DE102014220088A1

DE102014220088A1 - Leistungsschalter, Batteriesystem und Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters

Info

Publication number: DE102014220088A1
Application number: DE102014220088.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Strobel; Oliver Krayl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07
Also published as: JP2017532743A; WO2016050448A1; KR20170057302A; CN106716770A; US10525847B2; US20170217327A1; CN106716770B; JP6325747B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter (100) für ein Batteriesystem. Der Leistungsschalter (100) umfasst einen ersten Anschluss (104) und einen zweiten Anschluss (106), einen Steueranschluss (102) zum Empfangen eines Ansteuersignals (108), eine Einrichtung (112) zum Bestimmen eines Leistungsschaltsignals (114) und eines Kommunikationssignals (116) unter Verwendung des Ansteuersignals (108), einen Leistungsteil (118) mit zumindest einem Schalter (122) zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des Leistungsschaltsignals (114) sowie einen Kommunikationsteil (120) mit zumindest einem Schalter (124) zum Schalten der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des Kommunikationssignals (116).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsschalter für ein Batteriesystem, auf ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem sowie auf ein entsprechendes Batteriesystem.
Die Steigerung der Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz, Reichweite und eine weitere Erhöhung der Sicherheit sind ausschlaggebende Kriterien für die Entwicklung zukünftiger Li-lonen-Batteriesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Zur Überwachung von Systemparametern ebenso wie zur Regelung des Batteriezustands ist eine Kommunikation von Daten zwischen Batteriezellen beziehungsweise Batteriemodulen und dem zentralen Batteriesteuergerät erforderlich. Ziel ist der Ersatz der bisher zur Datenkommunikation eingesetzten galvanisch isolierten Verkabelung durch eine Datenübertragung mittels Powerline-Kommunikation.
Die EP 2642629 offenbart eine Batterievorrichtung, ein Batterieverwaltungssystem sowie ein Batterieverwaltungsverfahren.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein verbesserter Leistungsschalter für ein Batteriesystem, weiterhin ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem sowie schließlich ein entsprechendes Batteriesystem, das den Leistungsschalter verwendet, gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Leistungsschalter kann neben der Schaltung von hohen Strömen zur Übertragung eines Kommunikationssignals verwendet werden. Hierbei ist es vorteilhaft, die Schalteigenschaften des Leistungsschalters sowohl im Hinblick auf eine Schaltung der hohen Ströme als auch im Hinblick auf die Übertragung des Kommunikationssignals zu optimieren. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erfolgen, dass zumindest ein Schalter des Leistungsschalters zum Schalten der hohen Ströme und zumindest ein weiterer Schalter des Leistungsschalters zum Übertragen des Kommunikationssignals eingesetzt werden.
Es wird ein Leistungsschalter für ein Batteriesystem vorgestellt, wobei der Leistungsschalter die folgenden Merkmale aufweist:
einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss zum Empfangen eines Ansteuersignals;
eine Einrichtung zum Bestimmen eines Leistungsschaltsignals und eines Kommunikationssignals unter Verwendung des Ansteuersignals;
einen Leistungsteil mit zumindest einem ersten Schalter zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung des Leistungsschaltsignals; und
einen Kommunikationsteil mit zumindest einem zweiten Schalter zum Schalten der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung des Kommunikationssignals.
Der Leistungsschalter kann beispielsweise für einen Inverter, eine Inverterschaltung oder ein Batteriesystem mit einer oder mehreren Batteriezellen verstanden werden. Das Batteriesystem kann für ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug verwendet werden. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen, ein Krad, einen Lastkraftwagen, eine Zugmaschine, einen Omnibus, eine Arbeitsmaschine, ein Flurförderzeug oder ein Schienenfahrzeug handeln. Der Leistungsschalter kann drei Anschlüsse aufweisen. Der Steueranschluss kann als Gate-Anschluss oder Gate-Elektrode bezeichnet werden. Unter dem ersten Anschluss kann eine Drain-Elektrode, ein Drain-Anschluss, ein Kollektor oder ein Kollektoranschluss verstanden werden. Unter dem zweiten Anschluss kann eine Source-Elektrode, ein Source-Anschluss, ein Emitter oder ein Emitteranschluss verstanden werden. Unter dem zumindest einen ersten Schalter des Leistungsteils und dem zumindest einen zweiten Schalter des Kommunikationsteils können Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren, verstanden werden.
Die Einrichtung zum Bestimmen kann ausgebildet sein, um das Leistungsschaltsignal als einen ersten Signalanteil des Ansteuersignals und das Kommunikationssignal als einen zweiten Signalanteil des Ansteuersignals zu bestimmen. Die Signalanteile können durch unterschiedliche Frequenzbereiche des Ansteuersignals definiert sein. Beispielsweise können der erste Signalanteil einem niederfrequenten Frequenzbereich des Ansteuersignals und der zweite Signalanteil einem hochfrequenten Signalanteil des Ansteuersignals zugeordnet sein. Beispielsweise können die Signalanteile durch eine geeignete Filtereinrichtung einfach aus dem Ansteuersignal extrahiert werden.
Dazu kann die Einrichtung zum Bestimmen einen Hochpassfilter und einen Tiefpassfilter aufweisen. Die Einrichtung zum Bestimmen kann ausgebildet sein, das Ansteuersignal unter Verwendung des Tiefpassfilters zu filtern, um das Leistungsschaltsignal mit niederfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals zu bestimmen. Die Einrichtung zum Bestimmen kann ausgebildet sein, das Ansteuersignal unter Verwendung des Hochpassfilters zu filtern, um das Kommunikationssignal mit hochfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals zu bestimmen. Unter einem Hochpassfilter, auch als Hochpass oder Tiefensperre bezeichnet, kann ein Filter verstanden werden, der ausgebildet ist, Frequenzen eines Signals oberhalb einer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren zu lassen und tiefere Frequenzen – unterhalb der Grenzfrequenz – zu dämpfen. Unter einem Tiefpassfilter, auch als Tiefpass bezeichnet, kann ein Filter verstanden werden, der ausgebildet ist, Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren zu lassen und höhere Frequenzen – oberhalb der Grenzfrequenz – zu dämpfen. Solche Filter sind kostengünstig zu realisieren.
Der Leistungsteil kann eine Mehrzahl von ersten Schaltern aufweisen, die unter Verwendung des Leistungsschaltsignals ansteuerbar sind. Auf diese Weise kann ein über den Leistungsteil zu schaltender Strom auf mehrere Schalter verteilt werden, wodurch eine Überhitzung des Leistungsteils verhindert werden kann.
Der Kommunikationsteil kann eine Mehrzahl von zweiten Schaltern aufweisen, die unter Verwendung des Kommunikationssignals ansteuerbar sind. Dabei kann eine Anzahl der ersten Schalter des Leistungsteils größer als eine Anzahl der zweiten Schalter des Kommunikationsteils sein. Beispielsweise kann die Anzahl der ersten Schalter zumindest um den Faktor 100 größer als die Anzahl der zweiten Schalter sein.
Die Mehrzahl von ersten Schaltern des Leistungsteils und die Mehrzahl von zweiten Schaltern des Kommunikationsteils können dabei zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss parallel geschaltet sein. Die Schalter des Leistungsschalters können somit entsprechend zu den Schaltern bekannter Leistungsschalter angeordnet sein.
Der Leistungsschalter kann als ein Halbleiterbauelement ausgeführt sein. Ein solches Element zeichnet sich durch günstige Herstellungskosten und einen geringen Raumbedarf aus.
Der Leistungsschalter kann ausgebildet sein, um unter Verwendung des zumindest einen ersten Schalters und des zumindest einen zweiten Schalters einen elektrischen Strom größer 100 Ampere zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu schalten. Insbesondere kann der Leistungsschalter ausgebildet sein, einen elektrischen Strom von zumindest 500 Ampere zu schalten. Somit kann ein Hochstromschalter realisiert werden, bei dem z.B. eine Einzelbatteriezelle bei einem Strom von mehr als 100A aber einer Spannung von nur 4V geschaltet werden kann. Somit eignet sich der Leistungsschalter zur Schaltung von in einem Batteriesystem eines Fahrzeugs auftretenden Strömen.
Es wird ferner ein Batteriesystem mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
zumindest einer Batteriezelle;
einem genannten Leistungsschalter, wobei der erste Anschluss oder der zweite Anschluss des Leistungsschalters mit einem Anschlusskontakt der zumindest einen Batteriezelle gekoppelt ist; und
einem Steuergerät, das ausgebildet ist, das Ansteuersignal an den Steueranschluss des Leistungsschalters bereitzustellen.
Eine Batteriezelle kann beispielsweise eine Li-Ion-Zelle sein. Das Batteriesystem kann auch eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweisen, die in einem oder mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sein können. Dabei kann einem Batteriemodul je ein Leistungsschalter zugeordnet sein.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem vorgestellt, wobei der Leistungsschalter einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen Steueranschluss, einen Leistungsteil mit zumindest einem ersten Schalter und einen Kommunikationsteil mit zumindest einem zweiten Schalter aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen eines Leistungsschaltsignals und eines Kommunikationssignals unter Verwendung eines am Steueranschluss anliegenden Ansteuersignals;
Verwenden des Leistungsschaltsignals zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung des zumindest einen ersten Schalters des Leistungsteils; und
Verwenden des Kommunikationssignals zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung des zumindest einen zweiten Schalters des Kommunikationsteils.
Das Verfahren kann eine überlagerte Datenkommunikation auf einem Leistungssignal schaffen. Das Verfahren zum Schalten eines Leistungsschalters kann bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Optimierung des Schaltverhaltens eines Leistungsschalters oder Transistors für zwei Frequenzbereiche von Vorteil ist. Dies kann beispielsweise bei der Kombination von Leistungsschaltverhalten und Kommunikationssignalübertragung auf einem Leistungsschalter oder Transistor der Fall sein. So kann das beschriebene Verfahren beispielsweise für gleichzeitige Ansteuer- und Leistungsschalterkonzepte in Batteriesystemen beziehungsweise Hochvolt-Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen, im Besonderen bei Inverterkonzepten mit zell- oder modulintegrierter Leistungselektronik, genutzt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem;
4 ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine vereinfachte Darstellung von normierten Signalen eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Leistungsschalters für ein Batteriesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 ein Batteriesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsschalter 100 weist drei Anschlüsse 102, 104, 106 auf. Ein Steueranschluss 102 ist ausgebildet, ein Ansteuersignal 108 zu empfangen. Der Leistungsschalter 100 ist ausgebildet, um gesteuert durch das Ansteuersignal 108 eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 zu schalten oder herzustellen. Der Leistungsschalter 100 weist eine Einrichtung 112 zum Bestimmen eines Leistungsschaltsignals 114 und eines Kommunikationssignals 116 auf. Die Einrichtung 112 zum Bestimmen ist ausgebildet, das Leistungsschaltsignal 114 und das Kommunikationssignal 116 unter Verwendung des Ansteuersignals 108 zu bestimmen. Der Leistungsschalter 100 weist einen Leistungsteil 118 und einen Kommunikationsteil 120 auf. Der zumindest einen ersten Schalter 122 umfassende Leistungsteil 118 ist ausgebildet, unter Verwendung des Leistungsschaltsignals 114 die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 herzustellen. Der zumindest einen zweiten Schalter 124 umfassende Kommunikationsteil 120 ist ausgebildet, unter Verwendung des Kommunikationssignals 116 die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 herzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Leistungsschalter 100 zur überlagerten Datenkommunikation für ein Batteriesystem, wie dies in 7 dargestellt ist, verwendet. Beispielsweise wird das Batteriesystem in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug eingesetzt.
In einem in 1 nicht gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Einrichtung 112 zum Bestimmen einen Tiefpassfilter und einen Hochpassfilter auf. Die Einrichtung 112 zum Bestimmen ist in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, das Ansteuersignal 108 unter Verwendung eines Tiefpassfilters zu filtern, um das Leistungsschaltsignal 114 mit niederfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals 108 zu bestimmen. Ferner ist die Einrichtung 112 zum Bestimmen ausgebildet, das Ansteuersignal 108 unter Verwendung eines Hochpassfilters zu filtern, um das Kommunikationssignal 116 mit hochfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals 108 zu bestimmen.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Leistungsteil 118 eine Mehrzahl von ersten Schaltern 122, die unter Verwendung des Leistungsschaltsignals 114 ansteuerbar sind. Die ersten Schalter 122 sind zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 parallel zueinander geschaltet.
Der Kommunikationsteil 120 kann eine Mehrzahl von zweiten Schaltern 124 aufweisen, die unter Verwendung des Kommunikationssignals 116 ansteuerbar sind. Dabei sind die zweiten Schalter 124 zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 parallel zueinander geschaltet.
Eine Anzahl der ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 ist dabei größer als eine Anzahl der zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Leistungsschalters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Leistungsschalter 100 weist einen Steueranschluss 102, einen ersten Anschluss 104 und einen zweiten Anschluss 106 auf. Ein Gehäuse 226 umschließt die Einrichtungen des Leistungsschalters 100.
Der Steueranschluss 102 wird auch als Gate-Anschluss 102 bezeichnet. Der erste Anschluss 104 wird auch als ein Drain-Anschluss 104, ein Kollektor 104 oder ein Kollektoranschluss 104 bezeichnet. Und der zweite Anschluss 106 wird auch als ein Source-Anschluss 106, ein Emitter 106 oder ein Emitteranschluss 106 bezeichnet.
Bei dem in 2 gezeigten Leistungsschalter 100 kann es sich um ein in einem Gehäuse angeordnetes Ausführungsbeispiel eines in 1 gezeigten Leistungsschalters 100 handeln. In einer Variante handelt es sich bei dem Leistungsschalter 100 um ein Halbleiterbauelement, welches ausgebildet ist, elektrischen Strom größer 100 Ampere und Spannung größer 1000 Volt zu schalten. Dabei schafft der Leistungsschalter eine auf dem Leistungssignal überlagerte Datenkommunikation.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters 300 für ein Batteriesystem. Der Leistungsschalter 300 weist einen Steueranschluss 102, einen ersten Anschluss 104, einen zweiten Anschluss 106 und vier Schalter 322 bzw. vier Einzelschalter 322 auf.
Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine typische Anordnung der Einzelschalter 322, wobei eine Parallelanordnung vieler einzelner Schalter 322 (typ. Transistoren 322) dargestellt ist. Durch die parallele Verschaltung von einer Anzahl N dieser Einzelschalter 322 kann für den Leistungsschalter 300 eine Stromfähigkeit erreicht werden, die näherungsweise dem N-fachen des Einzelschalters 322 entspricht.
Für einen Leistungsschalter 300, auch als Transistor 300 bezeichnet, ergibt sich für die Gesamtstromfähigkeit l_ges näherungsweise die Summe der Einzelstromfähigkeiten l_einzel aller N Transistoren 322: l_ges = N·l_einzel (1)
Das Frequenzverhalten eines Transistors 300 wird maßgeblich durch die Größe der Eingangskapazität C_G am Steuereingang 102 bestimmt. Dabei berechnet sich die Zeitkonstante T_G aus dem Produkt vom C_G und dem Zuleitungswiderstand R_G: T_G = CG·RG (2)
Bei der Parallelschaltung der Einzeltransistoren 322 zu einem Gesamttransistor 300 addieren sich die jeweiligen Einzel-Eingangskapazitäten C_{G einzel} zur Gesamt-Eingangskapazität C_{G_ges}: C_{G ges} = C_{G einzel}·N (3)
Damit ergibt sich für die Gesamt-Zeitkonstante T_{G_ges} aus Gleichungen (2) und (3): T_{G ges} = C_{G einzel}·N·R_G (4)
Durch die Summe der Einzelkapazitäten C_{G_einzel} ist damit T_{G_ges} um den Faktor N größer im Vergleich zu einem Einzel-Transistor 322 und damit auch um diesen Faktor langsamer im Schaltverhalten.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters 100 für ein Batteriesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Leistungsschalter 100 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines 1 gezeigten Leistungsschalters 100 handeln, wobei der Leistungsteil 118 eine Anzahl N – n erste Schalter 122 umfasst und der Kommunikationsteil 120 eine Anzahl von n zweiten Schaltern 124 umfasst. In 4 sind für den Leistungsteil 118 von einer Anzahl von N – n ersten Schaltern 122 lediglich zwei erste Schalter 122 dargestellt. Der Kommunikationsteil 120 weist zwei zweite Schalter 124 auf. In einem günstigen Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 um einen Faktor von beispielsweise zumindest 100 größer als die Anzahl der zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120.
Der Leistungsschalter 100 weist weiterhin einen Steuerungsanschluss 102 zum Empfangen eines Ansteuersignals 108 auf. Weiterhin weist der Leistungsschalter 100 einen ersten Anschluss 104 und einen zweiten Anschluss 106 auf. Der Steueranschluss 102 ist mit einer Einrichtung 112 zum Bestimmen verbunden. Die Einrichtung 112 zum Bestimmen umfasst einen Tiefpassfilter 430 sowie einen Hochpassfilter 432. Der Tiefpassfilter 430 ist ausgebildet, unter Verwendung des Ansteuersignals 108 ein Leistungssignal 114 zu bestimmen. Der Hochpassfilter 432 ist ausgebildet, unter Verwendung des Ansteuersignals 108 ein Kommunikationssignal 116 zu bestimmen. Die ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 und die zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120 sind zwischen dem ersten Anschluss 104 und dem zweiten Anschluss 106 parallel geschaltet.
In einem Ausführungsbeispiel bestimmt der Tiefpassfilter 430 ansprechend auf das Ansteuersignal 108 das Leistungssignal 114. Der Hochpassfilter 432 bestimmt ansprechend auf das Ansteuersignal 108 das Kommunikationssignal 116.
Ein Ausgang 434 des Tiefpassfilters 430 ist über eine erste Signalleitung 436, beziehungsweise niederfrequente Signalleitung 436, mit einem Steueranschluss 438 der ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 verbunden. Ein Ausgang 440 des Hochpassfilters 432 ist über eine zweite Signalleitung 442, beziehungsweise hochfrequente Signalleitung 442, mit einem Steueranschluss 444 der zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120 verbunden. Zwischen dem Steueranschluss 438 der ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 und dem zweiten Anschluss 106 ist jeweils eine Kapazität C_{G_NF} angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden. Zwischen dem Steueranschluss 444 der zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120 und dem zweiten Anschluss 106 ist jeweils eine Kapazität C_{G_HF} angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden.
Der in 4 dargestellte Leistungsschalter 100 weist eine strukturelle Ähnlichkeit zu dem in 3 gezeigten Leistungsschalter 300 auf. Sowohl der in 3 gezeigte Leistungsschalter 300 als auch der in 4 gezeigte Leistungsschalter 100 weisen eine Anzahl N von Schaltern 322 (3) bzw. eine Gesamtanzahl N von ersten Schaltern 122 und zweiten Schaltern 124 (4) auf. In 3 wird das an den Steuereingang 102 anliegende Ansteuersignal 108 direkt an die Schalter 322 geleitet, wohingegen in 4 aus dem Ansteuersignal 108 in der Einrichtung 112 zum Bestimmen ein Leistungssignal 114 und ein Kommunikationssignal 116 bestimmt werden und das Leistungssignal 114 an die ersten Schalter 122 des Leistungsteils 118 und das Kommunikationssignal 116 an die zweiten Schalter 124 des Kommunikationsteils 120 geleitet wird.
Von der Anzahl N der ersten und zweiten Schalter 122, 124 ist eine deutlich geringere Anzahl n der zweiten Schalter 124 separat mit dem Steueranschluss 102 verbunden, um diese für die Schaltvorgänge des hochfrequenten Signalanteils zu verwenden. Somit ergibt sich für die Stromfähigkeit des Gesamttransistors l_ges eine Aufteilung in einen niederfrequenten Anteil I_NF, der über eine Anzahl von N – n ersten Schaltern 122 geschaltet wird, und einen hochfrequenten Anteil I_HF, der über eine Anzahl von n zweiten Schaltern 124 geschaltet wird: l_ges = I_NF + I_HF = l_einzel·(N – n) + l_einzel·n (5)
Da n « N, das heißt, dass die Anzahl n der zweiten Schalter 124 erheblich geringer als die Anzahl N der ersten Schalter 122 ist, vorausgesetzt wird, kann die Stromfähigkeit I_NF im niederfrequenten Bereich als nahezu unbeeinträchtigt angesehen werden, also l_ges ca. I_NF und auch die Zeitkonstante T_{G_NF}, der an die niederfrequente Signalleitung 436 angeschlossenen Transitarkapazitäten C_{G_NF} entspricht, ca. der Zeitkonstante T_G. T_{G_NF} = C_{G_NF}·(N – n) (6)
Im Gegensatz dazu ergibt sich für die an die hochfrequente Signalleitung 442 angeschlossenen zweiten Schalter 124 eine Stromfähigkeit I_HF: I_HF = l_einzel·n (7)
Und somit I_HF « l_ges. Da jedoch hochfrequent nur Kommunikationssignale 116 mit deutlich geringerer Leistung als im niederfrequenten Pfad übertragen werden, stellt diese Einschränkung keinen Nachteil dar.
Vorteilhaft ergibt sich die resultierende Zeitkonstante T_{G_HF} des hochfrequenten Signalpfads mit: T_{G_HF} = C_{G_einzel}·n·R_G (8)
Diese Zeitkonstante T_{G_HF} ist um den Faktor N/n geringer als die des in 3 dargestellten Gesamtleistungsschalters T_G, das heißt Leistungsschalter 300. Somit kann eine maßgebliche Verringerung der transienten Zeitdauer des Umschaltens erreicht werden und somit ist dieser Leistungsschalter 100 auch für die Übertragung hochfrequenter Signalanteile geeignet. In der Ansteuerung der Leistungsschalter 100 ergibt sich kein Unterschied zu bisherigen Systemen (keine Kosten für Umstellungen), da weiterhin nur ein Steueranschluss 102 vorhanden ist und die Signalaufspaltung des hoch- und niederfrequent überlagerten Ansteuersignals 108 in das Leistungssignal 114 und das Kommunikationssignal 116 im Leistungshalbleiterbauelement 100 beziehungsweise in der Einrichtung 112 zum Bestimmen innerhalb des Leistungsschalters 100 durchgeführt wird. Die Kombination des optimierten Schaltverhaltens sowohl für niederfrequente Leistungssignale 114 sowie für hochfrequente Datensignale 116 stellt eine deutliche Verbesserung des Stands der Technik dar und kann beispielsweise bei Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen zum gleichzeitigen Schalten der Inverterströme wie auch der Kommunikationssignale zu Modulen oder Batteriezellen genutzt werden.
Vorteilhaft verbessert eine Aufteilung der Schalter 122, 124 in einen Leistungsteil 118 und einen Kommunikationsteil 120 ein zeitliches Verhalten eines Leistungstransistors 100 für das Schalten von hochfrequenten Signalen.
5 zeigt eine vereinfachte Darstellung von normierten Signalen 108, 114, 116 eines Leistungsschalters. In einer gestapelten Darstellung sind ein Ansteuersignal 108, ein Leistungssignal 114 sowie ein Kommunikationssignal 116 dargestellt. Die genannten Signale 108, 114, 116 sind jeweils in einem kartesischen Koordinatensystem mit einer normierten Amplitude auf der Ordinate und in normierten Zeiteinheiten auf der Abszisse dargestellt. Das Ansteuersignal 108 kann auch als ein Gate-Ansteuersignal 108 bezeichnet werden. Das Leistungssignal 114 kann auch als ein niederfrequentes Leistungsschaltsignal 114 bezeichnet werden. Unter dem Kommunikationssignal 116 kann ein hochfrequentes Kommunikationssignal 116 verstanden werden. Bei den Signalen 108, 114, 116 handelt es sich um Wechselsignale. Dabei weist das Ansteuersignal 108 drei voneinander verschiedene Signalpegel und das Leistungssignal 114 sowie das Kommunikationssignal 116 zwei voneinander verschiedene Signalpegel auf. Die Periodendauer der Signale ist für die Darstellung in 5 willkürlich gewählt. Dabei repräsentiert die Darstellung des Leistungssignals 114 ein niederfrequentes Signal und die Darstellung des Kommunikationssignals 116 ein hochfrequentes Signal. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht das Ansteuersignal 108 einer Addition des Leistungssignals 114 und des Kommunikationssignals 116.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Leistungsschalters zur überlagerten Datenkommunikation für ein Batteriesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Leistungsschalter kann es sich beispielsweise um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 oder 4 gezeigten Leistungsschalters 100 handeln. Das Verfahren umfasst einen Schritt 602 des Bestimmens eines Leistungsschaltsignals und eines Kommunikationssignals unter Verwendung eines am Steueranschluss des Leistungsschalters anliegenden Ansteuersignals, einen Schritt 604 des Verwendens des Leistungsschaltsignals zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung zumindest eines ersten Schalters des Leistungsteils und einen Schritt 606 des Verwendens des Kommunikationssignals zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss unter Verwendung zumindest eines zweiten Schalters des Kommunikationsteils.
In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 604 des Verwendens der Leistungsteil des Leistungsschalters unter Verwendung des Leistungsschaltsignals angesteuert, um eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu schalten sowie im Schritt 606 des Verwendens der Kommunikationsteil des Leistungsschalters unter Verwendung des Kommunikationssignals angesteuert, um die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu schalten. Dabei werden im Schritt 604 die ersten Schalter im Leistungsteil angesteuert und im Schritt 606 die zweiten Schalter im Kommunikationsteil angesteuert, um die elektrische Verbindung zu schalten.
Die Schritte 604, 606 des Ansteuerns werden typischerweise parallel zueinander ausgeführt, können jedoch auch sequenziell ausgeführt werden.
In einem optionalen Ausführungsbeispiel werden im Schritt 602 des Bestimmens das Leistungsschaltsignal und das Kommunikationssignal unter Verwendung einer Signalverarbeitungsvorschrift bestimmt. Dabei wird unter Verwendung der zumindest einen Signalverarbeitungsvorschrift und des Ansteuersignals das Leistungsschaltsignal mit niederfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals und das Kommunikationssignal mit hochfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals bestimmt.
Ein Aspekt des in 6 beschriebenen Verfahrens ist, dass ein elektrischer Schalter, typischerweise ein Leistungshalbleiter, der als ein Bauelement gefertigt ist, sowohl Eigenschaften zum Schalten von hohen Strömen – beim Elektrofahrzeug mehrere Hundert Ampere – wie auch Eigenschaften zum Schalten von hochfrequenten Kommunikationssignalen besitzt. Vorteilhaft können Batteriezellen oder Batteriemodule mit integrierter Leistungselektronik (Inverter auf Modulebene oder Zellebene) ohne zusätzlichen Kommunikationstreiber Messdaten und Regeldaten zwischen Zellen oder Modulen und zentralem Steuergerät austauschen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 750 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Batteriesystem 750 kann es sich um eine Li-Ion-Batterie 750 handeln. Das Batteriesystem 750 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Steuergerät 752, ein Batteriemodul 754 mit jeweils einem Leistungsschalter 100, zwei Batteriezellen 756 und beispielsweise einem Sensor 757.
Das Steuergerät 752 ist über eine Steuerleitung 758 mit dem Steueranschluss 102 des Leistungsschalters 100 verbunden. Das Batteriesystem 750 weist einen ersten Anschluss 760 und einen zweiten Anschluss 762 auf. Der erste Anschluss 760 ist mit einem ersten Anschluss des Leistungsschalters 100 verbunden. Der zweite Anschluss des Leistungsschalters 100 ist mit ersten Anschlüssen der Batteriezellen 756 sowie einem Kommunikationsanschluss des Sensors 757 verbunden. Zweite Anschlüsse der Batteriezellen 756 sind mit dem zweiten Anschluss 762 des Batteriesystems 750 verbunden.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Leistungsschalter 100, auch als Leistungstransistor 100 bezeichnet, ein optimiertes Schaltverhalten zur überlagerten Datenkommunikation beispielsweise auf Li-Ion-Batterien auf.
Die in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellten Leistungsschalter 100 werden zusätzlich als Kommunikationstreiber eingesetzt. Vorteilhaft bei der Verwendung der hier beschriebenen modul- oder zellintegrierten Leistungsschalter 100 als Kommunikationstreiber ist, dass das Schaltverhalten (Anstiegszeiten, Eingangskapazitäten, ...) sowohl auf die Kommunikationsfrequenzen als auch auf die typischerweise im Verhältnis zu den Kommunikationsfrequenzen (typisch » 100kHz) deutlich niedrigeren Frequenzen der Leistungsschalter I Inverterfrequenzen (typ. 1 kHz bis 10 kHz) angepasst ist.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2642629 [0003]

Claims

Leistungsschalter (100) für ein Batteriesystem (750), wobei der Leistungsschalter (100) die folgenden Merkmale aufweist: einen ersten Anschluss (104), einen zweiten Anschluss (106) und einen Steueranschluss (102) zum Empfangen eines Ansteuersignals (108); eine Einrichtung (112) zum Bestimmen eines Leistungsschaltsignals (114) und eines Kommunikationssignals (116) unter Verwendung des Ansteuersignals (108); einen Leistungsteil (118) mit zumindest einem ersten Schalter (122) zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des Leistungsschaltsignals (114); und einen Kommunikationsteil (120) mit zumindest einem zweiten Schalter (124) zum Schalten der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des Kommunikationssignals (116).
Leistungsschalter (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (112) zum Bestimmen ausgebildet ist, um das Leistungsschaltsignal (114) als einen ersten Signalanteil des Ansteuersignals (108) und das Kommunikationssignal (116) als einen zweiten Signalanteil des Ansteuersignals (108) zu bestimmen.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Einrichtung (112) zum Bestimmen einen Tiefpassfilter (430) und einen Hochpassfilter (432) aufweist und ausgebildet ist, das Ansteuersignal (108) unter Verwendung des Tiefpassfilters (430) zu filtern, um das Leistungsschaltsignal (114) mit niederfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals (108) zu bestimmen und das Ansteuersignal (108) unter Verwendung des Hochpassfilters (432) zu filtern, um das Kommunikationssignal (116) mit hochfrequenten Signalanteilen des Ansteuersignals (108) zu bestimmen.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Leistungsteil (118) eine Mehrzahl von ersten Schaltern (122) aufweist, die unter Verwendung des Leistungsschaltsignals (114) ansteuerbar sind.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Kommunikationsteil (120) eine Mehrzahl von zweiten Schaltern (124) aufweist, die unter Verwendung des Kommunikationssignals (116) ansteuerbar sind.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem eine Anzahl der ersten Schalter (122) des Leistungsteils (118) größer als eine Anzahl der zweiten Schalter (124) des Kommunikationsteils (120) ist.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der zumindest eine erste Schalter (122) des Leistungsteils (118) und der zumindest eine zweite Schalter (124) des Kommunikationsteils (120) zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) parallel geschaltet sind.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, der als ein Halbleiterbauelement ausgeführt ist.
Leistungsschalter (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, der ausgebildet ist, um unter Verwendung des zumindest einen ersten Schalters (122) und des zumindest einen zweiten Schalters (124) einen elektrischen Strom größer 100 Ampere zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) zu schalten.
Batteriesystem (750) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer Batteriezelle (756); einem Leistungsschalter (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste Anschluss (104) des Leistungsschalters (100) mit einem Anschlusskontakt der zumindest einen Batteriezelle (765) gekoppelt ist; und einem Steuergerät (752), das ausgebildet ist, das Ansteuersignal (108) an den Steueranschluss (102) des Leistungsschalters (100) bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben eines Leistungsschalters (100) für ein Batteriesystem (750), wobei der Leistungsschalter (100) einen ersten Anschluss (104), einen zweiten Anschluss (106), einen Steueranschluss (102), einen Leistungsteil (118) mit zumindest einem ersten Schalter (122) und einen Kommunikationsteil (120) mit zumindest einem zweiten Schalter (124) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen (602) eines Leistungsschaltsignals (114) und eines Kommunikationssignals (116) unter Verwendung eines am Steueranschluss (102) anliegenden Ansteuersignals (108); Verwenden (604) des Leistungsschaltsignals (114) zum Schalten einer elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des zumindest einen ersten Schalters (122) des Leistungsteils (118); und Verwenden (606) des Kommunikationssignals (116) zum Schalten der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (104) und dem zweiten Anschluss (106) unter Verwendung des zumindest einen zweiten Schalters (124) des Kommunikationsteils (120).
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens gemäß Anspruch 11 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 12.