DE102016213844A1

DE102016213844A1 - Battery system, controller and method for separating a current flow between at least one battery and a consumer

Info

Publication number: DE102016213844A1
Application number: DE102016213844.8A
Authority: DE
Inventors: Gergely Galamb; Christian Rilling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem (100a; 100b) mit einer Stromunterbrechungsanordnung (1a; 1b) zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie (30a; 30b, 40b) des Batteriesystems (100a; 100b) und einem Verbraucher (200) der wenigstens einen Batterie (30a; 30b; 40b), wobei die Stromunterbrechungsanordnung (1a; 1b) zum Trennen des Stromflusses mehrere Leistungshalbleiter (10a, 20a; 10b; 20b) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie (30a; 30b, 40b) und einem Verbraucher (200) der wenigstens einen Batterie (30a; 30b, 40b) durch wenigstens einen Leistungshalbleiter (10a, 20a; 10b; 20b) in einem erfindungsgemäßen Batteriesystem (100a; 100b). Außerdem betrifft die Erfindung einen Controller (50) für ein erfindungsgemäßes Batteriesystem (100a; 100b), der zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.The present invention relates to a battery system (100a, 100b) having a current interruption arrangement (1a, 1b) for separating an electric current flow between at least one battery (30a, 30b, 40b) of the battery system (100a, 100b) and a consumer (200) of at least a battery (30a; 30b; 40b), wherein the current interruption arrangement (1a; 1b) for separating the current flow comprises a plurality of power semiconductors (10a, 20a; 10b; 20b). The invention further relates to a method for separating an electric current flow between at least one battery (30a, 30b, 40b) and a consumer (200) of the at least one battery (30a; 30b, 40b) by at least one power semiconductor (10a, 20a; 10b; 20b) in a battery system (100a, 100b) according to the invention. In addition, the invention relates to a controller (50) for a battery system (100a, 100b) according to the invention, which is designed to carry out a method according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem, insbesondere ein Hochvolt-Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs, und ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul und einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie. Ferner betrifft die Erfindung einen Controller, der zum Durchführen des Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet ist.The present invention relates to a battery system, in particular a high-voltage battery system of an electric vehicle, and a method for separating an electric current flow between at least one battery or a battery module and a consumer of the at least one battery. Further, the invention relates to a controller that is configured and configured to perform the method.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, dass zur Abschaltung von Überströmen bzw. Kurzschlussströmen in Batteriesystemen eine Kombination aus Schützen und Sicherungen eingesetzt wird. Bspw. wird an jedem Pol einer Batterie eines Batteriesystems ein Schütz verbaut, welches, getriggert durch einen Controller einer Überwachungselektronik, in einem Fehlerfall geöffnet wird. Treten in einem Kurzschlussfall zu hohe Ströme auf, die bspw. in einem Bereich von 2 kA bis 10 kA liegen, trennt eine mit den Schützen seriell geschaltete Sicherung nach 0,1 ms bis 2 s den Strom.From the general state of the art it is known that a combination of contactors and fuses is used to switch off overcurrents or short-circuit currents in battery systems. For example. At each pole of a battery of a battery system, a contactor is installed which, triggered by a controller of a monitoring electronics, is opened in the event of a fault. If in a short circuit case too high currents occur, which are, for example, in a range from 2 kA to 10 kA, a fuse connected in series with the contactors separates the current after 0.1 ms to 2 s.

Für ein Batteriesystem bzw. ein Hochvolt-Batteriesystem eines Elektrofahrzeugs werden Sicherungen zum Schutz vor Überströmen für gewöhnlich in Reihe zu verschiedenen Batteriezellen einer Batterie eingesetzt. Im Falle eines Überstroms unterbricht die Sicherung eine Hochvoltleitung zwischen der Batterie und einem Verbraucher des Fahrzeugs. Eine herkömmliche Batteriesicherung, bspw. eine 250 A Sicherung, führt eine Überstromabschaltung bei 500 A in ca. 100 s, bei 1 kA in ca. 0,4 s und bei
6 kA in ca. 1 ms aus. Durch die lange Abschaltzeit im Falle eines Überstromes bis in den Sekundenbereich kann es aufgrund der maximal erreichbaren Ströme von bspw. 6 kA bis 10 kA zu einer Beschädigung des Batteriesystems kommen. Bei einer Beschädigung des Batteriesystems muss das komplette System getauscht werden und es entstehen entsprechend hohe Kosten.For a battery system or a high-voltage battery system of an electric vehicle, fuses for overcurrent protection are usually used in series with different battery cells of a battery. In the event of an overcurrent, the fuse interrupts a high-voltage line between the battery and a consumer of the vehicle. A conventional battery fuse, for example, a 250 A fuse, performs an overcurrent shutdown at 500 A in about 100 s, at 1 kA in about 0.4 s and at
6 kA in about 1 ms off. Due to the long turn-off time in the event of an overcurrent up to the second range, the battery system can be damaged due to the maximum achievable currents of, for example, 6 kA to 10 kA. In case of damage to the battery system, the entire system must be exchanged and there are correspondingly high costs.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem vorgeschlagen, in welchem die Schaltzeiten, insbesondere beim Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul und einem Verbraucher, besonders kurz sind. Ferner ist es durch das vorgeschlagene Batteriesystem möglich, die Stromversorgung zwischen wenigstens einer Batterie und dem Verbraucher auch im Falle einer Fehlfunktion einer Batterie aufrecht zu erhalten. Außerdem werden vorliegend ein Verfahren gemäß Anspruch 8 zum Trennen des elektrischen Stromflusses mit dem vorliegenden Batteriesystem sowie ein Controller gemäß Anspruch 10, der zum Durchführen des Verfahrens ausgestaltet ist, zur Verfügung gestellt.According to claim 1 of the present invention, a battery system is proposed in which the switching times, in particular when separating an electric current flow between at least one battery or a battery module and a consumer, are particularly short. Furthermore, it is possible by the proposed battery system to maintain the power supply between at least one battery and the consumer even in case of malfunction of a battery. In addition, in the present case, a method according to claim 8 for separating the flow of electric current with the present battery system and a controller according to claim 10, which is designed for carrying out the method are provided.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Controller und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann.Further features of the invention will become apparent from the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the battery system according to the invention apply, of course, in connection with the inventive method, the controller of the invention and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be ,

Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Batteriesystem mit einer Stromunterbrechungsanordnung zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie bzw. einem Batteriemodul des Batteriesystems und zumindest einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie zur Verfügung gestellt. Zum Trennen des Stromflusses weist die Stromunterbrechungsanordnung mehrere Leistungshalbleiter auf.According to a first aspect of the present invention, a battery system is provided with a power interruption arrangement for separating an electric current flow between at least one battery or a battery module of the battery system and at least one consumer of the at least one battery. To disconnect the current flow, the current interruption arrangement has a plurality of power semiconductors.

Durch das Verwenden von Leistungshalbleitern anstelle von Schützen bzw. einer herkömmlichen Schützanordnung ist es vorteilhaft möglich, den Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie deutlich schneller zu trennen. Dadurch können Überströme bzw. Kurzschlüsse zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie entsprechend schnell abgeschaltet werden. Mithin kann vorteilhaft auch die Sicherheit für das Batteriesystem erhöht werden. Durch die Verwendung von mehreren Leistungshalbleitern kann vorteilhaft der Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der Batterie außerdem besonders flexibel getrennt werden. Darüber hinaus kann bei der Verwendung von mehreren Leistungshalbleitern einer Gefahr der Überhitzung eines einzelnen Leistungshalbleiters entgegengewirkt werden. By using power semiconductors instead of contactors or a conventional contactor arrangement, it is advantageously possible to separate the current flow between the at least one battery of the battery system and the consumer of the at least one battery much faster. As a result, overcurrents or short circuits between the at least one battery and the consumer of the at least one battery can be switched off correspondingly quickly. Consequently, the safety of the battery system can be advantageously increased. By using a plurality of power semiconductors, the current flow between the at least one battery and the consumer of the battery can advantageously be separated particularly flexibly. In addition, when using multiple power semiconductors, a risk of overheating of a single power semiconductor can be counteracted.

Die wenigstens eine Batterie weist bevorzugt mehrere Batteriezellen auf, die in Reihe und/oder auch parallel geschaltet sein können. Dabei weist das Batteriesystem bevorzugt auch mehrere Batterien auf. Unter dem Verbraucher ist vorliegend ein System zu verstehen, dass mit Strom und Spannung von der wenigstens einen Batterie versorgt wird bzw. versorgt werden kann. Der Verbraucher ist vorliegend bspw. ein Kraftfahrzeugnetz oder ein Elektromotor, der mit dem Kraftfahrzeugnetz verbunden ist.The at least one battery preferably has a plurality of battery cells, which may be connected in series and / or also in parallel. In this case, the battery system preferably also has a plurality of batteries. In the present case, a consumer means a system that is supplied with power and voltage from the at least one battery or can be supplied. The consumer is in the present case, for example, a motor vehicle network or an electric motor which is connected to the motor vehicle network.

Das vorliegende Batteriesystem ist bevorzugt zur Verwendung in einem Fahrzeug bzw. einem Kraftfahrzeug, insbesondere als Hochvolt-Batteriesystem für einen Antriebsmotor in einem Elektrofahrzeug ausgestaltet. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Verwendung in einem Straßenfahrzeug beschränkt. So ist es vorteilhaft möglich, dass das Batteriesystem auch zur entsprechenden Verwendung in einem Schienenfahrzeug, in einem Wasserfahrzeug, in einem Luftfahrzeug und/oder in einem Roboter ausgestaltet ist. Darüber hinaus kann das Batteriesystem auch für die entsprechende Verwendung in einem stationären System ausgestaltet sein.The present battery system is preferably for use in a vehicle or a motor vehicle, in particular as a high-voltage Battery system designed for a drive motor in an electric vehicle. The invention is not limited to use in a road vehicle. Thus, it is advantageously possible that the battery system is also designed for use in a rail vehicle, in a watercraft, in an aircraft and / or in a robot. In addition, the battery system may also be configured for use in a stationary system.

Die Stromunterbrechungsanordnung ist bzw. die Leistungshalbleiter sind dabei bevorzugt in einem Hauptstrompfad des Batteriesystems zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie angeordnet. Unter dem Hauptstrompfad zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie ist ein Strompfad an einem positiven Terminal und einem negativen Terminal der wenigstens einen Batterie zu verstehen. Der Hauptstrompfad entspricht dabei einem Strompfad, in welchem üblicherweise die vorstehend zum Stand der Technik beschriebenen Schütze angeordnet sind. The power interruption arrangement is or the power semiconductors are preferably arranged in a main current path of the battery system between the at least one battery and the consumer of the at least one battery. The main current path between the at least one battery of the battery system and the consumer of the at least one battery is to be understood as a current path at a positive terminal and a negative terminal of the at least one battery. The main current path corresponds to a current path, in which usually the contactors described above with respect to the prior art are arranged.

Unter einem Leistungshalbleiter ist bspw. ein Halbleiterbauelement zu verstehen, das bei der Verwendung in einer Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt ist, bspw. von mehr als 1 A bis zu mehreren kA und Spannungen von mehr als 24 V. Als Leistungshalbleiter können bspw. Transistoren mit geeigneten Schalt- und Leistungseigenschaften verwendet werden.By a power semiconductor is, for example, a semiconductor device to be understood, which is designed for use in power electronics for controlling and switching high electrical currents and voltages, for example. Of more than 1 A to several kA and voltages of more than 24 V. As power semiconductors, for example, transistors with suitable switching and power characteristics can be used.

Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Batteriesystem die Leistungshalbleiter zum Trennen des Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie zueinander in Reihe geschaltet sind, insbesondere in Reihe abwechselnd zwischen in Reihe geschalteten Batteriezellen der wenigstens einen Batterie. D.h., die Leistungshalbleiter müssen nicht direkt hintereinander in Reihe geschaltet sein, sondern können auch durch wenigstens eine Batterie oder eine Batteriezelle in einer Batterie voneinander getrennt sein. Durch eine serielle Verteilung der Leistungshalbleiter in der wenigstens einen Batterie ist vorteilhaft eine schnelle und gezielte Abschaltung eines Überstroms zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie bzw. ein entsprechend schnelles und gezieltes Trennen eines zu hohen Stromflusses zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie möglich. Außerdem ist durch die serielle Verteilung der Leistungshalbleiter eine bevorzugte Temperaturaufteilung in oder an der wenigstens einen Batterie möglich. Darüber hinaus kann dadurch an der wenigstens einen Batterie eine besonders hohe Maximalspannung anliegen, bspw. eine Spannung von mehr als 650 V. Da die Spannungsfestigkeit eines verwendeten Leistungshalbleiters bspw. bei ca. 650 V liegt, ist durch die serielle Schaltung der Leistungshalbleiter der Einsatz einer höheren Batteriespannung möglich. Bei einer derartigen Batterietopologie mit seriell verteilten Leistungshalbleitern wird die Funktionalität des im Stand der Technik bekannten positiven Schützes, einer Vorladung (Vorladeschütz und Vorladewiderstand) und einer Batteriesicherung durch die Funktionalität der Leistungshalbleiter erfüllt. Die Leistungshalbleiter werden derart seriell zwischen in Reihe geschalteten Batterien oder Batteriezellen verbaut, dass durch die Leistungshalbleiter jeweils ein Hochvoltkreis geschlossen und geöffnet werden kann bzw. der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie getrennt werden kann. Kommt es im Falle eines internen Kurzschlusses, bspw. durch einen Unfall eines Kraftfahrzeugs mit dem Batteriesystem, zu einem Überstrom, kann dieser durch die seriell verteilen Leistungshalbleiter besonders schnell erkannt und abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann ein batterieschädigender Strom, bspw. in einem Bereich zwischen 1 kA und 1,2 kA, zuverlässig verhindert werden.According to one embodiment of the present invention, it is possible that in a battery system, the power semiconductors for separating the current flow between the at least one battery and the consumer of the at least one battery are connected in series, in particular in series alternately between series-connected battery cells of at least one Battery. That is, the power semiconductors need not be connected in series directly one behind the other, but may be separated from each other by at least one battery or a battery cell in a battery. By a serial distribution of the power semiconductors in the at least one battery is advantageous rapid and targeted shutdown of an overcurrent between the at least one battery and the consumer of at least one battery or a correspondingly fast and targeted separation of excessive current flow between the at least one battery and the consumer of at least one battery possible. In addition, a preferred temperature distribution in or on the at least one battery is possible by the serial distribution of the power semiconductors. In addition, this can be applied to the at least one battery, a particularly high maximum voltage, for example. A voltage of more than 650 V. Since the dielectric strength of a power semiconductor used, for example, at about 650 V, is due to the serial circuit of the power semiconductor, the use of a higher battery voltage possible. In such a battery topology with power semiconductors distributed in series, the functionality of the prior art positive contactor, a precharge (precharge contactor and precharge resistor) and a battery backup is fulfilled by the functionality of the power semiconductors. The power semiconductors are installed in series between series-connected batteries or battery cells in such a way that a high-voltage circuit can be closed and opened by the power semiconductors or the electric current flow between the at least one battery and the load of the at least one battery can be disconnected. If there is an overcurrent in the event of an internal short circuit, for example due to an accident of a motor vehicle with the battery system, it can be detected and switched off particularly quickly by the power semiconductors distributed in series. In this way, a battery-damaging current, for example. In a range between 1 kA and 1.2 kA, can be reliably prevented.

Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglich, dass das Batteriesystem wenigstens zwei Batteriemodule aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jeder der wenigstens zwei Batterien zum Trennen des Stromflusses jeweils wenigstens ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist. Dadurch kann eine besonders hohe Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit des Batteriesystems gewährleistet werden. D.h., im Kurzschlussfall bzw. bei einem Überstrom zwischen einer der beiden Batterien und dem Verbraucher der beiden Batterien kann eine Batterie gezielt und dabei schnell abgeschaltet werden, während die andere der wenigstens zwei parallel geschalteten Batterien weiterhin betrieben werden kann. Außerdem ist dadurch eine selektive Nutzung der mehreren parallel geschalteten Batterien möglich, bspw. in Abhängigkeit von einem Reichweitebedarf eines Kraftfahrzeugs mit dem vorliegenden Batteriesystem. So kann eine zweite Batterie bspw. erst dann zugeschaltet werden, wenn die Kapazität der ersten Batterie zur Neige geht. Dadurch können die Batterien des Batteriesystems in demselben ressourcenschonend betrieben werden. Wie bereits vorher bezüglich der Reihenschaltung der Leistungshalbleiter beschrieben, wird auch bei einer Batterietopologie mit der vorliegend beschriebenen Parallelschaltung von Leistungshalbleitern die Funktionalität des im Stand der Technik bekannten positiven Schützes, der Vorladung (Vorladeschütz und Vorladewiderstand) und der Batteriesicherung durch die Funktionalität der Leistungshalbleiter erfüllt. Durch einen zweiten Leistungshalbleiter kann ein zweiter paralleler Batteriestrang zu- oder abgeschaltet werden. Entsprechend ist es bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem vorteilhaft möglich, dass die Leistungshalbleiter getrennt voneinander ansteuerbar sind.Furthermore, according to the present invention, it is advantageously possible for the battery system to have at least two battery modules connected in parallel to one another, wherein in each case at least one power semiconductor is connected in series with each of the at least two batteries for separating the current flow. As a result, a particularly high reliability or availability of the battery system can be ensured. That is, in the event of a short circuit or in the event of an overcurrent between one of the two batteries and the consumer of the two batteries, one battery can be switched off in a targeted and rapid manner, while the other of the at least two parallel-connected batteries can continue to be operated. In addition, a selective use of the plurality of batteries connected in parallel is thereby possible, for example as a function of a range requirement of a motor vehicle with the present battery system. For example, a second battery can be switched on only when the capacity of the first battery is running low. As a result, the batteries of the battery system can be operated in the same resource-saving. As already described above with regard to the series connection of the power semiconductors, the functionality of the positive contactor known in the prior art, the precharge (precharge contactor and precharge resistor) and the battery backup is fulfilled by the functionality of the power semiconductors even in a battery topology with the parallel circuit of power semiconductors described herein. By a second power semiconductor, a second parallel battery string can be switched on or off become. Accordingly, it is advantageously possible in a battery system according to the invention that the power semiconductors can be controlled separately from one another.

Von Vorteil ist es vorliegend weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem die Leistungshalbleiter zumindest Silizium, Siliziumcarbid und/oder Galliumnitrid aufweisen. Mit diesen Fertigungsmaterialien haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders gute Funktionseigenschaften für die Leistungshalbleiter ergeben.It is advantageous in the present case if, in a battery system according to the invention, the power semiconductors have at least silicon, silicon carbide and / or gallium nitride. In the context of the present invention, these production materials have given particularly good functional properties for the power semiconductors.

Hierbei kann bei einem erfindungsgemäßen Batteriesystem wenigstens einer der Leistungshalbleiter als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgestaltet sein. Wenn der Leistungshalbleiter als IGBT ausgestaltet ist, kann der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie besonders schnell und sicher getrennt werden. Ein IGBT weist außerdem besonders hohe Spannungs- und Stromgrenzen auf. D.h., Spannung von bspw. 1 kV und Ströme von bspw. 1,2 kA, bei einer Leistung von bspw. 1,2 MW, kann der IGBT zerstörungsfrei steuern und schalten. Außerdem ist durch den IGBT eine leistungslose oder im Wesentlichen leistungslose Ansteuerung möglich. Darüber hinaus weist der IGBT eine besonders hohe Impulsbelastbarkeit auf.In this case, in the case of a battery system according to the invention, at least one of the power semiconductors can be designed as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). If the power semiconductor is configured as an IGBT, the electrical current flow between the at least one battery of the battery system and the consumer of the at least one battery can be separated particularly quickly and safely. An IGBT also has particularly high voltage and current limits. That is, voltage of, for example, 1 kV and currents of, for example, 1.2 kA, at a power of, for example, 1.2 MW, the IGBT can non-destructively control and switch. In addition, the IGBT enables powerless or essentially powerless control. In addition, the IGBT has a particularly high pulse load capacity.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, dass wenigstens einer der Leistungshalbleiter als Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgestaltet ist. Wenn der Leistungshalbleiter als Leistungs-MOSFET ausgestaltet ist, kann der elektrische Stromfluss zwischen der wenigstens einen Batterie des Batteriesystems und dem Verbraucher der wenigstens einen Batterie besonders schnell und sicher getrennt werden. Der Leistungs-MOSFET weist, ebenso wie der IGBT, besonders hohe Spannungs- und Stromgrenzen auf. Der Leistungs-MOSFET weist außerdem eine hohe Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen auf. Dadurch ist der Leistungs-MOSFET insbesondere gut für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet.In a further embodiment of the present invention, it is also possible that at least one of the power semiconductors is designed as a power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). If the power semiconductor is designed as a power MOSFET, the electrical current flow between the at least one battery of the battery system and the consumer of the at least one battery can be separated particularly quickly and safely. The power MOSFET, like the IGBT, has particularly high voltage and current limits. The power MOSFET also has a high ruggedness against environmental influences. As a result, the power MOSFET is particularly well suited for use in a motor vehicle.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen wenigstens einer Batterie und einem Verbraucher der wenigstens einen Batterie durch wenigstens einen Leistungshalbleiter in einem Batteriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem beschrieben worden sind.According to a further aspect of the present invention, a method for separating an electric current flow between at least one battery and a consumer of the at least one battery by at least one power semiconductor in a battery system according to one of the preceding claims is provided. Thus, the inventive method brings the same advantages as have been described in detail with respect to the battery system according to the invention.

Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass das Batteriesystem wenigstens zwei Batterien aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei zu jeder der wenigstens zwei Batterien zum Trennen des Stromflusses jeweils wenigstens ein Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet ist, wobei im Falle einer Fehlfunktion bei einer der beiden Batterien der Stromfluss zwischen der einen der beiden Batterien und dem Verbraucher durch einen parallelen ersten Leistungshalbleiter getrennt wird und der Stromfluss zwischen der anderen der beiden Batterien und dem Verbraucher durch einen zweiten Leistungshalbleiter aufrechterhalten wird. Damit bringt diese erfindungsgemäße Weiterbildung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie vorstehend mit Bezug auf die entsprechende Weiterbildung des Batteriesystems beschrieben worden sind.In a further development of the present invention, it is possible for the battery system to have at least two batteries connected in parallel with each of the at least two batteries for disconnecting the current flow each having at least one power semiconductor connected in series, in the event of a malfunction one of the two batteries, the current flow between the one of the two batteries and the consumer is separated by a parallel first power semiconductor and the current flow between the other of the two batteries and the consumer is maintained by a second power semiconductor. Thus, this development of the invention brings the same advantages as they have been described above with reference to the corresponding development of the battery system.

Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Controller für ein wie vorstehend beschriebenes Batteriesystem zur Verfügung gestellt, wobei der Controller zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgestaltet ist. Zu diesem Zweck ist der Controller zumindest datentechnisch per Kabel und/oder Funk mit dem Batteriesystem verbunden. Damit bringt auch der erfindungsgemäße Controller die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Batteriesystem beschrieben worden sind.In addition, the present invention provides a controller for a battery system as described above, wherein the controller is configured to perform a method as described above. For this purpose, the controller is at least data technically connected by cable and / or radio to the battery system. Thus, the controller according to the invention also brings the same advantages as have been described in detail with reference to the battery system according to the invention.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of some embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All of the claims, description or drawings resulting features and / or advantages, including constructive details and spatial arrangements may be essential to the invention both in itself and in the various combinations.

Es zeigen jeweils schematisch:Each show schematically:

1 ein Batteriesystem gemäß einer im Stand der Technik bekannten Ausführungsform, 1 a battery system according to an embodiment known in the art,

2 ein Batteriesystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 a battery system according to a first embodiment of the present invention, and

3 ein Batteriesystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 a battery system according to a second embodiment of the present invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 3 each provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein im Stand der Technik bekanntes Batteriesystem 100 dargestellt. Das Batteriesystem 100 weist eine Batterie 30 und einen Verbraucher 200 der Batterie 30 auf. Ein Stromfluss zwischen der Batterie 30 und dem Verbraucher 200 kann durch ein erstes Schütz 10 und ein zweites Schütz 20 getrennt bzw. wiederhergestellt werden. Vor dem ersten Schütz 10, d.h., zwischen dem ersten Schütz 10 und einem positiven Pol der Batterie 30, ist in einem Hauptstrompfad eine Schmelzsicherung 60 angeordnet.In 1 is a known in the art battery system 100 shown. The battery system 100 has a battery 30 and a consumer 200 the battery 30 on. A current flow between the battery 30 and the consumer 200 can through a first contactor 10 and a second contactor 20 be disconnected or restored. Before the first contactor 10 , ie, between the first contactor 10 and a positive pole of the battery 30 , is a fuse in a main current path 60 arranged.

2 zeigt ein Batteriesystem 100a gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 2 dargestellte Batteriesystem 100a unterscheidet sich zunächst dadurch von dem in 1 dargestellten Batteriesystem 100, dass kein erstes Schütz 10 und keine Schmelzsicherung 60 im Hauptstrompfad angeordnet sind. Dafür weist das in 2 dargestellte Batteriesystem 100a eine Stromunterbrechungsanordnung 1a zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie 30a des Batteriesystems 100a und einem Verbraucher 200 der Batterie 30a auf, wobei die Stromunterbrechungsanordnung 1a zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter 10a, 20a aufweist. Genauer gesagt sind die beiden Leistungshalbleiter 10a, 20a in Reihe abwechselnd zwischen in Reihe geschalteten Batteriezellen 31a der Batterie 30a angeordnet. Das in 2 dargestellte Schütz ist optional. 2 shows a battery system 100a according to a first embodiment of the present invention. This in 2 illustrated battery system 100a differs first of all from the in 1 illustrated battery system 100 that no first contactor 10 and no fuse 60 arranged in the main current path. For this, the in 2 illustrated battery system 100a a power interruption arrangement 1a for separating an electric current flow between a battery 30a of the battery system 100a and a consumer 200 the battery 30a on, with the power interruption arrangement 1a two series-connected power semiconductors 10a . 20a having. More specifically, the two power semiconductors 10a . 20a in series alternately between serially connected battery cells 31a the battery 30a arranged. This in 2 shown contactor is optional.

Außerdem weist das Batteriesystem 100a einen Controller 50 auf, der zum Steuern und/oder Regeln des Batteriesystems 100a konfiguriert ist. Die in 2 dargestellten Leistungshalbleiter 10a, 20a sind vorliegend als IGBTs ausgestaltet und durch den Controller 50 getrennt voneinander ansteuerbar.In addition, the battery system points 100a a controller 50 to be responsible for controlling and / or regulating the battery system 100a is configured. In the 2 shown power semiconductors 10a . 20a are configured here as IGBTs and by the controller 50 separately controllable.

In 3 ist ein Batteriesystem 100b gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das in 3 dargestellte Batteriesystem 100b weist eine Stromunterbrechungsanordnung 1b zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer ersten Batterie 30b des Batteriesystems 100b, einer zweiten Batterie 40b des Batteriesystems 100b und einem Verbraucher 200 der ersten Batterie 30b und der zweiten Batterie 40b auf. Die erste Batterie 30b und die zweite Batterie 40b sind parallel zueinander geschaltet. Die erste Batterie 30b weist mehrere in Reihe geschaltete erste Batteriezellen 31b auf und die zweite Batterie weist mehrere in Reihe geschaltete zweite Batteriezellen 41b auf. Die Stromunterbrechungsanordnung 1b weist ferner zwei zueinander parallel geschaltete Leistungshalbleiter 10b, 20b auf. Genauer gesagt weist die Stromunterbrechungsanordnung 1b einen ersten Leistungshalbleiter 20b und einen zum ersten Leistungshalbleiter 20b parallel geschalteten zweiten Leistungshalbleiter 10b auf. Dabei ist zum Trennen des Stromflusses zwischen den beiden Batterien 30b, 40b der erste Leistungshalbleiter 20b in Reihe zu der ersten Batterie 30b geschaltet und der zweite Leistungshalbleiter 10b in Reihe zu der zweiten Batterie 40b geschaltet. Das in 3 dargestellte Schütz ist optional.In 3 is a battery system 100b according to a second embodiment of the present invention. This in 3 illustrated battery system 100b has a power interruption arrangement 1b for separating an electric current flow between a first battery 30b of the battery system 100b , a second battery 40b of the battery system 100b and a consumer 200 the first battery 30b and the second battery 40b on. The first battery 30b and the second battery 40b are connected in parallel. The first battery 30b has several series-connected first battery cells 31b and the second battery has a plurality of second battery cells connected in series 41b on. The power interruption arrangement 1b also has two parallel power semiconductors 10b . 20b on. More specifically, the power interrupt arrangement 1b a first power semiconductor 20b and one to the first power semiconductor 20b parallel connected second power semiconductor 10b on. This is to disconnect the flow of current between the two batteries 30b . 40b the first power semiconductor 20b in series with the first battery 30b switched and the second power semiconductor 10b in series with the second battery 40b connected. This in 3 shown contactor is optional.

Außerdem weist das Batteriesystem 100b einen Controller 50 auf, der zum Steuern und/oder Regeln des Batteriesystems 100b konfiguriert ist. Die in 3 dargestellten Leistungshalbleiter 10b, 20b sind vorliegend als IGBTs ausgestaltet und durch den Controller 50 getrennt voneinander ansteuerbar.In addition, the battery system points 100b a controller 50 to be responsible for controlling and / or regulating the battery system 100b is configured. In the 3 shown power semiconductors 10b . 20b are configured here as IGBTs and by the controller 50 separately controllable.

Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. So ist bspw. auch eine Kombination der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen möglich, bei welcher sowohl in Reihe geschaltete als auch parallel zueinander geschaltete Leistungshalbleiter zwischen verschiedenen Batterien bzw. Batteriezellen angeordnet sind.In addition to the illustrated embodiments, the invention allows for further design principles. So is, for example, a combination of in 2 and 3 illustrated embodiments in which both series-connected as well as parallel-connected power semiconductors between different batteries or battery cells are arranged.

Mit Bezug auf 3 wird anschießend ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen den beiden Batterien 30b, 40b und dem Verbraucher 200 der Batterien 30b, 40 mittels der beiden Leistungshalbleiter 10b, 20b beschrieben. In einem ersten Schritt wird dabei eine Fehlfunktion bei einer der beiden Batterien 30b, 40b erkannt. Liegt bspw. in der ersten Batterie 30b eine Fehlfunktion vor bzw. wurde dort erkannt, wird in einem zweiten Schritt der Stromfluss zwischen der ersten Batterie 30b und dem Verbraucher 200 durch den ersten Leistungshalbleiter 20b getrennt. Der Stromfluss zwischen der zweiten Batterie 40b und dem Verbraucher 200 wird in diesem Fall über den zweiten Leistungshalbleiter 10b aufrechterhalten. Der in 2 dargestellte Controller 50 ist zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert, der über Kabel und/oder drahtlos mit dem Batteriesystem 100 verbunden ist.Regarding 3 is anschießend a method according to the invention for separating an electric current flow between the two batteries 30b . 40b and the consumer 200 the batteries 30b . 40 by means of the two power semiconductors 10b . 20b described. In a first step, this is a malfunction in one of the two batteries 30b . 40b recognized. Is, for example, in the first battery 30b a malfunction before or was detected there, in a second step, the current flow between the first battery 30b and the consumer 200 through the first power semiconductor 20b separated. The current flow between the second battery 40b and the consumer 200 is in this case via the second power semiconductor 10b maintained. The in 2 illustrated controller 50 is configured to perform the method described above, via cable and / or wirelessly with the battery system 100 connected is.

Claims

Battery system ( 100a ; 100b ) with a current interruption arrangement ( 1a ; 1b ) for separating an electric current flow between at least one battery ( 30a ; 30b . 40b ) of the battery system ( 100a ; 100b ) and a consumer ( 200 ) of the at least one battery ( 30a ; 30b ; 40b ), characterized in that the current interruption arrangement ( 1a ; 1b ) for separating the current flow, a plurality of power semiconductors ( 10a . 20a ; 10b ; 20b ) having.

Battery system ( 100a ) according to claim 1, characterized in that the power semiconductors ( 10a . 20a ) are connected in series to separate the current flow, in particular in series alternately between series-connected battery cells ( 31a ) of the at least one battery ( 30a ).

Battery system ( 100b ) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery system ( 100b ) at least two batteries ( 30b . 40b ), which are connected in parallel to each other, wherein to each of the at least two batteries ( 30b . 40b ) for separating the current flow in each case at least one power semiconductor ( 10b . 20b ) is connected in series.

Battery system ( 100a ; 100b ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductors ( 10a . 20a ; 10b . 20b ) are controlled separately from each other.

Battery system ( 100a ; 100b ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power semiconductors ( 10a . 20a ; 10b . 20b ) at least silicon, silicon carbide and / or gallium nitride.

Battery system ( 100a ; 100b ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the power semiconductors ( 10a . 20a ; 10b . 20b ) is designed as an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

Battery system ( 100a ; 100b ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the power semiconductors ( 10a . 20a ; 10b . 20b ) is designed as a power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).

Method for separating an electric current flow between at least one battery ( 30a ; 30b . 40b ) and a consumer ( 200 ) of the at least one battery ( 30a ; 30b . 40b ) by at least one power semiconductor ( 10a . 20a ; 10b ; 20b ) in a battery system ( 100a ; 100b ) according to any one of the preceding claims.

Method according to claim 8, characterized in that the battery system ( 100b ) at least two batteries ( 30b . 40b ), which are connected in parallel to each other, wherein to each of the at least two batteries ( 30b . 40b ) for separating the current flow in each case at least one power semiconductor ( 10b . 20b ) is connected in series, wherein in case of malfunction in one of the two batteries ( 30b . 40b ) the current flow between the one of the two batteries ( 30b ) and the consumer ( 200 ) by a parallel first power semiconductor ( 10b ) and the current flow between the other of the two batteries ( 40b ) and the consumer ( 200 ) by a second power semiconductor ( 20b ) is maintained.

Controller ( 50 ) for a battery system ( 100a ; 100b ) according to one of claims 1 to 7, which is designed to carry out a method according to claim 8 or 9.