DE102017100853B4

DE102017100853B4 - Spannungstrennarchitektur

Info

Publication number: DE102017100853B4
Application number: DE102017100853.5A
Authority: DE
Inventors: Andrew J. Namou; Mohammad N. Anwar; Syed M. Kadry; Ahmad Albanna
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2037-01-18
Also published as: CN107017673B; CN107017673A; DE102017100853A1; US10283982B2; US20170214258A1

Abstract

System (13), das Folgendes umfasst:einen Batteriesatz (20) mit einer Vielzahl von Zellen;positive und negative Busschienen (11A, 11B); undeine Trennarchitektur mit:einem Mid-Pack-Low-Power (LP)-Relais (14B) zwischen den positiven und negativen Busschienen (11A, 11B) an einem Mid-Stack-Punkt des Batteriesatzes (20) und betreibbar zum Unterteilen einer Spannung über dem Batteriesatz (20), wenn „geöffnet“ angewiesen wird;eine Satzsicherung (12P), die konfiguriert ist, um als Antwort auf einen satten-Kurzschluss-Zustand des Systems (13) zu öffnen; undeine Folgesteuerungsschaltung (50); dadurch gekennzeichnet , dassdie Satzsicherung (12P) zwischen dem Mid-Pack-LP-Relais (14B) und der positiven Busschiene (11A) angeordnet ist;ein Paar Halbleiterschalter (40) elektrisch parallel zum Mid-Pack-LP-Relais (14B) angeordnet ist; unddie Folgesteuerungsschaltung (50) dafür konfiguriert ist, selektiv die Halbleiterschalter (40) zu betätigen und damit den Fluss eines elektrischen Stroms durch die Halbleiterschalter (40) und das Mid-Pack-LP-Relais (14B) in Antwort auf einen erfassten partiellen-Kurzschluss-Zustand des Systems (13) zu koordinieren;wobei die Halbleiterschalter (40) mit umgekehrter relativer Polarität angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Spannungstrennarchitektur.
Aus der EP 2 945 243 A1 geht der Art nach beispielswiese ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hervor.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften KR 10 2005 0 045 597 A , JP 5 697 034 B2 , US 2010/0 026 429 A1 und DE 10 2011 118 716 A1 verwiesen.
HINTERGRUND
Batteriesätze werden in verschiedenen stationären und mobilen Systemen zum Versorgen einer oder mehrerer Elektromaschinen und elektronischer Geräte verwendet. Elektrische Motor-Generator-Einheiten sind eine Art von Elektromaschine, die gemeinhin zum Bereitstellen oder Speichern elektrischer Energie in einem System verwendet. Eine Elektromotor-/Generatoreinheit kann elektrische Energie aus dem Batteriesatz ziehen, um Drehmoment auf eine oder mehrere Radsätze oder andere Drehteile ein Kraftübertragungsgetriebes zu übertragen. Solche Motor-/Generatoreinheiten können ebenfalls zum Erzeugen von Elektrizität verwendet werden, anstatt sie zu verbrauchen, und damit den Batteriesatz wiederaufladen oder die elektronischen Vorrichtungen mit Energie versorgen.
Da geeignete Spannungspegel zur Verwendung in bestimmten Anwendungsfällen relativ hoch sein können, wird eine Spannungstrennung in jedem beliebigen elektrischen Schaltkreis zum Verbinden des Batteriesatzes an den Rest des Systems gefordert. Es wird typischerweise eine Batterieunterbrechungseinheit verwendet, die Sicherungen für hohe Ströme und mechanische Hochspannungskontakte zum Isolieren des Gleichspannungsbus vom Batteriesatz beinhaltet und eine galvanische Trennung bereitstellt, wenn das System abgeschaltet wird oder während eines elektrischen Fehlers. Jedoch können die Größe, das Gewicht und die Kosten der Hochspannungskontakte und -Sicherungen suboptimal sein.
KURZDARSTELLUNG
Erfindungsgemäß wird ein System vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf eine SpannungstrennArchitektur, d. h. ein System und eine begleitende Implementierung davon zum Mechanisieren eines Spannungstrenn-Verfahrens, was von besonderer Wichtigkeit ist, wenn es in Systemen mit relativ hohen Spannungsniveaus verwendet wird. Die Architektur reduziert die Notwendigkeit hochbelastbarer mechanischer Kontakte der vorstehend erwähnten Typen. Die Architektur vermeidet auch die Notwendigkeit eines Vorladewiderstands zum anfänglichen Laden des Gleichspannungsbusses auf ein erforderliches Spannungsniveau. Wie in der Technik gut bekannt, ist ein Vorladewiderstand typischerweise in Reihe mit einem Schaltschütz oder einem anderen mechanischen Schalter verbunden, welche beide elektrisch parallel mit einem anderen mechanischen Schaltschütz angeordnet sind. Der Vorladewiderstand stellt genügend Widerstand im elektrischen Schaltkreis zum Vermeiden einer großen Spannungsdifferenz und eines hohen Anzugsstroms vom Batteriesatz bereit, was beides potentiell die Schaltschütze beschädigen oder verschweißen könnte. Somit können die Kosten und die Größe der Vorladeschaltung über die hier offenbarte Struktur und Methode entfallen.
Die Trennarchitektur kann ein Paar Hochstrom-/LP-Relais beinhalten, jedes jeweils angeordnet auf einer positiven und negativen Busschiene. Die LP-Relais können selektiv öffnen, um galvanische Isolierung Trennung im System bereitzustellen, beispielsweise, wenn das System abgeschaltet wird.
Die oben genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1 ist eine schematische elektrische Schaltung, die ein Ausführungsbeispiel einer hier dargelegten Trennarchitektur beschreibt.
2 ist eine schematische elektrische Schaltung, die die Trennarchitektur aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform beschreibt.
3 ist eine schematische elektrische Schaltung für eine Ablaufsteuerungseinheit-Schaltung, die als Teil der Trennarchitektur wie in 1 und 2 dargestellt verwendet werden kann.
4 ist eine schematische Drei-Gatter-Treiberschaltung, verwendbar als Teil der Trennarchitektur, wie in 1 und 2 dargestellt.
5A-C sind Zeitdiagramme von verschiedenen Spannungs- und Stromamplituden zur Veranschaulichung von Beispielfehlerzuständen jeweils in Form von Überstrom, Notfall-Nicht-Überstrom und normalen Antriebs-/Laden-Szenarios.
6 ist eine Tabelle, die drei mögliche logische Zustände für die Treiberschaltung aus 4 beschreibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Komponenten über die mehreren Ansichten bezeichnen, ist in 1 und 2 eine exemplarische Spannungstrennarchitektur 10 dargestellt. Die Trennarchitektur 10 kann als Teil eines Systems 13 verwendet werden, das auch jeweils einen Batteriesatz 20 und einen Spannungs-Bus mit positiven (+) und negativen (-)-Busschienen 11 A und 11 B beinhaltet. Der Batteriesatz 20 kann als ein mehrzelliger Lithium-Ionen-, Nickelmetallhydrid- oder ein anderer Batteriesatz enthalten sein. Wie hierin betrachtet, kann die Gleichspannungshöhe des Spannungsbusses ziemlich hoch sein, z. B. oberhalb von 200 V Gleichspannung ohne Beschränkung der Spannungspegel auf solche Ebenen.
Die Trennarchitektur 10 kann ein Paar Hochstrom-/Niedrigenergie (LP)-Relais 14A beinhalten, jedes jeweils an einer Busschiene 11 A und 11 B angeordnet sowie ein Hochvolt-/LP-Relais 14B an oder nahe einem Mid-Stack-Punkt des Batteriesatzes 20 wie dargestellt angeordnet. Zur Verdeutlichung und Unterscheidung gegenüber den optionalen weiteren LP-Relais 14A auf den Busschienen 11 A und 11 B wird das LP-Relais 14B hier als Mid-Pack-LP-Relais 14B bezeichnet. Ein Stromsensor 15 kann zum Bestimmen eines erfassten elektrischen Stroms (Is) verwendet werden, der in der dargestellten Schaltung fließt. Die Begriffe „hoch“ und „niedrig“ dienen hier zur Qualifizierung der Begriffe „Strom“, „Spannung“ und „Leistung“ und sollen auf typische zusätzliche oder Niederspannung-/Stromstufen bezogen sein. In einer nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsform, beispielsweise, wenn der Batteriesatz 20 zur Versorgung einer Elektromaschine wie ein Fahrmotor an Bord eines Kraftfahrzeugs oder innerhalb eines Kraftwerks verwendet wird, ist eine exemplarische Leistungsschwelle für eine Hochleistungsanwendung etwa 100 kW oder höher.
Die Trennarchitektur 10 der 1 und 2 beinhaltet ein Paar von parallel zum Mid Pack LP-Relais 14B angeordneten Halbleiterschaltern 40. Die Halbleiterschalter 40, die in einer Anti-Parallel- oder in einer Anti-SerienAnordnung wie dargestellt positioniert werden können, d. h. mit umgekehrter relativer Polarität, können als ein IGBT-Schalterpaar, wie in 1 dargestellt, ein MOSFET-Schalterpaar wie in 2 dargestellt oder als WBG-Schalterpaar (nicht dargestellt) oder anderes geeignetes Halbleiter-Schaltmittelpaar verkörpert sein. Die Halbleiterschalter 40 sind elektrische parallel zum Mid-Pack-LP-Relais 14B angeordnet. Das heißt, wenn der Batteriesatz 20 192 Zellen aufweist, können die Halbleiterschalter 40 zwischen der 96sten und 97sten Zelle angeordnet sein. Eine Satzsicherung 12P für den Nennwert der vollen Spannung des Batteriesatzes 20 ist zwischen den Halbleiterschaltern 40 und der positiven Busschiene 11A, d. h. direkt oberhalb der Halbleiterschalter 40 angeordnet. Solch eine Satzsicherung 12P sowie andere Sicherungen 12 und 12S in der Trennarchitektur 10 ist so konfiguriert, dass sie bei einem satten Kurzschluss (Totkurzschluss) unabhängig von jedem Steuerungsvorgang der Halbleiterschalter 40 und des Mid-Pack-LP-Relais 14B öffnet.
Wie beschrieben unter Bezugnahme auf 3 und 4 wird für andere Fehlerzustände als ein Totkurzschluss der Schaltvorgang der Halbleiterschalter 40 eng logisch mit dem Betrieb der Satzsicherung 12P und dem Mid-Pack-LP-Relais 14B koordiniert. Das heißt, die Steuerung der Halbleiterschalter 40 wird zur Abdeckung von Fehlerbereichen unter vordefinierten Grenzen der Satzsicherung 12P kalibriert. So wird Feinsteuerung über Niedrigstrom- und/oder Hochwiderstandskurzschlüsse möglich, sodass die Satzsicherung 12P beliebige Kurzschlüsse behandeln kann. Auf diese Weise muss die Satzsicherung 12P nicht wie üblich für einen großen Bereich von Strömen oder Belastungen bemessen sein.
Die Trennarchitektur 10 beinhaltet auch oder ist verbunden mit konventionellen Isolierungs-Detektionsschaltungen 16 mit Sicherungen 12S, strombegrenzenden Widerständen R und isolierten Differenzverstärkern 17 der im Stand der Technik bekannten Art, die gemeinsam eine ausreichende Spannungsisolierung erfassen. Durch die Verwendung der Satzsicherung 12P und der Halbleiterschalter 40 am Mid-Stack-Punkt des Batteriesatzes 20 kann die Spannungsauslegung der Sicherungen 12S in den Isolierungs-Detektionsschaltungen 16 auf die Hälfte ihrer normalen maximalen Spannungsauslegung (V_m) verringert werden wie in 1 und 2 durch die Schreibweise 0,5V_m angezeigt.
Die Trennarchitektur 10 ist angedacht, eine Anzahl von unterschiedlichen Leistungsfähigkeitsvorteilen gegenüber bekannten Batterietrennsystemen bereitzustellen. Insbesondere ermöglicht die Trennarchitektur 10 eine hälftige Aufteilung des Spannungspegels über den Busschienen 11 A und 11B während einer Betriebsart „AUS“ eines beliebigen Systems durch Verwenden der Trennarchitektur, beispielsweise eine Zündung-aus-/Schlüssel-aus-Ereignisses in einem Fahrzeug. Dies ermöglicht es wiederum, die Spannungsauslegung der Sicherungen 12S auf 50% ihres typischen Maximalwerts zu verringern bei gleichzeitiger Reduzierung des elektrischen Potentials und Stromflusses in der Trennarchitektur 10 während beliebiger elektrischer Fehler. Zusätzlich kann die Satzsicherung 12P bemessen sein, maximalen Stromschutz mit seiner mit den Halbleiterschaltern 40 eng abgestimmten Isolierungsfunktion bereitzustellen, wodurch ein ordnungsgemäßer en gewährt wird sowie zusätzliche Hardware-Optimierung bereitgestellt wird. Außerdem wird Vorladen der Busschienen 11A und 11B oder jeden(r) beliebigen Kondensators(en) (nicht dargestellt) ohne Verwenden eines konventionellen Vorladewiderstands mit internem Kurzschlussschutz ermöglicht, der im Normalbetrieb jedes beliebigen Systems unter Ausnutzung der Trennarchitektur 10 aufrechterhalten wird.
Der Batteriesatz der 1 und 2 kann zur Versorgung eines Bordnetzes 30 verwendet werden. In einer nicht einschränkenden exemplarischen Ausführungsform kann das Bordnetz 30 eine Vielzahl von elektronischen Komponenten einschließlich beispielsweise einer fahrzeugeigenen Lademoduls (OBCM) 31, eines Hilfsenergiemoduls (APM) 32, eines Klimaanlagen-Steuermoduls (ACCM) 33 und/oder eines Wechselrichtermoduls (PIM) 34 beinhalten. Zusätzliche Sicherungen 12 und ein anderes Hochstrom-/Niedrigleistungsrelais 14A können zum Schutz der Komponenten in üblicher Weise verwendet werden.
Wie in der Technik bekannt ist, kann das OBCM 31 in ein externes Mehrphasen-/Wechselspannungsladegerät zum Laden des Batteriesatzes 20 eingesteckt werden, wenn die Trennarchitektur 10 als Teil eines an einer Ladestation oder in einer Garage geparkten Fahrzeugs dient. Das Hilfsenergiemodul 32 kann als ein Spannungsregler, betreibbar zum Reduzieren des Gleichspannungspegels auf zusätzliche Pegel, beispielsweise 12-15 V Gleichspannung, verkörpert sein. Das ACCM 33 kann verwendet werden, um einen Klimakompressor (nicht dargestellt) und andere Klimasteuerungsfunktionen zu steuern. Das PIM 34 kann eine Wechselrichtervorrichtung mit den erforderlichen Halbleiterschaltern und Vorrichtungen zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine Ausgangsgleichspannung und umgekehrt sein, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation oder anderer geeigneter Schaltungstechniken. Solche exemplarischen Komponenten oder andere in den vereinfachten Ausführungsbeispielen der 1 und 2 nicht dargestellte elektronische Bauteile können andere Hochvoltfunktionen innerhalb der oder in Kommunikation mit der hier beschriebenen Trennarchitektur 10 bereitstellen.
Die Trennarchitektur 10 der 1 und 2 beinhaltet auch eine Folgesteuerungsschaltung 50, die zur Steuerung des gesamten Schaltvorgangs der Halbleiterschalter 40 betrieben werden kann. Wie nachfolgend näher mit Bezug auf 3 dargestellt, kann die Folgesteuerungsschaltung 50 eine Fenstervergleichsschaltung 52 und eine Treiberschaltung 70 betreibbar zum Bereitstellen von halbautomatischer, elektronischer und vollständig rücksetzbarer Trennfunktionalität innerhalb der Trennarchitektur 10 beinhalten. Außerdem wird die Handhabung eines jeden beliebigen elektrischen Stroms oberhalb einer Schwellenstromauslegung der Halbleiterschalter 40 elektrisch mit dem Betrieb der Sicherungen 12 und 12P über den Betrieb der Folgesteuerungsschaltung 50 zum Kurzschluss-/Hochleistungsschutz abgestimmt. Elektrische Abstimmung erlaubt kalibrierten Bereichsschutz, d. h. eine rücksetzbare Trennfunktionalität wird ermöglicht.
Eine nicht einschränkende exemplarische Ausführungsform der Folgesteuerungsschaltung 50 ist schematisch in 3 dargestellt. Die Ablaufsteuerungsschaltung 50 ist betreibbar zum Erzeugen einer Ausgabespannung in Reaktion auf einen vorgegebenen Fehler wie einen erfassten partiellen Totpunkt. Insbesondere ist die Fenstervergleichsschaltung 52 zur automatischen Unterscheidung des Stromstärkelevels bezogen auf die Bereichskalibrierungsschwellen konfiguriert, die wiederum die Schaltzeiten der Halbleiterschalter 40 und des Mid-Pack-LP-Relais 14B am Mid-Stack-Punkt steuern. Im Fall eines Totpunktes, d. h. wenn ein Kurzschlusspfad einen null- oder Nahe-null-Widerstand aufweist, bleiben die Halbleiterschalter 40 ausgeschaltet und die Satzsicherung 12P und das LP-Relais 14A auf den Busschienen 11 A und 11B bleiben geöffnet, um so den Batteriesatz 20 zu trennen. In Ermangelung eines Totpunktes kann jedoch die Fenstervergleichsschaltung 52, wie etwa in Gegenwart eines Widerstandskurzschlusses oder einer Überstromsituation, die noch innerhalb der Stromleitungskapazität der Halbleiterschalter 40 liegt, automatisch genau das Öffnen der Halbleiterschalter 40 bestimmen und den Strom zwischen den Halbleiterschaltern 40 und dem Mid-Pack-LP-Relais 14B hin und her leiten.
Bei einem Kurzschluss sind die Halbleiterschalter 40 „smart“ genug, ausgeschaltet zu bleiben. Die Satzsicherung 12P ist die Hochenergie-Trennvorrichtung. Die Relais 14A dienen als weitere galvanische Isolierung. Die LP-Relais 14A können betreffend die Kosten, da sie lediglich nach der Satzsicherung 12P öffnen, zu Niedrigenergie-Konstruktionen in Bezug auf klassische Konfigurationen vermindert werden, da die LP-Relais 14A die Hochenergieschaltung nicht unterbrechen müssen. Bei einem Kurzschlussereignis können die LP-Relais 14A zum Trennen der Schienen 11 A und 11B öffnen. Jedoch werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass, wenn der Mittelpunkt des Batteriesatzes 20 durch Betätigung der Satzsicherung 12P getrennt wird, Ausführungsformen realisiert werden können, die auf die Verwendung von LP-Relais 14A insgesamt verzichten.
Die Fenstervergleichsschaltung 52 kann auf einen Leistungswunsch über die Widerstandsniveaus seiner Widerstände R₁, R₂, R₃ und R₄ und durch Kenntnis der erfassten Spannung (V_IST) abgestimmt werden. Liegt der Wert der erfassten Spannung (V_IS) innerhalb eines kalibrierten Fensters, können die Halbleiterschalter 40 zum Öffnen angewiesen werden durch Übertragen einer Ausgangsspannung (V_O) wie durch das in 3 dargestellte Schrittsignal 60 angezeigt wird. Die Ausgabespannung (V_O) der Fenstervergleichsschaltung 52 wird an ein ODER-Logikgatter 53 übertragen, dessen binär-logischer Ausgang, d. h. V_ODER Ausgang als Impulssignal 59 an eine monostabile Schaltung (1 SH) 54 ist. Wie in der Technik bekannt weist solch eine monostabile Schaltung einen stabilen Zustand und einen anderen instabilen Zustand auf, der jedoch vorübergehend ist. Die Ausgabespannung (Vo) der Fenstervergleichsschaltung 52 wirkt somit als ein Triggersignal, das bewirkt, dass die monostabile Schaltung 54 in ihren vorübergehenden/instabilen Zustand für eine festgesetzte Zeitdauer vor einer Rückkehr in ihren stabilen Zustand übergeht. Die monostabile Schaltung 54 gibt ein monostabiles Binärsignal (V_SH) als weiteres Impulssignal 62 aus. Das monostabile Binärsignal (V_SH) wird an die oben erwähnte Treiberschaltung 70 übermittelt, von der eine Ausgestaltung unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird.
Das ODER-Logikgatter 53 der 3 besitzt einen weiteren Eingang in Form einer Steuerspannung, die von einem Steuermodul 25 bereitgestellt werden kann. Das Steuermodul 25 kann in einer exemplarischen Fahrzeugausführungsform eine Hybridsteuerung 25A und einen Batteriesystemmanager (BSM) 25B beinhalten. Die Hybrid-Steuerung 25A und/oder der Systemmanager 25B können eine Vielzahl von Eingangssignalen (CC_I) empfangen. Exemplarische Eingangssignale (CC_I) können Strom/Spannungsbogen-Erfassungssignale (AD), Gleich- und Wechselspannungsverlust-von-Isolierungssignalen (DC LOI und AC LOI) und andere Statussignale, wie Normalbetrieb (NRML), Antriebsmoduserfassung (PROP), angewiesenes ordnungsgemäßes Laden des Batteriesatzes 20 (NRM CHRG) und ein angeordnetes Vorladen des Batteriesatzes (PC) beinhalten. Die Art und Weise, in der solche Signale bestimmt werden, ist konventionell in der Technik, z. B. bestimmt logisch in Steuergerät 25 als Reaktion auf festgestellte Bedingungen oder berechnete Werte als Teil des Betriebs der Architektur 10.
Basierend auf diesen kollektiven Eingaben ist die Steuerspannung (V_CNTL) Ausgang als binärer Wert an ein logisches UND-Gatter 55. Eine hoher Ausgangswert des logischen UND-Gatters 55 ist die voreingestellte Ausgabe der Trennarchitektur 10 bei ungestörtem Betrieb, was dazu führt, dass die Halbleiterschalter 40 geschlossen/ leitend verbleiben. Ein Diodenpaar 56, z. B. eine konventionelle Diode Rücken an Rücken mit einer Zenerdiode wie gezeigt angeordnet, ist parallel zu dem Mid-Pack-LP-Relais 14B wie oben beschrieben verbunden. Der Ausgang des logischen UND-Gatters 55 steuert so die Höhe der Spulenspannung (Vc) und steuert damit den Betrieb des Mid-Pack-LP-Relais 14B.
Wenn die Steuerspannung (V_CNTL) niedrig/null ist, ergibt sich ein gegenteiliges Ergebnis, d. h. die Halbleiterschalter 40 bleiben geöffnet und die Spannung über dem Mid-Pack-LP-Relais 14B nimmt ab. Es fließt kein elektrischer Strom durch das Mid-Pack-LP-Relais 14B, wodurch die Strombelastung auf dem Mid-Pack-LP-Relais 14B sich vermindert. Dies erlaubt wiederum, das Mid-Pack-LP-Relais 14B in Größe und damit Kosten zu verringern. Sobald der Halbleiterschalter 40 geöffnet wird, können die anderen in den 1 und 2 dargestellten LP-Relais 14A, die alle unabhängig steuerbar bleiben, in Reaktion auf die Steuerspannung (V_CTRL) nach kurzer Verzögerung öffnen.
Um die gewünschte Enden zu erreichen, kann die Steuerspannung (V_CNTL) in einen Verzögerungsblock 57 (t_d) wie etwa ein einfaches RC-Element geleitet werden. Eine verzögerte Steuerspannung (V_LP) ist Ausgabe des Verzögerungsblocks 57 zu den LP-Relais 14A auf den Gleichspannungs-Busschienen 11 A und 11B sein, dargestellt in 1 und 2. Auf diese Weise kann der Betrieb der Halbleiterschalter 40 abgestimmt werden, als wirkten sie in enger elektrischer Koordination mit dem Betrieb der verschiedenen LP-Relais und Sicherungen der Trennarchitektur 10 als Gleichspannungssicherung.
Die Treiberschaltung 70 aus 3, die mit einem Vorladespannungssignal (V_PC) und einer Offsetspannung (V_B) versorgt wird und eine Treiberspannung (V_DR) in einem von drei möglichen Zuständen ausgibt, wird in 4 näher dargestellt. Diese besondere Schaltungseinheit empfängt drei Eingänge: Die Ausgangsspannung der monostabilen Schaltung 54 (V_SH), das Vorladespannungssignal (V_PC) und die Offsetspannung (V_B). Wenn Vorladen des Spannungsbusses erforderlich ist, wird ein binäres Vorladespannungssignal (V_PC) von 1 oder einem anderen Hoch-/Nicht-null-Wert vom Steuermodul 25 oder einer anderen geeigneten Steuerung angefordert, wie in 3 dargestellt. Das Vorladespannungssignal (V_PC) wird in ein anderes ODER-Logikgatter 155 zusammen mit dem Spannungsausgang (V_SH) der monostabilen Schaltung 54 der 4 geleitet. Der Ausgang des ODER-Logikgatters 155 als erste Gatterspannung (VG1) an ein erstes Dreipegel-Logikgatter 75 bereitgestellt, z. B. ein p-Kanal-MOSFET (PMOS) des in der Technik bekannten Typs. Der Ausgang der monostabilen Schaltung 54 (V_SH) wird auch über einen logischen Wechselrichter 71 invertiert und als zweite Gatterspannung (VG2) in einen anderes Dreipegel-Logikgatter 175 in Form eines n-Kanal-MOSFET oder NMOS geleitet.
Hinsichtlich der Dreipegelgatter 75 und 175 schalten die entsprechenden Gatter-Spannungen V_G1 und V_G2 des ODER-Logikgatters 155 das Gatter 75 und 175 nach Bedarf ein- oder aus und erzeugen dadurch eine Wellenform 78 mit einem der drei möglichen logischen Zustände S1, S2 oder S3. Wie in der Technik bekannt ist, schaltet, wenn eine Gatterspannung zu einem Logikgatter wie die Gatter 75 und 175 der 4 höher als eine kalibrierte Schwellenwertspannung ist, das Logikgatter ein und erreicht den logischen Zustand S3, d. h. ein HOCH oder 1. In solch einem Fall schließt LP-Relais 14B. Das Logikgatter 75 oder 175 schaltet aus, um den logischen Zustand S1 zu erreichen, die NIEDRIG oder 0 ist, unter einer solchen Spannungsschwelle. In solch einem Fall öffnet das LP-Relais 14B. Dennoch ist bei oder nahe der Spannungsschwelle das Logikgatter 75 oder 175 teilweise geöffnet, wodurch ein dazwischenliegender logischer Zustand S2 zwischen 0 und 1 erreicht wird. Wenn teilweise geöffnet, erfolgt die Abstimmung zwischen den Halbleiterschaltern 40 und dem LP-Relais 14B.
Für das Logikgatter 75, das als PMOS verkörpert ist, bewirkt das Einschalten der Logikgatter 75 einen Kurzschluss zur positiven Schiene 11 A. Das Logikgatter 75 kann zur Erzeugung eines Kurzschlusses zur negative Stromschiene 11B abgeschaltet werden. Wenn beide Gatter 75 und 175 ausgeschaltet sind, kann der logische Zustand über einen variablen Widerstand R₆ gesteuert, mit weiteren Widerständen R₅ und R₇ zum Bereitstellen der gewünschten Antwort kalibriert und fixiert werden.
Unter kurzer Bezugnahme auf 6, die die Spannungsausgabe (V_SH) der monostabilen Schaltung 54, das Vorladespannungssignal (V_PC) und den Schaltzustand (SS) aus einer bestimmten Kombination hoher (H) und niedriger (L) Werte in der Schaltung 70 aus 4 darstellt, wenn die Spannungsausgabe (V_SH) der monostabilen Schaltung 54 der 3 hohen Pegel (H) aufweist, schaltet das Logikgatter 175 der 4 aus/geht auf niedrig. Wenn Vorladen nicht erforderlich ist, wird V_PC hoch gesendet, z. B. durch das Steuermodul 25. In diesem Fall wirkt die Treiberschaltung 70 als Widerstand, um den Zwischenzustand S2 mit dem Betrieb der Halbleiterschalter 40 im Zustand S2, koordiniert mit dem Betrieb des Mid-Pack-LP-Relais 14B, zum Reduzieren der Stromlast auf dem LP-Relais 14B zu erreichen.
Wenn die Spannungsausgabe (V_SH) der monostabilen Schaltung 54 als hoch angeordnet wird und die Vorladespannung (V_PC) als geringen (L) angeordnet wird, wird der hohe logische Zustand S3 bereitgestellt und die Halbleiterschalter 40 werden eingeschaltet. Vorladen der Busschienen 11A und 11B ist freigegeben. Wenn jedoch das Ausgangssignal (V_SH) der monostabilen Schaltung 54 niedrig (L) ist, wird der niedrige logische Zustand S1 unabhängig vom Hoch-/Niedrigzustand der Vorladespannung (V_PC) bereitgestellt. Mit dem Ausgang (V_SH) niedrig wird das Logikgatter 175 der 4 unabhängig vom Zustand des Vorladesignals (V_PC) eingeschaltet.
5A-C beschreiben exemplarisch Überstrom, Notfall-Nicht-Überstrom und normale Antriebs-/Laden-Szenarios, jeweils mit der Zeit (t) auf den horizontalen Achsen jeder Figur und die Amplitude eines gegebenen gemessenen Parameters dargestellt auf jeder vertikalen Achse. Die 5A-C zeigen Parameter von der Trennarchitektur 10 der 1 einschließlich des erfassten oder berechneten Stroms (Is) über dem Stromsensor 15 der 1 und 2, der erfassten oder berechneten Spannung (V_IS) aus den Isolierungs-Detektionsschaltungen 16 und des Ausgang (Vo) des Fensterkomparators 52, dargestellt in 3. Weitere Parameter beinhalten die Steuerspannung (V_CTRL), die Spulenspannung (Vc), die Ausgabespannung (V_DR) von der Treiberschaltung 70 in 4 und die verzögerte Steuerspannung (V_LP) für die LP-Relais 14A, was Ausgabe des Verzögerungsblocks 57 in 3 ist.
Für die exemplarische Überstrombedingung gemäß 5A wird ein Steuerungsfenster (W) durch Konfiguration des Fensterkomparators 52 wie oben erläutert eingerichtet. Der erfasste Strom (Is), erfasst oberhalb einer ersten Schwelle (I₁), kann eine Kurzschlussbedingung anzeigen, während ein unterhalb eines unteren zweiten Schwellenwerts (Is) erfasster Strom (I₂) anzeigen kann, dass kein Kurzschluss vorliegt. Innerhalb des Fensters (W) steigt die Ausgangsspannung (Vo) des Fensterkomparators 52 der 3 als Antwort auf das Erfassen einer Schwellenspannung ((V_IS) mit der kurzen Verzögerung aufgrund der Verarbeitung durch die Fenstervergleichsschaltung 52, angegeben als Δt.
Der Wert der Steuerspannung (V_CTRL) wird niedriger oder fällt auf null als Reaktion auf die erfasste Überstrombedingung durch den Betrieb der Steuerung 25. Die Ausgangsspannung (V_DR) von der Treiberschaltung 70 in 4 steigt gleichzeitig und wird auf die Halbleiterschalter 40 übertragen. Wie oben erwähnt, bewirkt diese Maßnahme letztlich, dass die Halbleiterschalter 40 öffnen und somit, dass kein Strom durch das LP-Relais 14B fließt, ein Ergebnis, dass durch die Spulenspannung (Vc) null angezeigt wird. Einen kalibrierten Zeitraum (to) später folgt die verzögerte Steuerspannung (V_LP) und wird zu den LP-Relais 14A der 1 und 2 übertragen, wodurch die LP-Relais 14A zur zusätzlichen galvanischen Trennung öffnen müssen.
Für den exemplarischen Notfall eines Nicht-Überstromzustandes gemäß 5B, die dasselbe Kontrollfenster (W) der Fenstervergleichsschaltung 52 wie oben dargelegt verwendet, fällt die Steuerspannung (V_CTRL) auf null bei einem unteren Stromstärkeniveau, I₀, in Reaktion auf den erfassten Zustand. Die Ausgabespannung (V_DR) von der Treiberschaltung 70 in 4 steigt auf einen hohen Pegel und wird an die Halbleiterschalter 40 übertragen. Dies bewirkt letztlich, dass die Halbleiterschalter 40 öffnen und somit der Strom nur einen Teil der Dauer des Zustands vor dem Öffnen der Halbleiterschalter 40 durch die Mid-Pack-LP-Relais 14B fließt. Einen kalibrierten Zeitraum (to) später würde die verzögerte Steuerspannung (V_LP) folgen und wird an die LP-Relais 14A der 1 und 2 übertragen, wodurch die LP-Relais 14A zum Öffnen wie in 5A angewiesen werden.
5C zeigt einen normalen Betriebszustand, in welchem die Architektur 10 der 1 und 2 keinen Fehler anzeigt. Der erfasste Strom (Is) verharrt auf gleichem Niveau und die erfasste Spannung (V_IS) bleibt gering, was Normalbetrieb und Stromaufnahme aus dem Batteriesatz 20 anzeigt. In diesem Zustand verbleibt der Ausgang (Vo) der Fenstervergleichsschaltung 52 klein und die Steuerspannung (V_CTRL) bleibt hoch. Dadurch bleibt die Spulenspannung (Vc) über das Mid-Pack-LP-Relais 14B am Mid-Stack-Punkt des Batteriesatzes 20 hoch, sodass die volle maximale Spannung des Batteriesatzes 20 zur Versorgung des elektrischen Systems 30 zur Verfügung steht. Im Unterschied zu den Zuständen der 5A und 5B bleibt die Ausgabespannung (V_DR) von der Treiberschaltung 70 in 4 in Abwesenheit eines Fehlers gering. Dadurch bleiben die Halbleiterschalter 40 geöffnet und der gesamte Strom fließt durch das Mid-Pack-LP-Relais 14B.
Somit optimiert die Trennarchitektur 10 der 1 und 2 wie beschrieben mit Bezug auf 3-5C die Mechanisierung eines Spannungsbus mit verringerten Kosten und Masse gegenüber vorhandenen Lösungen ohne Einbußen bei der Robustheit des Abschaltens oder Hinzufügen von baulichem Aufwand. Neben dem oben erwähnten Nutzen kann die Architektur 10 vorübergehende Hochstrom- und Hochspannungswerte auf HV-Schaltschützen durch Einführen von kontaktlosen Schaltern verringern, d. h. die Halbleiterschalter 40 können kleiner gebaut werden und kostengünstigere Relais anstelle von hochbelastbaren mechanischen Schaltschützen verwendet werden. Zwei-Schienen-galvanische Trennung wird mit minimalen Kosten betrieben und bei der Verwendung an Bord eines Kraftfahrzeugs wird eine unabhängige Steuerung der verschiedenen LP-Relais 14A und 14B durch das Steuermodul 25 oder eine andere dedizierte Steuerung stets aufrechterhalten.

Claims

System (13), das Folgendes umfasst: einen Batteriesatz (20) mit einer Vielzahl von Zellen; positive und negative Busschienen (11A, 11B); und eine Trennarchitektur mit: einem Mid-Pack-Low-Power (LP)-Relais (14B) zwischen den positiven und negativen Busschienen (11A, 11B) an einem Mid-Stack-Punkt des Batteriesatzes (20) und betreibbar zum Unterteilen einer Spannung über dem Batteriesatz (20), wenn „geöffnet“ angewiesen wird; eine Satzsicherung (12P), die konfiguriert ist, um als Antwort auf einen satten-Kurzschluss-Zustand des Systems (13) zu öffnen; und eine Folgesteuerungsschaltung (50); dadurch gekennzeichnet , dass die Satzsicherung (12P) zwischen dem Mid-Pack-LP-Relais (14B) und der positiven Busschiene (11A) angeordnet ist; ein Paar Halbleiterschalter (40) elektrisch parallel zum Mid-Pack-LP-Relais (14B) angeordnet ist; und die Folgesteuerungsschaltung (50) dafür konfiguriert ist, selektiv die Halbleiterschalter (40) zu betätigen und damit den Fluss eines elektrischen Stroms durch die Halbleiterschalter (40) und das Mid-Pack-LP-Relais (14B) in Antwort auf einen erfassten partiellen-Kurzschluss-Zustand des Systems (13) zu koordinieren; wobei die Halbleiterschalter (40) mit umgekehrter relativer Polarität angeordnet sind.
System (13) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl von elektronischen Komponenten zwischen den positiven und negativen Busschienen (11A, 11B).
System (13) nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von elektronischen Komponenten ein oder mehrere fahrzeugeigenen Lademodule (31), ein Hilfsenergiemodul (32), ein Klimaanlagen-Steuermodul (33) und ein Wechselrichtermodul (34) beinhaltet.
System (13) nach Anspruch 1, wobei die Folgesteuerungsschaltung (50) ferner eine Treiberschaltung (70) mit einem Paar von logischen Dreipegelgattern (75, 175) beinhaltet.
System (13) nach Anspruch 4, wobei das Paar von logischen Dreipegelgattern einen NMOS (175) und einen PMOS (75) beinhaltet.
System (13) nach Anspruch 4, wobei die Folgesteuerungsschaltung (50) eine monostabile Schaltung (54), die zum Ausgeben eines vorübergehenden Impuls-Signals an die Treiberschaltung (70) in Reaktion auf eine Ausgabespannung von einer Fenstervergleichsschaltung (52) betreibbar ist, um dadurch die Halbleiterschalter (40) während des erfassten partiellen-Kurzschluss-Zustands einzuschalten.
System (13) nach Anspruch 6, wobei die Treiberschaltung (70) einen variablen Widerstand (R6) beinhaltet und wobei ein Logik-Status-Ausgang von der Treiberschaltung (70) über den variablen Widerstand (R₆) steuerbar ist, wenn das Paar von logischen Dreipegelgattern (75, 175) ausgeschaltet ist.
System (13) nach Anspruch 1, wobei sich die Trennarchitektur durch die Abwesenheit eines Vorladewiderstands auszeichnet.