DE102019214169A1

DE102019214169A1 - Battery module for a motor vehicle and method for operating a battery module

Info

Publication number: DE102019214169A1
Application number: DE102019214169.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Teusch; Matthias Illing; Daniel Groezinger; Ulrich Schuetterle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul (5) für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens eine Batteriezelle (2), einen negativen Pol (21), einen positiven Pol (22), und eine Schaltvorrichtung (50), welche elektrisch seriell zu der mindestens einen Batteriezelle (2) geschaltet ist. Die Schaltvorrichtung (50) weist mindestens eine Schalteinheit (60) auf, die mindestens einen Halbleiterschalter (61, 62) mit einer Schaltstrecke (71, 72) umfasst, wobei die mindestens eine Schaltstrecke (71, 72) des mindestens einen Halbleiterschalters (61, 62) ansteuerbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls (5) in einem Kraftfahrzeug, wobei mindestens eine der Schaltstrecken der Halbleiterschalter (61, 62) der mindestens einen Schalteinheit (60) derart angesteuert wird, dass die Schaltstrecke in einer vorgegebenen Zeitspanne mehrmals geöffnet und mehrmals geschlossen wird.

The invention relates to a battery module (5) for a motor vehicle, comprising at least one battery cell (2), a negative pole (21), a positive pole (22), and a switching device (50) which is electrically connected in series with the at least one battery cell ( 2) is switched. The switching device (50) has at least one switching unit (60) which comprises at least one semiconductor switch (61, 62) with a switching path (71, 72), the at least one switching path (71, 72) of the at least one semiconductor switch (61, 62) can be controlled. The invention also relates to a method for operating a battery module (5) according to the invention in a motor vehicle, at least one of the switching paths of the semiconductor switches (61, 62) of the at least one switching unit (60) being controlled in such a way that the switching path is opened several times in a predetermined time period and is closed several times.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens eine Batteriezelle, einen negativen Pol, einen positiven Pol und eine Schaltvorrichtung, welche elektrisch seriell zu der mindestens einen Batteriezelle geschaltet ist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a battery module for a motor vehicle, which comprises at least one battery cell, a negative pole, a positive pole and a switching device which is connected electrically in series with the at least one battery cell. The invention also relates to a method for operating a battery module according to the invention in a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Konventionelle Kraftfahrzeuge weisen einen Antrieb auf, welcher üblicherweise einen Verbrennungsmotor umfasst. Ferner umfassen konventionelle Kraftfahrzeuge ein Batteriemodul zur Versorgung eines Anlassers und weiterer Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie sowie einen Generator zum Laden des Batteriemoduls. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst mindestens eine, vorzugsweise mehrere Batteriezellen, die beispielsweise seriell verschaltet sind, so dass das Batteriemodul eine Nominalspannung von beispielsweise 12 V oder 24 V aufweist. Bei den Batteriezellen handelt es sich beispielsweise um Lithium- lonen-Batteriezellen.Conventional motor vehicles have a drive which usually comprises an internal combustion engine. Furthermore, conventional motor vehicles include a battery module for supplying a starter and other consumers of the motor vehicle with electrical energy and a generator for charging the battery module. A generic battery module comprises at least one, preferably a plurality of battery cells, which are connected in series, for example, so that the battery module has a nominal voltage of 12 V or 24 V, for example. The battery cells are, for example, lithium-ion battery cells.

Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst auch eine Schaltvorrichtung, mittels welcher die Batteriezellen zugeschaltet, also mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden, sowie abgeschaltet, also von dem Bordnetz getrennt werden können. Ein gattungsgemäßes Batteriemodul umfasst ferner ein Managementsystem zum Überwachen der Batteriezellen und zum Steuern der Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung umfasst beispielsweise ein elektromechanisches Relais oder Schütz, welches durch entsprechende Ansteuerung durch das Managementsystem geöffnet sowie geschlossen werden kann.A generic battery module also includes a switching device by means of which the battery cells can be switched on, that is to say connected to an on-board network of the motor vehicle, and switched off, that is to say separated from the on-board network. A generic battery module also includes a management system for monitoring the battery cells and for controlling the switching device. The switching device includes, for example, an electromechanical relay or contactor, which can be opened and closed by appropriate control by the management system.

Wenn das besagte Relais der Schaltvorrichtung geschlossen ist, so ist ein Stromfluss zum Laden sowie zum Entladen der Batteriezellen möglich. Wenn das Relais der Schaltvorrichtung geöffnet ist, so ist kein Stromfluss, weder zum Laden noch zum Entladen der Batteriezellen, möglich. Wenn das Relais der Schaltvorrichtung während eines Stromflusses geöffnet wird, so kann dadurch eine verhältnismäßig hohe Induktionsspannung erzeugt werden. Die Induktionsspannung wird durch Induktivitäten verursacht, die in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorhanden sind. Hohe Induktionsspannungen können an dem Relais Abrissfunken oder Lichtbögen verursachen, wodurch Verschleiß an den Kontakten des Relais auftritt.When the said relay of the switching device is closed, a current flow for charging as well as for discharging the battery cells is possible. When the relay of the switching device is open, no current flow is possible, neither for charging nor for discharging the battery cells. If the relay of the switching device is opened while a current is flowing, a relatively high induction voltage can be generated as a result. The induction voltage is caused by inductances that are present in the vehicle electrical system. High induction voltages can cause sparks or arcs on the relay, which causes wear on the contacts of the relay.

Aus den Dokumenten US 2018/0034461 A1 und DE 10 2016 114 002 A1 ist eine Trennschalteranordnung, insbesondere für ein Bordspannungssystem eines Fahrzeugs bekannt. Die Trennschalteranordnung umfasst ein Trennschalterelement, eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen einer Ansteuerspannung und eine Hilfs-Ansteuereinheit zum Bereitstellen einer Hilfs-Ansteuerspannung. Das Trennschalterelement umfasst dabei ein MOSFET-Element. Das MOSFET-Element kann einen Leiter-Zustand annehmen, in welchem ein Stromfluss in beide Richtungen möglich ist, und einen Diode-Zustand, in welchem ein Stromfluss in nur eine Richtung durch eine intrinsische Diode möglich ist.From the documents US 2018/0034461 A1 and DE 10 2016 114 002 A1 a circuit breaker arrangement is known, in particular for an on-board voltage system of a vehicle. The circuit breaker arrangement comprises a circuit breaker element, a control unit for providing a control voltage and an auxiliary control unit for providing an auxiliary control voltage. The circuit breaker element comprises a MOSFET element. The MOSFET element can assume a conductor state, in which a current flow is possible in both directions, and a diode state, in which a current flow is possible in only one direction through an intrinsic diode.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein Batteriemodul für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, vorgeschlagen. Das Batteriemodul umfasst mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere Batteriezellen, die innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein können. Die Batteriezellen sind vorzugsweise als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgeführt.A battery module for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle with an internal combustion engine, is proposed. The battery module comprises at least one battery cell, preferably a plurality of battery cells, which can be connected to one another both in series and in parallel within the battery module. The battery cells are preferably designed as lithium-ion battery cells.

Das Batteriemodul umfasst auch einen negativen Pol und einen positiven Pol. Beim Einbau in ein Kraftfahrzeug, also beim Anschluss an ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs, werden die beiden Pole des Batteriemoduls mit entsprechenden Anschlüssen des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden. Beim Betrieb des Batteriemoduls an dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs liegt zwischen den Polen eine Nominalspannung von beispielsweise 12 V oder 24 V an.The battery module also includes a negative pole and a positive pole. When installed in a motor vehicle, that is to say when connected to an on-board network of the motor vehicle, the two poles of the battery module are electrically connected to corresponding connections of the motor vehicle. When the battery module is operated on the vehicle electrical system, a nominal voltage of, for example, 12 V or 24 V is applied between the poles.

Das Batteriemodul umfasst ferner eine Schaltvorrichtung, welche elektrisch seriell zu der mindestens einen Batteriezelle geschaltet ist. Mittels der Schaltvorrichtung kann die mindestens eine Batteriezelle insbesondere mit den beiden Polen elektrisch verbunden werden sowie von mindestens einem der Pole elektrisch getrennt werden.The battery module further comprises a switching device which is electrically connected in series with the at least one battery cell. By means of the switching device, the at least one battery cell can in particular be electrically connected to the two poles and also be electrically isolated from at least one of the poles.

Erfindungsgemäß weist die Schaltvorrichtung des Batteriemoduls mindestens eine Schalteinheit auf, die mindestens einen Halbleiterschalter mit einer Schaltstrecke umfasst. Dabei ist die Schaltstrecke des mindestens einen Halbleiterschalters ansteuerbar. Zum Ansteuern der Schaltstrecke ist beispielsweise ein Managementsystem vorgesehen.According to the invention, the switching device of the battery module has at least one switching unit which comprises at least one semiconductor switch with a switching path. The switching path of the at least one semiconductor switch can be controlled. A management system, for example, is provided for controlling the switching path.

Vorzugsweise umfasst die Schalteinheit zwei elektrisch seriell geschaltete Halbleiterschalter mit jeweils einer Schaltstrecke. Dabei sind die Schaltstrecken der beiden Halbleiterschalter unabhängig voneinander ansteuerbar. Zum Ansteuern der Schaltstrecken der beiden Halbleiterschalter ist beispielsweise ein Managementsystem vorgesehen.The switching unit preferably comprises two semiconductor switches connected electrically in series, each with a switching path. The switching paths of the two semiconductor switches can be controlled independently of one another. A management system, for example, is provided to control the switching paths of the two semiconductor switches.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltvorrichtung optional eine oder mehrere Diodeneinheiten auf, welche elektrisch parallel zu der mindestens einen Schalteinheit geschaltet ist. Die Diodeneinheit/en dient/dienen dabei zum Schutz vor Überspannungen. Selbstverständlich kann die Schaltvorrichtung des Batteriemoduls auch mehrere parallel zu der mindestens einen Schalteinheit geschaltete Diodeneinheiten aufweisen.According to a preferred embodiment of the invention, the switching device optionally has a or a plurality of diode units, which are connected electrically in parallel with the at least one switching unit. The diode unit (s) is / are used to protect against overvoltages. Of course, the switching device of the battery module can also have a plurality of diode units connected in parallel to the at least one switching unit.

Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Diodeneinheit dabei zwei Klemmdioden, die elektrisch antiseriell geschaltet sind. Insbesondere umfasst die mindestens eine Diodeneinheit dabei je eine Klemmdiode pro Halbleiterschalter der Schalteinheit, die entsprechend gegengerichtet zu intrinsischen Dioden der Halbleiterschalter geschaltet sind. Bevorzugt weisen die Klemmdioden dabei jeweils eine Durchbruchspannung auf, die größer ist als die Nominalspannung der Batteriezellen.The at least one diode unit preferably comprises two clamping diodes which are electrically connected in anti-series. In particular, the at least one diode unit comprises one clamping diode per semiconductor switch of the switching unit, which are connected in a correspondingly opposite manner to intrinsic diodes of the semiconductor switches. The clamping diodes preferably each have a breakdown voltage that is greater than the nominal voltage of the battery cells.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltvorrichtung eine Mehrzahl von Schalteinheiten auf, welche elektrisch parallel geschaltet sind. Dabei sind die einzelnen Schalteinheiten bevorzugt identisch aufgebaut.According to an advantageous development of the invention, the switching device has a plurality of switching units which are electrically connected in parallel. The individual switching units are preferably constructed identically.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Schalteinheit derart ausgebildet und ansteuerbar, dass in einem ersten Schaltzustand der Schalteinheit ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert ist.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least one switching unit is designed and controllable in such a way that in a first switching state of the switching unit, a current flow through the at least one switching unit for charging and discharging the at least one battery cell is prevented.

Ferner ist, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die mindestens eine Schalteinheit derart ausgebildet und ansteuerbar, dass in einem zweiten Schaltzustand der Schalteinheit ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht ist.Furthermore, according to an advantageous embodiment of the invention, the at least one switching unit is designed and controllable in such a way that, in a second switching state of the switching unit, a current flow is enabled through the at least one switching unit for charging and discharging the at least one battery cell.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Schalteinheit derart ausgebildet und ansteuerbar, dass in einem dritten Schaltzustand der Schalteinheit ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert ist, während ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one switching unit is designed and controllable in such a way that, in a third switching state of the switching unit, a current flow through the at least one switching unit for charging the at least one battery cell is prevented, while a current flow through the at least one switching unit for discharging the at least one battery cell is enabled.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Schalteinheit derart ausgebildet und ansteuerbar, dass in einem vierten Schaltzustand der Schalteinheit ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht ist, während ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one switching unit is designed and controllable in such a way that, in a fourth switching state of the switching unit, a current flow through the at least one switching unit for charging the at least one battery cell is enabled, while a current flow through the at least one switching unit is possible for discharging the at least one battery cell is prevented.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Halbleiterschalter der mindestens einen Schalteinheit jeweils als MOSFET, also als Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor, ausgeführt. Die Halbleiterschalter weisen dabei jeweils eine ansteuerbare Schaltstrecke sowie eine parallel zu der Schaltstrecke geschaltete Inversdiode auf. Ein solche, durch das Substrat eines Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistors gebildete Inversdiode wird auch als Body-Diode bezeichnet. Die Halbleiterschalter der mindestens einen Schalteinheit sind dabei derart angeordnet, dass die Inversdioden der Halbleiterschalter elektrisch antiseriell geschaltet sind.According to an advantageous embodiment of the invention, the semiconductor switches of the at least one switching unit are each designed as a MOSFET, that is to say as a metal oxide semiconductor field effect transistor. The semiconductor switches each have a controllable switching path and an inverse diode connected in parallel to the switching path. Such an inverse diode formed by the substrate of a metal oxide semiconductor field effect transistor is also referred to as a body diode. The semiconductor switches of the at least one switching unit are arranged in such a way that the inverse diodes of the semiconductor switches are electrically connected in reverse series.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Halbleiterschalter der mindestens einen Schalteinheit als IGBT ausgeführt. Dabei umfasst die Schalteinheit auch eine Schaltung zur Stromrichtungserkennung, mittels welcher der mindestens eine Halbleiterschalter ansteuerbar ist. Ein solcher IGBT weist keine Inversdiode auf. Daher sperrt der als IGBT ausgeführte Halbleiterschalter im geöffneten Zustand Strom in beide Richtungen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least one semiconductor switch of the at least one switching unit is designed as an IGBT. The switching unit also includes a circuit for current direction detection, by means of which the at least one semiconductor switch can be controlled. Such an IGBT does not have an inverse diode. Therefore, the semiconductor switch designed as an IGBT blocks current in both directions when it is open.

Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Batteriemodul ist dabei in ein Kraftfahrzeug eingebaut und an ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Dabei sind insbesondere die beiden Pole des Batteriemoduls mit entsprechenden Anschlüssen des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden.A method for operating a battery module according to the invention in a motor vehicle is also proposed. The battery module according to the invention is installed in a motor vehicle and connected to an on-board network of the motor vehicle. In particular, the two poles of the battery module are electrically connected to corresponding connections of the motor vehicle.

Erfindungsgemäß wird dabei mindestens eine der Schaltstrecken der Halbleiterschalter der mindestens einen Schalteinheit derart angesteuert, dass die Schaltstrecke des Halbleiterschalters in einer vorgegebenen Zeitspanne mehrmals geöffnet und mehrmals geschlossen wird. Die Schaltstrecke des Halbleiterschalters ist dabei abwechselnd leitend und sperrend. Die Schaltstrecke des Halbleiterschalters wird also in der vorgegebenen Zeitspanne getaktet betrieben.According to the invention, at least one of the switching paths of the semiconductor switches of the at least one switching unit is controlled in such a way that the switching path of the semiconductor switch is opened and closed several times in a predetermined period of time. The switching path of the semiconductor switch is alternately conductive and blocking. The switching path of the semiconductor switch is therefore operated in a clocked manner in the specified time period.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die vorgegebene Zeitspanne, in welcher die Schaltstrecke des Halbleiterschalters getaktet betrieben wird, zwischen 10 ms und 10 s.According to an advantageous embodiment of the invention, the predetermined time span in which the switching path of the semiconductor switch is operated clocked is between 10 ms and 10 s.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schaltstrecke des Halbleiterschalters während des getakteten Betriebs in der besagten Zeitspanne dabei mindestens zehnmal und/oder mit einer Frequenz von vorzugsweise 1 kHz bis 1 MHz geöffnet und geschlossen.According to an advantageous embodiment of the invention, the switching path of the semiconductor switch is opened and closed at least ten times and / or at a frequency of preferably 1 kHz to 1 MHz during clocked operation in said time period.

Während des getakteten Betriebs der Schaltstrecke des Halbleiterschalters in der besagten Zeitspanne kann beispielsweise ein konstantes Tastverhältnis gewählt werden. Das Tastverhältnis ist dabei ein Quotient aus einer Dauer einer Phase, in welcher die Schaltstrecke leitend ist, und einer Dauer einer Phase, in welcher die Schaltstrecke sperrend ist. Das bedeutet, die Phasen in welchen die Schaltstrecke leitend ist, sind jeweils gleich groß. Ebenso sind die Phasen in welchen die Schaltstrecke sperrend ist, jeweils gleich groß.During the clocked operation of the switching path of the semiconductor switch in the said period of time, for example, a constant Duty cycle can be selected. The duty cycle is a quotient of a duration of a phase in which the switching path is conductive and a duration of a phase in which the switching path is blocking. This means that the phases in which the switching path is conductive are each of the same size. The phases in which the switching path is blocking are also each of the same size.

Das Tastverhältnis kann jedoch auch zeitlich veränderlich sein. Beispielsweise können die Phasen in welchen die Schaltstrecke leitend ist, zu Beginn der Zeitspanne verhältnismäßig klein sein und im Lauf der Zeitspanne größer werden. In diesem Fall sind die Phasen in welchen die Schaltstrecke sperrend ist, zu Beginn der Zeitspanne verhältnismäßig groß und werden im Lauf der Zeitspanne kleiner.The pulse duty factor can, however, also vary over time. For example, the phases in which the switching path is conductive can be relatively small at the beginning of the time span and become larger over the course of the time span. In this case, the phases in which the switching path is blocking are relatively large at the beginning of the time span and become smaller over the course of the time span.

Ebenso können bei einem zeitlich veränderlichen Tastverhältnis die Phasen, in welchen die Schaltstrecke leitend ist, zu Beginn der Zeitspanne verhältnismäßig groß sein und im Lauf der Zeitspanne kleiner werden. In diesem Fall sind die Phasen in welchen die Schaltstrecke sperrend ist, zu Beginn der Zeitspanne verhältnismäßig klein und werden im Lauf der Zeitspanne größer.Likewise, in the case of a time-varying pulse duty factor, the phases in which the switching path is conductive can be relatively large at the beginning of the time span and become smaller over the course of the time span. In this case, the phases in which the switching path is blocking are relatively small at the beginning of the time span and increase over the course of the time span.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zum Überführen der mindestens einen Schalteinheit der Schaltvorrichtung von einem zweiten Schaltzustand, in welchem ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht ist, in einen ersten Schaltzustand, in welchem ein Stromfluss durch die mindestens eine Schalteinheit zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert ist, die nachfolgend genannten Schritte durchgeführt.According to a preferred embodiment of the invention, to transfer the at least one switching unit of the switching device from a second switching state, in which a current flow through the at least one switching unit for charging and discharging of the at least one battery cell is enabled, into a first switching state, in which a current flow by the at least one switching unit for charging as well as for discharging the at least one battery cell is prevented, the steps mentioned below are carried out.

In dem zweiten Schaltzustand der mindestens einen Schalteinheit sind die Schaltstrecken der Halbleiterschalter leitend. Dadurch ist ein Stromfluss durch die Schaltstrecken möglich. In dem zweiten Schaltzustand der mindestens einen Schalteinheit ist damit ein Stromfluss zum Aufladen sowie zum Entladen der Batteriezellen ermöglicht.In the second switching state of the at least one switching unit, the switching paths of the semiconductor switches are conductive. This enables current to flow through the switching paths. In the second switching state of the at least one switching unit, a current flow for charging and discharging the battery cells is thus enabled.

In dem ersten Schaltzustand der mindestens einen Schalteinheit sperren die Schaltstrecken der Halbleiterschalter. Dadurch ist kein Stromfluss durch die Schaltstrecken sowie durch die Inversdioden möglich. In dem ersten Schaltzustand der mindestens einen Schalteinheit ist damit ein Stromfluss zum Aufladen sowie zum Entladen der Batteriezellen verhindert.In the first switching state of the at least one switching unit, the switching paths of the semiconductor switches block. As a result, no current flow through the switching paths or through the inverse diodes is possible. In the first switching state of the at least one switching unit, a current flow for charging and discharging the battery cells is prevented.

In einem ersten Schritt erfolgt ein Ansteuern genau einer Schaltstrecke der mindestens einen Schalteinheit während der vorgegebenen Zeitspanne derart, dass die eine Schaltstrecke mehrmals geöffnet und mehrmals geschlossen wird. Die eine Schaltstrecke wird also getaktet betrieben. Während der vorgegebenen Zeitspanne bleibt die andere Schaltstrecke der mindestens einen Schalteinheit geschlossen.In a first step, precisely one switching path of the at least one switching unit is controlled during the predetermined time span such that the one switching path is opened several times and closed several times. One switching path is therefore operated in a clocked manner. The other switching path of the at least one switching unit remains closed during the predetermined period of time.

In einem zweiten Schritt erfolgt ein Ansteuern der anderen Schaltstrecke der mindestens einen Schalteinheit nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne derart, dass die andere Schaltstrecke einmal geöffnet wird und dann geöffnet bleibt. Die andere Schaltstrecke wird also nicht getaktet betrieben.In a second step, the other switching path of the at least one switching unit is activated after the predefined time span has elapsed in such a way that the other switching path is opened once and then remains open. The other switching path is therefore not operated in a clocked manner.

Wenn die eine Schaltstrecke nach Ausführen des ersten Schritts geöffnet ist, so sind nach Ausführen des zweiten Schritts beide Schaltstrecken von beiden Halbleiterschaltern der mindestens einen Schalteinheit geöffnet, also sperrend. Die mindestens eine Schalteinheit der Schaltvorrichtung befindet sich also in dem ersten Schaltzustand.If one switching path is open after the first step has been carried out, both switching paths of the two semiconductor switches of the at least one switching unit are open, that is to say blocking, after the second step has been carried out. The at least one switching unit of the switching device is therefore in the first switching state.

Wenn die eine Schaltstrecke nach Ausführen des ersten Schritts geschlossen, also leitend, ist, so erfolgt in einem dritten Schritt noch ein einmaliges Ansteuern der einen Schaltstrecke nach Ablauf der Zeitspanne derart, dass die eine Schaltstrecke geöffnet wird und geöffnet bleibt. Nach Ausführen des dritten Schritts sind dann beide Schaltstrecken von beiden Halbleiterschaltern der mindestens einen Schalteinheit geöffnet, also sperrend. Die mindestens eine Schalteinheit der Schaltvorrichtung befindet sich also in dem ersten Schaltzustand.If one switching path is closed after the first step has been carried out, that is to say conducting, then in a third step the one switching path is activated once again after the time span has elapsed in such a way that one switching path is opened and remains open. After the third step has been carried out, both switching paths of the two semiconductor switches of the at least one switching unit are then open, that is to say blocking. The at least one switching unit of the switching device is therefore in the first switching state.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul weist die Schaltvorrichtung kein Relais sondern eine Schalteinheit mit Halbleiterschaltern auf. Abrissfunken sowie Lichtbögen können beim Schalten der Schalteinheit nicht auftreten. Ein Verschleiß an Kontakten durch Abrissfunken oder Lichtbögen ist damit ausgeschlossen. Eine elektrisch parallel zu der Schalteinheit geschaltete Diodeneinheit dient zusätzlich zum Schutz der Halbleiterschalter gegen hohe Spannungen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Batteriemoduls gestattet ferner, Induktionsspannung, die beim Abschalten auftreten, vorteilhaft zu verringern. Dadurch werden auch andere Bauteile des Kraftfahrzeugs außerhalb des Batteriemoduls vor zu hohen Induktionsspannungen geschützt.In a battery module according to the invention, the switching device does not have a relay but a switching unit with semiconductor switches. Sparks and arcs cannot occur when the switching unit is switched. Wear and tear on the contacts due to sparks or arcing is therefore excluded. A diode unit connected electrically in parallel to the switching unit also serves to protect the semiconductor switch against high voltages. The method according to the invention for operating a battery module also makes it possible to advantageously reduce induction voltages that occur when switching off. This also protects other components of the motor vehicle outside the battery module from excessive induction voltages.

Bei einem erfindungsgemäßen Batteriemodul kann, je nach Schaltzustand der Schalteinheit, auch eine Richtung eines Stromflusses selektiv vorgegeben werden. So kann in einem ersten Schaltzustand ein Stromfluss zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert sein. In einem zweiten Schaltzustand kann ein Stromfluss zum Aufladen sowie zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht sein. In einem dritten Schaltzustand kann ein Stromfluss zum Aufladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert sein, während ein Stromfluss zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht ist. In einem vierten Schaltzustand kann ein Stromfluss zum Aufladen der mindestens einen Batteriezelle ermöglicht sein, während ein Stromfluss zum Entladen der mindestens einen Batteriezelle verhindert ist.In the case of a battery module according to the invention, depending on the switching state of the switching unit, a direction of a current flow can also be selectively specified. In a first switching state, a current flow for charging and discharging the at least one battery cell can thus be prevented. In a second switching state, a current flow for charging and discharging the at least one Battery cell made possible. In a third switching state, a current flow for charging the at least one battery cell can be prevented, while a current flow for discharging the at least one battery cell is enabled. In a fourth switching state, a current flow for charging the at least one battery cell can be enabled, while a current flow for discharging the at least one battery cell is prevented.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Schalteinheit,
2 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls,
3 eine schematische Darstellung einer Schalteinheit gemäß einer ersten Variante und
4 eine schematische Darstellung einer Schalteinheit gemäß einer zweiten Variante.

Show it:

1 a schematic representation of a switching unit,
2 a schematic representation of a battery module,
3 a schematic representation of a switching unit according to a first variant and
4th a schematic representation of a switching unit according to a second variant.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schalteinheit 60 für ein Batteriemodul 5. Die Schalteinheit 60 weist unter anderem einen ersten Halbleiterschalter 61 und einen zweiten Halbleiterschalter 62 auf, welche elektrisch seriell geschaltet sind. 1 shows a schematic representation of a switching unit 60 for one battery module 5 . The switching unit 60 has, inter alia, a first semiconductor switch 61 and a second semiconductor switch 62 which are electrically connected in series.

Der erste Halbleiterschalter 61 ist als MOSFET ausgeführt. Der erste Halbleiterschalter 61 weist eine ansteuerbare erste Schaltstrecke 71 und eine erste Inversdiode 73 auf. Die erste Inversdiode 73 ist elektrisch parallel zu der ansteuerbaren ersten Schaltstrecke 71 geschaltet. Die erste Inversdiode 73 ist für einen Stromfluss in eine Richtung leitend und sperrt einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung.The first semiconductor switch 61 is designed as a MOSFET. The first semiconductor switch 61 has a controllable first switching path 71 and a first inverse diode 73 on. The first inverse diode 73 is electrically parallel to the controllable first switching path 71 switched. The first inverse diode 73 is conductive for a current flow in one direction and blocks a current flow in the opposite direction.

Der zweite Halbleiterschalter 62 ist als MOSFET ausgeführt. Der zweite Halbleiterschalter 62 weist eine ansteuerbare zweite Schaltstrecke 72 und eine zweite Inversdiode 74 auf. Die zweite Inversdiode 74 ist elektrisch parallel zu der ansteuerbaren zweiten Schaltstrecke 72 geschaltet. Die zweite Inversdiode 74 ist für einen Stromfluss in eine Richtung leitend und sperrt einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung.The second semiconductor switch 62 is designed as a MOSFET. The second semiconductor switch 62 has a controllable second switching path 72 and a second inverse diode 74 on. The second inverse diode 74 is electrically parallel to the controllable second switching path 72 switched. The second inverse diode 74 is conductive for a current flow in one direction and blocks a current flow in the opposite direction.

Die beiden Halbleiterschalter 61, 62 sind derart in der Schalteinheit 60 angeordnet, dass die beiden Inversdioden 73, 74 elektrisch antiseriell geschaltet sind. Die erste Inversdiode 73 ist in die eine Richtung durchlässig und sperrt in die andere Richtung. Die zweite Inversdiode 74 ist in die andere Richtung durchlässig und sperrt in die eine Richtung. Beispielsweise kann die Schalteinheit 60 derart in einem Batteriemodul 5 angeordnet werden, dass die erste Inversdiode 73 für einen Stromfluss zum Entladen von Batteriezellen 2 durchlässig ist und einen Stromfluss zum Aufladen der Batteriezellen 2 sperrt. In diesem Fall ist die zweite Inversdiode 74 für einen Stromfluss zum Aufladen der Batteriezellen 2 durchlässig und sperrt einen Stromfluss zum Entladen der Batteriezellen 2.The two semiconductor switches 61 , 62 are like this in the switching unit 60 arranged that the two inverse diodes 73 , 74 are electrically connected in antiseries. The first inverse diode 73 is permeable in one direction and blocks in the other direction. The second inverse diode 74 is permeable in the other direction and blocks in one direction. For example, the switching unit 60 such in a battery module 5 be arranged that the first inverse diode 73 for a current flow to discharge battery cells 2 is permeable and a current flow to charge the battery cells 2 locks. In this case the second is the inverse diode 74 for a current flow to charge the battery cells 2 permeable and blocks a current flow for discharging the battery cells 2 .

Die Schalteinheit 60 weist eine erste Steuerleitung 75 auf, welche zum Ansteuern der ersten Schaltstrecke 71 vorgesehen ist. Die erste Steuerleitung 75 ist mit einem hier nicht dargestellten GATE-Anschluss des als MOSFET ausgeführten ersten Halbleiterschalters 61 verbunden. Die Schalteinheit 60 weist auch eine erste Messleitung 77 auf, welche zum Messen einer an dem ersten Halbleiterschalter 61 anliegenden Spannung vorgesehen ist. Die erste Messleitung 77 ist mit einem Knotenpunkt der Schalteinheit 60 verbunden, welcher sich zwischen dem ersten Halbleiterschalter 61 und dem zweiten Halbleiterschalter 62 befindet.The switching unit 60 has a first control line 75 on which to control the first switching path 71 is provided. The first control line 75 is with a GATE connection, not shown here, of the first semiconductor switch, which is designed as a MOSFET 61 connected. The switching unit 60 also has a first test lead 77 on which for measuring a on the first semiconductor switch 61 applied voltage is provided. The first test lead 77 is with a node of the switching unit 60 connected, which is located between the first semiconductor switch 61 and the second semiconductor switch 62 is located.

Die Schalteinheit 60 weist eine zweite Steuerleitung 76 auf, welche zum Ansteuern der zweiten Schaltstrecke 72 vorgesehen ist. Die zweite Steuerleitung 76 ist mit einem hier nicht dargestellten GATE-Anschluss des als MOSFET ausgeführten zweiten Halbleiterschalters 62 verbunden. Die Schalteinheit 60 weist auch eine zweite Messleitung 78 auf, welche zum Messen einer an dem zweiten Halbleiterschalter 62 anliegenden Spannung vorgesehen ist. Die zweite Messleitung 78 ist mit einem Knotenpunkt der Schalteinheit 60 verbunden, welcher sich zwischen dem ersten Halbleiterschalter 61 und dem zweiten Halbleiterschalter 62 befindet.The switching unit 60 has a second control line 76 on which to control the second switching path 72 is provided. The second control line 76 is connected to a GATE connection, not shown here, of the second semiconductor switch designed as a MOSFET 62 connected. The switching unit 60 also has a second test lead 78 on which for measuring a on the second semiconductor switch 62 applied voltage is provided. The second test lead 78 is with a node of the switching unit 60 connected, which is located between the first semiconductor switch 61 and the second semiconductor switch 62 is located.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 5 für ein Kraftfahrzeug. Das Batteriemodul 5 umfasst mehrere Batteriezellen 2, die seriell miteinander verschaltetet sind. Die Batteriezellen 2 sind vorliegend als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgeführt. Eine von den Batteriezellen 2 gelieferte Nominalspannung beträgt beispielsweise 12 V. Das Batteriemodul 5 umfasst auch einen negativen Pol 21 und einen positiven Pol 22. Die seriell miteinander verschalteten Batteriezellen 2 sind mit dem negativen Pol 21 elektrisch verbunden. 2 shows a schematic representation of a battery module 5 for a motor vehicle. The battery module 5 includes multiple battery cells 2 that are interconnected in series. The battery cells 2 are in the present case designed as lithium-ion battery cells. One of the battery cells 2 The nominal voltage supplied is, for example, 12 V. The battery module 5 also includes a negative pole 21 and a positive pole 22nd . The serial with each other interconnected battery cells 2 are with the negative pole 21 electrically connected.

Das Batteriemodul 5 ist mit einem hier nicht dargestellten Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden. Wenn ein Ladestrom von dem positiven Pol 22 durch die Batteriezellen 2 zu dem negativen Pol 21 fließt, so werden die Batteriezellen 2 geladen. Wenn ein Entladestrom von dem negativen Pol 21 durch die Batteriezellen 2 zu dem positiven Pol 22 fließt, so werden die Batteriezellen 2 entladen.The battery module 5 is connected to an on-board network, not shown here, of a motor vehicle. When a charging current from the positive pole 22nd through the battery cells 2 to the negative pole 21 flows, so will the battery cells 2 loaded. When a discharge current from the negative pole 21 through the battery cells 2 to the positive pole 22nd flows, so will the battery cells 2 unload.

Das Batteriemodul 5 umfasst eine Schaltvorrichtung 50. Die Schaltvorrichtung 50 ist elektrisch mit dem positiven Pol 22 und mit den Batteriezellen 2 verbunden. Die Schaltvorrichtung 50 ist also elektrisch seriell zwischen den positiven Pol 22 und die Batteriezellen 2 geschaltet. Das Batteriemodul 5 umfasst auch ein Managementsystem 30 zum Steuern und Überwachen der Batteriezellen 2. Das Managementsystem 30 dient ferner zur Steuerung der Schaltvorrichtung 50 sowie zur Erfassung von Messwerten des Batteriemoduls 5, insbesondere aus der Schaltvorrichtung 50.The battery module 5 comprises a switching device 50 . The switching device 50 is electrical with the positive pole 22nd and with the battery cells 2 connected. The switching device 50 is therefore electrically in series between the positive pole 22nd and the battery cells 2 switched. The battery module 5 also includes a management system 30th for controlling and monitoring the battery cells 2 . The management system 30th also serves to control the switching device 50 as well as for the acquisition of measured values of the battery module 5 , in particular from the switching device 50 .

Die Schaltvorrichtung 50 des Batteriemoduls 5 umfasst mehrere, vorliegend drei, der in 1 dargestellten Schalteinheiten 60. Die Schalteinheiten 60 sind dabei innerhalb der Schaltvorrichtung 50 elektrisch parallel geschaltet. Die Schalteinheiten 60 können jeweils in vier verschiedene Schaltzustände geschaltet werden, wie nachfolgend detailliert erläutert wird.The switching device 50 of the battery module 5 comprises several, in this case three, of the in 1 switching units shown 60 . The switching units 60 are within the switching device 50 electrically connected in parallel. The switching units 60 can be switched to four different switching states, as explained in detail below.

Die Messleitungen 77, 78 der Schalteinheiten 60 sind jeweils mit einem separaten Eingang des Managementsystems 30 verbunden. Auch der positive Pol 22 des Batteriemoduls 5 ist mit einem separaten Eingang des Managementsystems 30 verbunden. Ferner ist ein Knotenpunkt zwischen der Schaltvorrichtung 50 und den Batteriezellen 2 mit einem separaten Eingang des Managementsystems 30 verbunden. Somit sind in dem Managementsystem 30 beispielsweise Messungen von Spannungen möglich, die an den einzelnen Halbleiterschaltern 61, 62 der Schalteinheiten 60 anliegen.The test leads 77 , 78 the switching units 60 are each with a separate input to the management system 30th connected. Also the positive pole 22nd of the battery module 5 is with a separate entrance to the management system 30th connected. There is also a node between the switching device 50 and the battery cells 2 with a separate entrance to the management system 30th connected. Thus in the management system 30th For example, measurements of voltages possible on the individual semiconductor switches 61 , 62 the switching units 60 issue.

Die Steuerleitungen 75, 76 zum Ansteuern der Schaltstrecken 71, 72 der einzelnen Halbleiterschalter 61, 62 der Schalteinheiten 60 sind jeweils mit einem separaten Ausgang des Managementsystems 30 verbunden. Die Schaltstrecken 71, 72 der Halbleiterschalter 61, 62 sind dabei grundsätzlich unabhängig voneinander ansteuerbar. Das Managementsystem 30 ist vorliegend derart konfiguriert, dass jeweils alle ersten Schaltstrecken 71 der einzelnen Schalteinheiten 60 gleichzeitig angesteuert werden, und dass jeweils alle zweiten Schaltstrecken 72 der einzelnen Schalteinheiten 60 gleichzeitig angesteuert werden. Die ersten Schaltstrecken 71 der Schalteinheiten 60 können jedoch unabhängig von den zweiten Schaltstrecken 72 der Schalteinheiten 60 angesteuert werden.The control lines 75 , 76 for controlling the switching sections 71 , 72 of the individual semiconductor switches 61 , 62 the switching units 60 are each with a separate output of the management system 30th connected. The switching paths 71 , 72 the semiconductor switch 61 , 62 are basically controllable independently of one another. The management system 30th is configured here in such a way that each of the first switching paths 71 of the individual switching units 60 are controlled at the same time, and that every second switching path 72 of the individual switching units 60 can be controlled at the same time. The first switching sections 71 the switching units 60 can, however, independently of the second switching paths 72 the switching units 60 can be controlled.

In einem ersten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 sperren die Schaltstrecken 71, 72 der Halbleiterschalter 61, 62. Dadurch ist kein Stromfluss durch die Schaltstrecken 71, 72 sowie durch die Inversdioden 73, 74 möglich. In dem ersten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 ist damit ein Stromfluss durch die Schalteinheiten 60 zum Aufladen sowie zum Entladen der Batteriezellen 2 verhindert.In a first switching state of the switching units 60 block the switching paths 71 , 72 the semiconductor switch 61 , 62 . This means that there is no current flow through the switching paths 71 , 72 as well as by the inverse diodes 73 , 74 possible. In the first switching state of the switching units 60 is thus a current flow through the switching units 60 for charging and discharging the battery cells 2 prevented.

In einem zweiten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 sind die Schaltstrecken 71, 72 der Halbleiterschalter 61, 62 leitend. Dadurch ist ein Stromfluss durch die Schaltstrecken 71, 72 möglich. In dem zweiten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 ist damit ein Stromfluss durch die Schalteinheiten 60 zum Aufladen sowie zum Entladen der Batteriezellen 2 ermöglicht.In a second switching state of the switching units 60 are the switching paths 71 , 72 the semiconductor switch 61 , 62 conductive. As a result, there is a current flow through the switching paths 71 , 72 possible. In the second switching state of the switching units 60 is thus a current flow through the switching units 60 for charging and discharging the battery cells 2 enables.

In einem dritten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 sperren die ersten Schaltstrecken 71 der ersten Halbleiterschalter 61, und die zweiten Schaltstrecken 72 der zweiten Halbleiterschalter 62 sind leitend. Dadurch ist ein Stromfluss durch die die ersten Inversdioden 73 und die zweiten Schaltstrecken 72 möglich. In dem dritten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 ist damit ein Stromfluss durch die Schalteinheiten 60 zum Aufladen der Batteriezellen 2 verhindert, während ein Stromfluss durch die Schalteinheit 60 zum Entladen der Batteriezellen 2 ermöglicht ist.In a third switching state of the switching units 60 block the first switching paths 71 the first semiconductor switch 61 , and the second switching paths 72 the second semiconductor switch 62 are conductive. As a result, there is a current flow through the first inverse diodes 73 and the second switching paths 72 possible. In the third switching state of the switching units 60 is thus a current flow through the switching units 60 for charging the battery cells 2 prevents current flow through the switching unit 60 to discharge the battery cells 2 is made possible.

In einem vierten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 sind die ersten Schaltstrecken 71 der ersten Halbleiterschalter 61 leitend, und die zweiten Schaltstrecken 72 der zweiten Halbleiterschalter 62 sperren. Dadurch ist ein Stromfluss durch die die zweiten Inversdioden 74 und die ersten Schaltstrecken 71 möglich. In dem vierten Schaltzustand der Schalteinheiten 60 ist damit ein Stromfluss durch die Schalteinheiten 60 zum Entladen der Batteriezellen 2 verhindert, während ein Stromfluss durch die Schalteinheit 60 zum Aufladen der Batteriezellen 2 ermöglicht ist.In a fourth switching state of the switching units 60 are the first switching paths 71 the first semiconductor switch 61 conductive, and the second switching paths 72 the second semiconductor switch 62 lock. As a result, there is a current flow through the second inverse diodes 74 and the first switching paths 71 possible. In the fourth switching state of the switching units 60 is thus a current flow through the switching units 60 to discharge the battery cells 2 prevents current flow through the switching unit 60 for charging the battery cells 2 is made possible.

Die Schaltvorrichtung 50 umfasst ferner eine Diodeneinheit 90, welche elektrisch parallel zu den Schalteinheiten 60 geschaltet ist. Die Diodeneinheit 90 umfasst eine erste Klemmdiode 91 und eine zweite Klemmdiode 92. Die beiden Klemmdioden 91, 92 sind dabei elektrisch antiseriell geschaltet. Im regulären Betrieb des Batteriemoduls 5 mit einer Nominalspannung von 12 V ist somit ein Stromfluss durch die Diodeneinheit 90 hindurch nicht möglich. Ein Klemmpunkt der Diodeneinheit 90, welcher sich zwischen der ersten Klemmdiode 91 und der zweiten Klemmdiode 92 befindet, ist mit einem Eingang des Managementsystems 30 verbunden.The switching device 50 further comprises a diode unit 90 , which are electrically parallel to the switching units 60 is switched. The diode unit 90 comprises a first clamp diode 91 and a second clamp diode 92 . The two clamping diodes 91 , 92 are electrically connected in antiseries. During regular operation of the battery module 5 with a nominal voltage of 12 V there is thus a current flow through the diode unit 90 not possible through it. A terminal point of the diode unit 90 , which is located between the first clamping diode 91 and the second clamp diode 92 is located is with an input of the management system 30th connected.

In Fall einer Überspannung zwischen dem positiven Pol 22 und den Batteriezellen 2 wird eine der beiden Klemmdioden 91, 92 leitend, wodurch ein Stromfluss durch die Diodeneinheit 90 hindurch ermöglicht ist. Die beiden Klemmdioden 91, 92 weisen beispielsweise jeweils eine Durchbruchspannung von 27 V auf. Eine Überspannung von mehr als 27 V kann beispielsweise durch Induktivitäten verursacht werden, die in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs vorhanden sind.In case of overvoltage between the positive pole 22nd and the battery cells 2 becomes one of the two clamping diodes 91 , 92 conductive, causing current to flow through the diode unit 90 is made possible through. The two clamping diodes 91 , 92 each have a breakdown voltage of 27 V, for example. An overvoltage of more than 27 V can be caused, for example, by inductances that are present in the vehicle electrical system.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schalteinheit 60 gemäß einer ersten Variante. Die Schalteinheit 60 gemäß der ersten Variante weist nur einen ersten Halbleiterschalter 61 auf. Der erste Halbleiterschalter 61 ist als MOSFET ausgeführt und weist eine ansteuerbare erste Schaltstrecke 71 sowie eine erste Inversdiode 73 auf. Die erste Inversdiode 73 ist elektrisch parallel zu der ansteuerbaren ersten Schaltstrecke 71 geschaltet. 3 shows a schematic representation of a switching unit 60 according to a first variant. The switching unit 60 according to the first variant has only a first semiconductor switch 61 on. The first semiconductor switch 61 is designed as a MOSFET and has a controllable first switching path 71 and a first inverse diode 73 on. The first inverse diode 73 is electrically parallel to the controllable first switching path 71 switched.

Die Schalteinheit 60 weist eine erste Steuerleitung 75 auf, welche zum Ansteuern der ersten Schaltstrecke 71 vorgesehen ist. Die erste Steuerleitung 75 ist mit einem hier nicht dargestellten GATE-Anschluss des als MOSFET ausgeführten ersten Halbleiterschalters 61 verbunden. Die Schalteinheit 60 weist auch eine erste Messleitung 77 auf, welche zum Messen einer an dem ersten Halbleiterschalter 61 anliegenden Spannung vorgesehen ist.The switching unit 60 has a first control line 75 on which to control the first switching path 71 is provided. The first control line 75 is with a GATE connection, not shown here, of the first semiconductor switch, which is designed as a MOSFET 61 connected. The switching unit 60 also has a first test lead 77 on which for measuring a on the first semiconductor switch 61 applied voltage is provided.

Die erste Inversdiode 73 ist für einen Stromfluss zum Entladen der Batteriezellen 2 durchlässig und sperrt einen Stromfluss zum Aufladen der Batteriezellen 2. Eine solche Schalteinheit 60 gemäß der ersten Variante ist in Batteriemodulen 5 einsetzbar, die während der Nutzung nicht geladen werden, beispielsweise in E-Bikes.The first inverse diode 73 is for a current flow to discharge the battery cells 2 permeable and blocks a current flow for charging the battery cells 2 . Such a switching unit 60 according to the first variant is in battery modules 5 can be used that are not charged during use, for example in e-bikes.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Schalteinheit 60 gemäß einer zweiten Variante. Die Schalteinheit 60 gemäß der zweiten Variante weist nur einen ersten Halbleiterschalter 61 auf. Der erste Halbleiterschalter 61 ist als IGBT ausgeführt und weist eine ansteuerbare erste Schaltstrecke 71, jedoch keine intrinsische Diode, auf. 4th shows a schematic representation of a switching unit 60 according to a second variant. The switching unit 60 according to the second variant has only a first semiconductor switch 61 on. The first semiconductor switch 61 is designed as an IGBT and has a controllable first switching path 71 , but not an intrinsic diode.

Die Schalteinheit 60 gemäß der zweiten Variante weist eine erste Steuerleitung 75 auf, welche zum Ansteuern der ersten Schaltstrecke 71 vorgesehen ist. Die Schalteinheit 60 weist auch eine erste Messleitung 77 auf, welche zum Messen einer an dem ersten Halbleiterschalter 61 anliegenden Spannung vorgesehen ist. Die Schalteinheit 60 gemäß der zweiten Variante umfasst auch eine Schaltung zur Stromrichtungserkennung 75a, welche an die erste Steuerleitung 75 angeschlossen ist.The switching unit 60 according to the second variant has a first control line 75 on which to control the first switching path 71 is provided. The switching unit 60 also has a first test lead 77 on which for measuring a on the first semiconductor switch 61 applied voltage is provided. The switching unit 60 according to the second variant also comprises a circuit for current direction detection 75a which are connected to the first control line 75 connected.

Der als IGBT ausgeführte erste Halbleiterschalter 61 sperrt im geöffneten Zustand Strom in beide Richtungen. Der als IGBT ausgeführte erste Halbleiterschalter 61 leitet im geöffneten Zustand Strom in beide Richtungen. Mittels der Schaltung zur Stromrichtungserkennung 75a wird der erste Halbleiterschalter 61 je nach benötigter Stromrichtung angesteuert.The first semiconductor switch designed as an IGBT 61 blocks current in both directions when open. The first semiconductor switch designed as an IGBT 61 conducts electricity in both directions when open. By means of the circuit for current direction detection 75a becomes the first semiconductor switch 61 controlled depending on the required current direction.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2018/0034461 A1 [0005]
DE 102016114002 A1 [0005]

Claims

A battery module (5) for a motor vehicle, comprising at least one battery cell (2), a negative pole (21), a positive pole (22), and a switching device (50) which is connected electrically in series with the at least one battery cell (2) , characterized in that the switching device (50) has at least one switching unit (60) which comprises at least one semiconductor switch (61, 62) with a switching path (71, 72), the at least one switching path (71, 72) of the at least one Semiconductor switch (61, 62) is controllable.

Battery module (5) Claim 1 , characterized in that the switching unit (60) comprises two electrically series-connected semiconductor switches (61, 62) each with a switching path (71, 72), the switching paths (71, 72) of the semiconductor switches (61, 62) being controllable independently of one another .

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) has at least one diode unit (90) which is connected electrically in parallel to the at least one switching unit (60).

Battery module (5) Claim 3 , characterized in that the at least one diode unit (90) comprises two clamping diodes (91, 92) which are electrically connected in anti-series.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) has a plurality of switching units (60) which are electrically connected in parallel.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one switching unit (60) is designed and controllable in such a way that in a first switching state a current flow through the at least one switching unit (60) for charging and discharging the at least one Battery cell (2) is prevented, and that, in a second switching state, a current flow through the at least one switching unit (60) for charging and discharging the at least one battery cell (2) is enabled.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one switching unit (60) is designed and controllable in such a way that, in a third switching state, a current flow through the at least one switching unit (60) for charging the at least one battery cell (2 ) is prevented, while a current flow through the at least one switching unit (60) for discharging the at least one battery cell (2) is enabled.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one switching unit (60) is designed and controllable in such a way that, in a fourth switching state, a current flow through the at least one switching unit (60) for charging the at least one battery cell (2 ) is made possible, while a current flow through the at least one switching unit (60) for discharging the at least one battery cell (2) is prevented.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (61, 62) of the at least one switching unit (60) are designed as MOSFETs, each of which has an inverse diode (73, 72) connected in parallel to the switching path (71, 72). 74), the inverse diodes (73, 74) of the semiconductor switches (61, 62) being electrically connected in anti-series.

Battery module (5) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one semiconductor switch (61, 62) of the at least one switching unit (60) is designed as an IGBT, and that the switching unit (60) comprises a circuit for current direction detection (75a) , by means of which the at least one semiconductor switch (61, 62) can be controlled.

Method for operating a battery module (5) according to one of the preceding claims in a motor vehicle, characterized in that at least one of the switching paths (71, 72) of the semiconductor switches (61, 62) of the at least one switching unit (60) is controlled in such a way that the Switching path (71, 72) is opened and closed several times in a predetermined period of time.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the specified time span is between 10ms and 10s.

Method according to one of the Claims 11 to 12th , characterized in that the switching path (71, 72) is opened and closed at least ten times in the period of time.

Method according to one of the Claims 11 to 13th , characterized in that for transferring the at least one switching unit (60) from a second switching state, in which a current flow through the at least one switching unit (60) for charging and discharging the at least one battery cell (2) is enabled, to a first switching state, in which a current flow is enabled by which at least one switching unit (60) for charging and discharging the at least one battery cell (2) is prevented, the following steps are carried out: a) Controlling exactly one switching path (71, 72) during the time span such that the one switching path (71 , 72) is opened several times and closed several times, while the other switching path (71, 72) remains closed; b) controlling the other switching path (71, 72) after the time span has elapsed in such a way that the other switching path (71, 72) is opened and remains open.

Procedure according to Claim 14 , characterized in that after the time span has elapsed, the one switching path (71, 72) is activated in such a way that the one switching path (71, 72) is opened and remains open.