt sein. Außerdem kann jeder Hauptschalter 112, 114, 602 eine einzelne separate Treiberschaltung 702, 704, 706 enthalten. Beispielhaft kann die erste Treiberschaltung 702 in dem oder für den ersten Hauptschalter 112 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des ersten Hauptschalters 112 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist (wobei in diesem Fall die erste Treiberschaltung 702 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des ersten Hauptschalters 112 gekoppelt sein kann). Außerdem kann eine zweite Treiberschaltung 704 in dem oder für den zweiten Hauptschalter 114 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des zweiten Hauptschalters 114 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist (wobei in diesem Fall die zweite Treiberschaltung 704 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des zweiten Hauptschalters 114 gekoppelt sein kann). Außerdem kann eine dritte Treiberschaltung 706 in dem oder für den dritten Hauptschalter 602 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des dritten Hauptschalters 602 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist (wobei in diesem Fall die dritte Treiberschaltung 706 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des dritten Hauptschalters 602 gekoppelt sein kann).
-
In dieser Implementierung kann der erste Hauptschalter 112 z. B. als eine Spannungstrennung der durch das System 102 wiederaufladbarer Batterien bereitgestellten Spannung dienen. Er kann außerdem für ein (z. B. gepulstes) Vorladen der DC-Verbindung (d. h. der DC-Verbindung zwischen dem zweiten zweiten Batterieanschluss 108 und dem zweiten Hauptschalteranschluss 118) dienen, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Der zweite Hauptschalter 114 kann z. B. als eine redundante Spannungstrennung der durch das System 102 wiederaufladbarer Batterien bereitgestellten Spannung dienen. Er kann außerdem für das Vorladen des (nicht gezeigten) (analogen) Eingangskondensators dienen. Außerdem kann der dritte Hauptschalter 602 dazu dienen, eine Überladung in dem Fall einer Ausfallbetriebsart der Batterieladevorrichtung zu verhindern.
-
Die in 7 gezeigt Implementierung, bei der der erste Hauptschalter 112 und der dritte Hauptschalter 602 in dem Abschnitt der hohen Seite angeordnet sind, kann für eine Anwendung z. B. in einem Fahrzeug geeignet sein, wobei das Chassis des Fahrzeugs das Massepotential bildet.
-
Eine alternative Implementierung kann jedoch den ersten Hauptschalter 112 und den dritten Hauptschalter 602 bereitstellen, die in dem Abschnitt der tiefen Seite angeordnet sind, wie in 8 gezeigt ist. Dies kann in einer Anwendung geeignet sein, in der eine positive Spannungsmessung gewünscht ist, d. h. das Potential der Treiberschaltung negativ ist.
-
8 zeigt eine Ersatzschaltung 800 einer weiteren Implementierung des Hauptschalters 110 gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
-
In dieser Implementierung kann der zweite Hauptschalter 114 zwischen den ersten Batterieanschluss 106 und den ersten Hauptschalteranschluss 116 gekoppelt sein. Außerdem kann der dritte Hauptschalter 602 auf seiner einen Seite an den zweiten Batterieanschluss 108 des Systems 102 wiederaufladbarer Batterien und auf seiner anderen Seite an den ersten Hauptschalter 112 gekoppelt sein. Der erste Hauptschalter 112 kann zwischen den dritten Hauptschalter 602 und den zweiten Hauptschalteranschluss 118 gekoppelt sein. Außerdem kann jeder Hauptschalter 112, 114, 602 eine einzelne separate Treiberschaltung 702, 704, 706 enthalten. Beispielhaft kann die erste Treiberschaltung 702 in dem oder für den ersten Hauptschalter 112 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des ersten Hauptschalters 112 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist (wobei in diesem Fall die erste Treiberschaltung 702 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des ersten Hauptschalters 112 gekoppelt sein kann). Außerdem kann eine zweite Treiberschaltung 704 in dem oder für den zweiten Hauptschalter 114 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des zweiten Hauptschalters 114 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist (wobei in diesem Fall die zweite Treiberschaltung 704 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des zweiten Hauptschalters 114 gekoppelt sein kann). Außerdem kann eine dritte Treiberschaltung 706 in dem oder für den dritten Hauptschalter 602 bereitgestellt sein, wobei sie an den Steueranschluss der Schaltvorrichtung des dritten Hauptschalters 602 gekoppelt sein kann, die z. B. als ein Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, implementiert ist, (wobei in diesem Fall die dritte Treiberschaltung 706 an den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors des dritten Hauptschalters 602 gekoppelt sein kann).
-
9 zeigt einen Stromlaufplan 900 des ersten Hauptschalters 112 und des dritten Hauptschalters 602 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie in 9 gezeigt ist, kann ein Stromsensor 128 (z. B. ein Hall-Sensor 128) für mehrere, aber nicht für alle Schaltvorrichtungen des ersten Hauptschalters 112 und des dritten Hauptschalters 602 bereitgestellt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann im Fall von acht Schaltvorrichtungen 412, 422 ein erster Hallsensor 128 für vier Schaltvorrichtungen (S1 1–4) 412, 422 der ersten Hauptschalter 112 und für vier Schaltvorrichtungen (S3 1–4) 412, 422 der dritten Hauptschalter 602 bereitgestellt sein, während ein zweiter Hall-Sensor 128 für die anderen vier Schaltvorrichtungen (S1 5–8) 412, 422 der ersten Hauptschalter 112 und für die anderen vier Schaltvorrichtungen (S3 5–8) 412, 422 der dritten Hauptschalter 602 bereitgestellt sein kann.
-
Wie oben erwähnt worden ist, kann der erste Hauptschalter 112 für ein (z. B. gepulstes) Vorladen der DC-Verbindung dienen, um einen höheren Überstromschwellenwert für den ersten Hauptschalter 112 und/oder für den dritten Hauptschalter 602 zu erreichen. 10 zeigt einen Abschnitt 1000 einer Batterieanordnung, die mehrere Hauptschalter 112, 114, 602 enthält, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine erste Vorladeschaltung 1002 für den ersten Hauptschalter 112 bereitgestellt sein, während eine zweite Vorladeschaltung 1010 für den dritten Hauptschalter 602 bereitgestellt sein kann, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Die erste Vorladeschaltung 1002 kann einen ersten Komparator 1004 enthalten, der mit dem ersten Hauptschalter 112 parallelgeschaltet sein kann. Außerdem kann die zweite Vorladeschaltung 1010 einen zweiten Komparator 1012 enthalten, der mit dem dritten Hauptschalter 602 parallelgeschaltet sein kann.
-
11A zeigt einen Abschnitt 1100 einer Vorladeschaltung (z. B. der ersten Vorladeschaltung 1002 oder der dritten Vorladeschaltung 1010) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Wie in 11A gezeigt ist, kann eine erste elektronische Schaltvorrichtung 412, 1102, die einen Abschnitt der ersten Vorladeschaltung 1002 enthält, einen Transistor 1104, z. B. einen Leistungstransistor 1104, wie oben beschrieben worden ist, und eine Schaltung, die konfiguriert ist, ein schnelles Einschalten und Ausschalten des Transistors 1104 bereitzustellen, enthalten. Die Schaltung kann eine Treiberschaltung 1106 (z. B. eine FET-Treiberschaltung 1106, z. B, eine MOSFET-Treiberschaltung 1106, z. B. eine MIC-4416-Treiberschaltung) enthalten, von der ein Eingang an einen Steuereingang 1108 der ersten Vorladeschaltung 1002 gekoppelt ist, wobei ein erster Ausgang über einen ersten Widerstand 1110 an den Steueranschluss (z. B. das Gate) des Transistors 1104 gekoppelt sein kann, während ein zweiter Ausgang an den ersten Hauptschalteranschluss 116 und über einen zweiten Widerstand 1112 außerdem an den Steueranschluss (z. B. das Gate) des Transistors 1104 gekoppelt sein kann. Außerdem kann der erste Hauptschalteranschluss 116 an einen ersten gesteuerten Anschluss (z. B. die Source oder den Drain) des Transistors 1104 gekoppelt sein, während ein zweiter gesteuerter Anschluss (z. B. der Drain oder die Source) des Transistors 1104 an den ersten Batterieanschluss 106 gekoppelt sein kann.
-
Es sei angegeben, dass diese zusätzliche Treiberschaltung nur in einer oder einigen (aber nicht in allen) der elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422, 1102 bereitgestellt sein kann. Dies ist in 11B veranschaulicht, die einen Abschnitt 1150 einer Vorladeschaltung (z. B. der ersten Vorladeschaltung 1002 oder der dritten Vorladeschaltung 1010) gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.
-
Wie in 11B gezeigt ist, können die anderen elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 die Schaltung enthalten, wie sie in 11A gezeigt ist und unter Bezugnahme auf 11A beschrieben worden ist, wobei sie folglich die Treiberschaltung enthalten können, wie sie bezüglich der ersten elektronischen Schaltvorrichtung 412, 1102 nach 11A beschrieben worden ist. Die erste Vorladeschaltung 1002 kann den ersten Komparator 1004 enthalten, der als ein RS-Flipflop implementiert sein kann. Der Rücksetzeingang R des ersten Komparators 1004 kann an den ersten Batterieanschluss 106 gekoppelt sein, der Setzeingang S des ersten Komparators 1004 kann an die Steuerschaltung 622 der hohen Seite gekoppelt sein und der Ausgang Q des ersten Komparators 1004 kann an die Steuereingänge der elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 gekoppelt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausgang Q des ersten Komparators 1004 direkt an den Steuereingang der ersten Vorladeschaltung 1002 und folglich an den Eingang der Treiberschaltung 1106 gekoppelt sein. Außerdem kann der Ausgang Q des ersten Komparators 1004 über eine Parallelschaltung einer Diode 1152 und eines Widerstandes 1154 an die Steuereingänge der anderen elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 gekoppelt sein und dadurch das am Ausgang Q des ersten Komparators 1004 den Steuereingängen der anderen elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 bereitgestellte Steuersignal verzögern. Außerdem kann ein Kondensator 1156 zwischen die Parallelschaltung und den ersten Hauptschalteranschluss 116 geschaltet sein.
-
Folglich kann die erste Vorladeschaltung 1002 ein schnelles Einschalten und Ausschalten der ersten elektronischen Schaltvorrichtung 412, 1102 und ein schnelles Ausschalten, aber nur ein langsames Einschalten (das durch die oben beschriebene Parallelschaltung verzögert ist) der anderen elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 bereitstellen.
-
In verschiedenen Ausführungsformen können die erste elektronische Schaltvorrichtung 412 und die anderen elektronischen Schaltvorrichtungen 412, 422 mittels mehrerer einzelner Steuersignale gesteuert sein, die durch den ersten Komparator 1004 oder durch eine weitere Schaltung bereitgestellt werden können.
-
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen besonders gezeigt und beschrieben worden ist, sollte es für die Fachleute auf dem Gebiet selbstverständlich sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und den Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert sind. Der Schutzumfang der Erfindung ist folglich durch die beigefügten Ansprüche angegeben, wobei deshalb vorgesehen ist, dass alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche kommen, eingeschlossen sind.
