DE102018106162B4 - Doppelabsicherung der Modulspeicheranbindung - Google Patents

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Abstract

Schaltung (100, 200, 300, 400) zum Schutz von Energiespeicherzellen (104), bei der mindestens eine Energiespeicherzelle (104) Teil einer Wechselstrombatterie ist, die Wechselstrombatterie mindestens ein Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) aufweist und das mindestens eine Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) mindestens eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleiterschaltern (106), einen Modulspeicher (105) und eine Modulsteuerung (106) umfasst, wobei das mindestens eine Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) mit der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) unter Bildung einer ersten Verbindung verbunden ist und die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen Modul, (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) eine erste Sicherung (101) aufweist, welche die erste Verbindung unterbrechen kann, wobei die Schaltung eine zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) aufweist, wobei die Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) dazu konfiguriert ist, ein Öffnen der ersten Sicherung (101) mittels Testpunkten (501, 502) vor und nach der ersten Sicherung (101) zu überwachen und/oder festzustellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zu einem Schutz einzelner Energiespeicherzellen einer Wechselstrombatterie, welche dynamisch in einer internen Verschaltung umkonfiguriert wird, um einen Wechselstromverbraucher zu versorgen.
  • Derzeitige für ein Elektrofahrzeug eingesetzte Batteriepacks sind festverdrahtete Einheiten aus Einzelteilen, bspw. Batteriezellen. Am Ausgang liefern derartige Batteriepacks fast ausschließlich Gleichspannung. Die meisten Verbraucher dagegen benötigen eine Wechselspannung, welche bspw. einen harmonischen Spannungsverlauf mit bestimmter Frequenz, Amplitude und Phase aufweist.
  • Durch eine dynamische Umkonfigurierung der Batterieverschaltung kann direkt die Wechselspannung oder eine Multiphasenspannung für einen oder mehrere Verbraucher erzeugt werden. So schlägt bspw. die Druckschrift DE 10 2011 014 133 A1 die dynamische Umkonfigurierung einer Batterie durch Einschalten einzelner Batteriemodule zu der Änderung einer Ausgangsspannung vor.
  • Wenn nur ein Teil einer Batterie defekt ist, beispielsweise eine Batteriezelle, ist in der Regel das gesamte Batteriepack unbrauchbar. Im Falle eines Elektrofahrzeuges muss dann mit einem Totalausfall gerechnet werden. Gegebenenfalls muss eine Stilllegung sogar aktiv erzwungen werden, damit ein defektes Batterieteil bei weiterer Belastung nicht überhitzt und Feuer fängt. In diesem Zusammenhang offenbart die Druckschrift DE 10 2012 210 910 A1 eine Überwachung einzelner Batteriemodule. Bei Auftreten eines Fehlers wird das fehlerhafte Batteriemodul überbrückt.
  • Leistungselektroniken mit Leistungshalbleiterschaltern, wie bspw. ein modularer Multilevelkonverter, mit MMC abgekürzt und bspw. beschrieben in DE 102 17 889 A1 , können dazu eingesetzt werden, ansonsten fest verdrahtete Batteriepacks in mehrere modulare Batterieteile aufzuteilen, deren elektrische Verschaltung dynamisch im Betrieb verändert werden kann. Ein modulares Batterieteil kann aus einzelnen Batteriezellen, aber auch aus mehreren Batteriezellen, die selber wieder ein kleines Batteriepack bilden, bestehen. Die dynamische Umkonfigurierung ermöglicht dabei ein Überbrücken defekter Batteriezellen oder eine Erzeugung beliebiger Ausgangsspannungen.
  • Bei modularen Multilevelkonvertern, dem Fachmann bekannt in Abkürzungen MMC, MMSPC und weitere, werden gerne Energiespeicherzellen genutzt, die eines Schutzes bedürfen. Das betrifft insbesondere Batteriezellen, Batterien und Doppelschichtkondensatoren, um Wechselstrombatterien zu bauen. Aus diesem Grund werden derartige Energiespeicherzellen meist mit einer Sicherung, bspw. einer Schmelzsicherung und/oder einem Schütz an ein jeweiliges Modul des modularen Multilevelkonverters angeschlossen, um Schäden an den Batterien oder Brände zu vermeiden. Insbesondere geschieht dies zusammen mit einer Überstrom- oder Unterspannungsabschaltung, bei deren Auslösung auch der Schütz mit ausgelöst wird. Derartige Fälle können beispielsweise bei einem Schaden der Leistungshalbleiterschalter, bspw. ein Durchlegieren des Halbleiters und damit Kurzschließen der angeschlossenen Batterien, eintreten. Gleichzeitig versorgt sich eine jeweilige Modulsteuerung in derartigen Systemen zumeist sehr elegant aus einem jeweiligen lokalen Modulspeicher, bspw. einem Kondensator. Dadurch können kleine galvanisch getrennte Gleichspannungswandler vermieden werden, weil die Modulspeicher eine Versorgungsspannung auf einem elektrischen Potential des Moduls oder relativ dazu bereitstellen können. Zu beachten ist hier, dass das lokale elektrische Potential, quasi die „lokale Masse“, sich gegenüber der Erde je nach Modulzustand verschiebt. Wird nun allerdings die lokale Modulsteuerung und Modulüberwachung aus der Energiespeicherzelle versorgt und die Sicherung ausgelöst, verliert damit auch die Modulsteuerung bzw. Modulüberwachung ihre Versorgungsspannung und fällt aus. Und dies ausgerechnet zu einem Zeitpunkt, an welchem das Batteriemodul einer Modulsteuerung und Modulüberwachung bedarf.
  • Die DE 10 2016 112 250 A1 zeigt eine Schaltung zum Schutz von Energiespeicherzellen, bei der mindestens eine Energiespeicherzelle Teil einer Wechselstrombatterie ist, die Wechselstrombatterie mindestens ein Modul aufweist und das mindestens eine Modul mindestens eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleiterschaltern, einen Modulspeicher und eine Modulsteuerung umfasst, wobei das mindestens eine Modul mit der mindestens einen Energiespeicherzelle unter Bildung einer ersten Verbindung verbunden ist und die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen Modul und der mindestens einen Energiespeicherzelle eine erste Sicherung aufweist, welche die erste Verbindung unterbrechen kann.
  • Eine dezentrale Modulsteuerung offenbart YANG, S. Et al.: A novel distributed control strategy for modular multilevel converters. In: 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, 2017, S. 3234 - 3240.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zur Verfügung zu stellen, welche in einer aus Modulen aufgebauten Wechselstrombatterie eine jeweilige Energiespeicherzelle schützt, wobei im Betrieb die jeweiligen Module sowohl einer Modulsteuerung wie auch einer Modulüberwachung bedürfen.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird eine Schaltung zum Schutz von Energiespeicherzellen vorgeschlagen, bei der mindestens eine Energiespeicherzelle Teil einer Wechselstrombatterie ist, die Wechselstrombatterie mindestens ein Modul aufweist und das mindestens eine Modul mindestens eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleiterschaltern, einen Modulspeicher und eine Modulsteuerung umfasst, wobei das mindestens eine Modul mit der mindestens einen Energiespeicherzelle unter Bildung einer ersten Verbindung verbunden ist und die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen Modul und der mindestens einen Energiespeicherzelle eine erste Sicherung aufweist, welche die erste Verbindung unterbrechen kann, wobei die Schaltung eine zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung des mindestens einen Moduls und der mindestens einen Energiespeicherzelle aufweist.
  • In der Regel umfasst die Schaltung mehrere Module und mehrere Energiespeicherzellen, wobei jeweils ein Modul über eine jeweilige erste Verbindung mit einer jeweiligen Energiespeicherzelle verbunden ist und die jeweilige erste Verbindung zwischen dem jeweiligen Modul und der jeweiligen Energiespeicherzelle eine jeweilige erste Sicherung aufweist, welche die jeweilige erste Verbindung unterbrechen kann. Ferner weist die Schaltung eine jeweilige zweite Verbindung zwischen einer jeweiligen Modulsteuerung eines jeweiligen Moduls und der jeweiligen Energiespeicherzelle auf. Das bedeutet, dass jedes Modul jeweils mit einer Energiespeicherzelle verbunden ist. In Ausgestaltung ist jedem Modul eine Energiespeicherzelle, mit der das jeweilige Modul verbunden ist, eineindeutig zugeordnet.
  • Damit erfolgt eine elektrische Versorgung der Modulsteuerung im Vergleich zum Stand der Technik nicht mehr über die erste Verbindung des Moduls zur Energiespeicherzelle. Somit beeinflusst eine Unterbrechung der ersten Verbindung zwischen zu sichernder Energiespeicherzelle und einem die Leistungshalbleiterschalter des Moduls umfassenden Leistungsteil nicht mehr automatisch den Betrieb der Modulsteuerung.
  • Wenn die erste Sicherung des Leistungsteiles auslöst, um bspw. eine Überlastung oder ein thermisches Durchgehen der Energiespeicherzelle zu verhindern, kann die Modulsteuerung, deren Versorgung weiterhin aus der Energiespeicherzelle sichergestellt ist, weiterhin den Leistungsteil kontrollieren.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung und der Energiespeicherzelle eine zweite Sicherung auf. Dabei kann es sich bspw. um eine Schmelzsicherung oder eine rückstellfähige Sicherung handeln. Bei der rückstellfähigen Sicherung kann es sich bspw. um eine Thermosicherung handeln. Bei Verwendung einer zweiten Sicherung können sich Auslösungsgrenzen der ersten und zweiten Sicherung deutlich unterscheiden. Die für den Leistungsteil zuständige erste Sicherung kann je nach Einsatz, bspw. in einem Elektrofahrzeug, bei mehreren 100 A oder in einem Netzspeicher bei zumindest mehreren 10 A liegen. Demgegenüber kann die für die Modulsteuerung zuständige zweite Sicherung dagegen bei mehreren 100 mA bis wenigen Ampere liegen.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen bzw. dem jeweiligen Modul und der mindestens einen bzw. der jeweiligen Energiespeicherzelle zusätzlich einen Schütz auf.
  • In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung des mindestens einen Moduls und der mindestens einen Energiespeicherzelle eine zusätzliche Ruheschaltung auf. Die Ruheschaltung kann vorteilhaft als Halbleiterschalter, bspw. ein Feldeffekttransistor, ausgeführt sein. Eine derartige Ruheschaltung verhindert durch Unterbrechung der Spannungsversorgung ein Leeren der jeweiligen Energiespeicherzelle durch einen Ruhestrom im Nichtbetrieb. Ihre Ansteuerung kann bspw. durch eine zentrale Steuerung erfolgen, die so Module aus einem Ruhemodus „aufwecken“ kann.
  • In fortgeführt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung handelt es sich bei der Ruheschaltung um einen galvanisch von der Schaltung getrennten Schalter. Dieser kann bspw. als ein Optokoppler oder ein Opto- bzw. Fototransistor ausgeführt sein. Der Optokoppler wird von „außen“ und damit galvanisch getrennt angesteuert, bspw. über eine gemeinsame Aufweckleitung der übergeordneten Steuerung, welche dadurch ohne Berücksichtigung der im jeweiligen Modul vorliegenden Potentialverhältnisse agieren kann. Die Ansteuerung des jeweiligen Optokopplers kann aber auch mit dezidierten Aufweckleitungen für ein jeweiliges Modul oder einer Untergruppe von Modulen erfolgen.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung weist die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung des mindestens einen Moduls und der mindestens einen Energiespeicherzelle zusätzlich einen Gleichspannungswandler auf. Der Gleichspannungswandler kann bspw. als ein Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Konverter ausgeführt sein. Auf diese Weise kann eine Spannung der Energiespeicherzelle an einen Bedarf der Modulsteuerung angepasst werden und/oder ggf. eine große Spannungsschwankung kompensiert werden. Gerade Batterien können große Spannungsunterschiede von mehr als 50% in Abhängigkeit von einem Ladezustand und einem Laststrom aufweisen.
  • In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Modulsteuerung des mindestens einen Moduls dazu konfiguriert, zusätzlich auch eine Modulüberwachung, welche die Leistungshalbleiterschalter bzw. den Leistungsteil überwacht, zu bewirken.
  • In noch weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Modulsteuerung des mindestens einen Moduls dazu konfiguriert, ein Öffnen der ersten Sicherung zu überwachen. Die Modulsteuerung kann dies im Gegensatz zum Stand der Technik problemlos übernehmen, da erfindungsgemäß die Versorgung der Modulsteuerung von der ersten Verbindung unabhängig ist.
  • In fortgeführt weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Modulsteuerung des mindestens einen Moduls dazu konfiguriert, ein Öffnen der ersten Sicherung mittels Testpunkten vor und nach der ersten Sicherung zu erkennen. Bspw. kann über derart angeordnete Testpunkte ein Teststrom eingeprägt werden, z. B. von einer konstanten Stromstärke von wenigen Milliampere, oder vorzugsweise ein Rechtecksignal mit vorbestimmter Frequenz und vorzugsweise zwischen zwei vorbestimmten Stromwerten ungleich 0 aufgrund besserer und rauschsicherer Detektion, und der Teststrom kann rückgemessen werden. Fließt der Teststrom nicht mehr oder nur noch kapazitiv, ist eine offene Verbindung anzunehmen. Ist nach der ersten Sicherung ein Schütz, bspw. ein Schütz mit elektronischer Überstromöffnung, angeordnet, kann die Erkennung durch Rücklese- oder Wechselkontakte erfolgen. Weiterhin können Testpunkte an einem Kontakt der Energiespeicherzelle, bspw. an einem positiven Pol der Energiespeicherzelle, und einem Kontakt zum Leistungsteil, bspw. zum Modulspeicher, verwendet werden. Wenn der Anschluss dieser Testleitungen an der Batterie und dem Leistungskreis unabhängig von den Leistungsanschlüssen erfolgt, bspw. mit unabhängigen Schraubpunkten oder Lötungen, kann nicht nur die geöffnete erste Sicherung sondern auch ein mechanisches Abreißen der ersten Verbindung erkannt werden. Vorteilhaft für eine Positionierung des jeweiligen Testpunkts, aber auch des Anschlusses der zweiten Verbindung zur Modulsteuerung, ist es, wenn beide besonders nah an eine aus der Energiespeicherzelle herausragende Kontaktfahne oder Kontaktfläche geschraubt oder geschweißt werden. Gegebenenfalls erfolgt die Positionierung des jeweiligen Testpunkts und des Anschlusses der zweiten Verbindung separat. Der Anschluss der ersten Verbindung zum Leistungsteil wird gewöhnlich direkt an der Energiespeicherzelle aufgeschraubt oder aufgeschweißt. Es können für die jeweiligen Anschlüsse auch Anschlusslöcher an der Energiespeicherzelle vorgesehen sein.
  • Schließlich kann in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ein zusätzlicher Kondensator hinter der ersten Sicherung und dem optionalen Schütz und vor dem Leistungsteil angeordnet sein. Sobald die erste Sicherung des Leistungsteils fällt und die Energiespeicherzelle während des Betriebes von den Leistungshalbleiterschaltern getrennt ist, verfügt der Leistungsteil über keine Spannungsversorgung mehr. Wenn im Betrieb während des Ausfalls allerdings gerade Energie abgegeben oder aufgenommen wurde, droht das Modul leer- oder vollzulaufen, so dass eine Spannung über die Leistungshalbleiterschalter absinkt oder ansteigt. Der erfindungsgemäß angeordnete Kondensator stellt bei Abkopplung der eigentlichen Spannungsversorgung durch die Energiespeicherzelle eine Kapazität des Kondensators zum Betrieb des Leistungsteils zur Verfügung. Die Versorgung der Steuerung ist dagegen bereits erfindungsgemäß durch die zweite Verbindung zur Energiespeicherzelle gewährleistet.
  • Sollte die Versorgung der Modulsteuerung trotz der eigenen zweiten Verbindung zur Energiespeicherzelle ausfallen, sollte dies durch eine übergeordnete Steuerung erkannt werden können.
  • Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Modulsteuerung ihre Bereitschaft in fortgeführter Ausführung an die übergeordnete Steuerung melden muss. Fällt diese Meldung aus, muss die übergeordnete Steuerung davon ausgehen, dass die Modulsteuerung ausgefallen ist oder nicht mehr versorgt wird. Bspw. kann die Bereitschaft durch ein aktiv auf high zu setzendes Signal implementiert werden, welches andernfalls durch einen pull-down-Widerstand auf 0 gezogen wird, bspw. durch einen sogenannten open-collector-Bus. Alternativ kann ein bestimmtes Bitmuster auf einer Leitung verwendet werden, welches bestimmten Regeln folgen muss. Diese Regeln können bspw. Amplitude und Frequenz betreffen, oder ein fixes Bitmuster oder ein nach vorhersagbaren Regeln änderndes Bitmuster, bspw. aus einer Schieberegisterschaltung, wie aus der Verschlüsselungstechnik bekannt, einfordern. Ebenso kann auch eine paketbasierte Kommunikation über einen Bus erfolgen, wobei ein regelmäßiges Statuspaket verschickt werden muss. Wenn dieses ausbleibt, als „timeout“ bezeichneter Fall, ist mit einem Ausfall der Modulsteuerung zu rechnen. Hier besteht allerdings der Nachteil, dass mit einem Busoverhead gearbeitet und ebenso eine Timeout-Zeit angenommen werden muss und damit eine hohe Reaktionszeit vorliegen kann.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
    • 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung an zwei miteinander verbundenen Modulen.
    • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung mit einer Ruheabschaltung und einem Spannungswandler.
    • 3 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung mit einer weiteren Ruheabschaltung und einem Spannungswandler.
    • 4 zeigt eine noch weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Optokoppler.
    • 5 zeigt Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungen mit einer Erkennung einer Versorgungsunterbrechung des Leistungsteiles.
  • In 1 wird eine erfindungsgemäße Schaltung 100 an zwei über Verbindungsleitungen 107 miteinander verbundenen Modulen 110 und 120 gezeigt, wobei eine Beschreibung der Schaltung exemplarisch an Modul 110 erfolgt. Das Modul 110 wird über eine Energiespeicherzelle 104 versorgt. Hierzu ist eine erste Verbindung von der Energiespeicherzelle 104 zu einem eine Mehrzahl an Leistungshalbleiterschaltern 106 und einen Modulspeicher 105 umfassenden Leistungsteil 111 des Moduls 110 angeordnet. Diese wird durch eine erste Sicherung 101 abgesichert. Optional kann zusätzlich, wie hier gezeigt, ein Schütz 102 angeordnet sein. Die Leistungshalbleiterschalter 106 werden von einer Modulsteuerung 109 gesteuert. Damit die Modulsteuerung 109 auch nach einer Unterbrechung der ersten Verbindung, wahlweise durch ein Öffnen der Sicherung 101 oder des optionalen Schützes 102, weiterhin die Leistungshalbleiterschalter 106 steuern oder auch eine denkbare Überwachungsfunktion ausführen kann, verfügt die Modulsteuerung 109 bzw. das Modul 110 erfindungsgemäß über eine von der ersten Verbindung unabhängige Versorgung. Diese wird über eine zweite Verbindung von der Energiespeicherzelle 104 zur Modulsteuerung 109 gebildet, welche durch die Sicherung 103 unterbrochen werden kann. Das Modul 110 ist weiter über Verbindungsleitungen 108 mit einem nächsten Modul oder dem Ausgang einer Wechselstrombatterie verbunden.
  • In 2 wird eine erfindungsgemäße Schaltung 200 mit einer Ruheabschaltung 206 und einem Spannungswandler 204 gezeigt, wobei beides jeweilig für sich als optional anzusehen ist. Wie in 1 sind zwei miteinander verbundene Module 210 und 220 dargestellt, die jeweilig einen gleichen Aufbau zu den in 1 gezeigten Modulen aufweisen, bspw. mit der ersten Sicherung 101, der zweiten Sicherung 103 und der Modulsteuerung 109. Jedoch wurde die Schaltung gegenüber 1 zum einen um eine Ruheschaltung 206 erweitert, mit welcher sich eine Versorgung der Modulsteuerung 109 unterbrechen bzw. wieder herstellen lässt. Für einen Schalter der Ruheschaltung 206 kommen mehrere elektronische Bauteile in Frage, wobei er hier durch einen p-Kanal Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp dargestellt ist. Eine übergeordnete Steuerung hat eine Verbindung 208 zu einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors der Ruheschaltung 206 und steuert über diese Verbindung 208 ein Schaltverhalten der Ruheschaltung 206. Zum anderen ist in der Schaltung 200 für das Modul 210 ein Gleichspannungswandler 204 gezeigt, über den die Modulsteuerung 109 an die Energiespeicherzelle angeschlossen ist.
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 300 mit einer weiteren Ruheabschaltung 206 und einem Spannungswandler 204. Es handelt sich um fast dieselbe Schaltung wie in 2, jedoch liegt nun die Verbindung 308 der übergeordneten Steuerung an einem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors der Ruheschaltung 206.
  • 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung 400 mit einem Optokoppler 402. Während die erste Sicherung 101 die Energiezelle gegenüber dem Leistungsteil absichert, befindet sich in der zweiten Verbindung zwischen Modulsteuerung 109 mit vorgeschaltetem Gleichspannungswandler 204 und der zweiten Sicherung 103 ein Optokoppler 402. Der Optokoppler 402 ermöglicht eine galvanisch von dem Modul getrennte Ruheschaltung.
  • In 5 werden erfindungsgemäße Schaltungen 510, 520 und 530 mit einer Erkennung einer Versorgungsunterbrechung des Leistungsteiles gezeigt. Schaltung 510 zeigt eine zwischen Testpunkten 501 und 502 eingefügte Messschaltung 506, um die erste Sicherung 101 herum, mit der die Versorgungsunterbrechung, bspw. eine ausgelöste erste Sicherung 101 oder ein geöffneter Schütz 102, durch ein bspw. an die Modulsteuerung (hier nicht gezeigt) geleitetes Signal 505 erkannt werden kann. Die Testpunkte 501 bzw. 502 wurden dabei an einem Pluspol der Energiespeicherzelle 104 bzw. an dem Modulspeicher 105 angeordnet. Generell sollten sie möglichst unabhängig von einem Anschluss zum Leistungsteil des Moduls angeordnet werden. In Schaltung 520 wird durch die gleiche Anordnung der Testpunkte wie in Schaltung 510 der Fall eines Risses 504 der ersten Verbindung hin zum Leistungsteil des Moduls detektierbar. Schließlich erfolgt in Schaltung 530 eine Erkennung des Risses 504 der ersten Verbindung zwischen dem Leistungsteil und der Energiespeicherzelle durch eine Spannungsüberwachung 532 am Modulspeicher 105, vorzugsweise an den Anschlüssen eines hinzuzufügenden Kondensators, und mit Meldung durch ein an die Modulsteuerung (hier nicht gezeigt) geleitetes Signal 534. Sobald die Verbindung zwischen der Energiespeicherzelle und dem Leistungsteil abreißt, muss eine verbleibende Zwischenkreiskapazität mit einem Laststrom umgehen und eine nötige Ladung abgeben oder aufnehmen, sofern weiter ein Laststrom fließt. Wenn zum Zeitpunkt der Versorgungsunterbrechung der Laststrom gerade in das Modul fließt, um eine angeschlossene Energiespeicherzelle aufzuladen, ist bei gerissener Verbindung mit einem Spannungsanstieg über eine zu erwartende Grenze zu rechnen. Fließt der Laststrom gerade aus dem Modul und entlädt dabei die angeschlossene Energiespeicherzelle, ist bei gerissener Verbindung mit einem Spannungsabfall unter eine zu erwartende Grenze zu rechnen. Durch einen oder zwei Schwellenschalter (obere und/oder untere Grenze) kann somit das Abreißen einer Verbindung zur Energiespeicherzelle oder ein Defekt der Energiespeicherzelle erkannt werden. Kein Analog-Digital-Wandler ist notwendig, wenn die Erkennung über einen Hardware-Schwellenschalter implementiert wird. Die Schwellen können beispielsweise deutlich über der maximalen oder unter der minimalen Spannung der Energiespeicherzelle gewählt werden. Die Schwellwertschalter können eine Hysterese gegen Fehlerkennung oder Oszillation eines Ausgangssignales aufweisen.

Claims (10)

  1. Schaltung (100, 200, 300, 400) zum Schutz von Energiespeicherzellen (104), bei der mindestens eine Energiespeicherzelle (104) Teil einer Wechselstrombatterie ist, die Wechselstrombatterie mindestens ein Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) aufweist und das mindestens eine Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) mindestens eine Halbbrücke aus zwei Leistungshalbleiterschaltern (106), einen Modulspeicher (105) und eine Modulsteuerung (106) umfasst, wobei das mindestens eine Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) mit der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) unter Bildung einer ersten Verbindung verbunden ist und die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen Modul, (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) eine erste Sicherung (101) aufweist, welche die erste Verbindung unterbrechen kann, wobei die Schaltung eine zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) aufweist, wobei die Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) dazu konfiguriert ist, ein Öffnen der ersten Sicherung (101) mittels Testpunkten (501, 502) vor und nach der ersten Sicherung (101) zu überwachen und/oder festzustellen.
  2. Schaltung (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 1, bei der die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung (106) und der, Energiespeicherzelle (104) eine zweite Sicherung (103) aufweist.
  3. Schaltung (100, 200, 300, 400) nach Anspruch 2, bei der die zweite Sicherung (103) eine Schmelzsicherung oder eine rückstellfähige Sicherung ist.
  4. Schaltung (100, 200, 300, 400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die erste Verbindung zwischen dem mindestens einen Modul (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) zusätzlich einen Schütz (102) aufweist.
  5. Schaltung (200, 300, 400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) eine zusätzliche Ruheschaltung (206, 402) aufweist.
  6. Schaltung (400) nach Anspruch 5, bei der die Ruheschaltung (206, 402) einen galvanisch von der Schaltung getrennt angesteuerten Schalter (402) aufweist.
  7. Schaltung (400) nach Anspruch 6, bei der der galvanisch von der Schaltung getrennt angesteuerte Schalter (402) ein Optokoppler oder ein Fototransistor ist.
  8. Schaltung (200, 300, 400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die zweite Verbindung zwischen der Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) und der mindestens einen Energiespeicherzelle (104) zusätzlich einen Gleichspannungswandler (204) aufweist.
  9. Schaltung (100, 200, 300, 400) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die Modulsteuerung (106) des mindestens einen Moduls (110, 120, 210, 220, 310, 320) dazu konfiguriert ist, zusätzlich auch eine Modulüberwachung, welche die Leistungshalbleiterschalter (106) überwacht, zu bewirken.
  10. Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, welche zusätzlich einen Kondensator aufweist, der in der ersten Verbindung zwischen der ersten Sicherung (101) mit optionalem Schütz (102) und vor einem die Leistungshalbleiterschalter (106) umfassenden Leistungsteil (111) angeordnet ist.
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