DE102021124232A1 - Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsvorrichtung und elektrische Schaltungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsvorrichtung und elektrische Schaltungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsvorrichtung, mit dem Verfahrensschritt Öffnen eines ersten Schalters (S1) und Schließen eines zweiten Schalters (S2, S2'), um bei einem Ladestrom oder bei einem Entladestrom eines elektrischen Sekundärspeicher durch Stromfluss in Durchlassrichtung einer ersten Diode (D1) Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen, und/oder mit dem Verfahrensschritt Schließen des ersten Schalters (S1) und Öffnen des zweiten Schalters (S2, S2'), um bei Stromfluss des jeweils anderen Stroms in Durchlassrichtung einer zweiten Diode (D2, D2') Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben dieser elektrischen Schaltungsvorrichtung, wobei die elektrische Schaltungsvorrichtung umfasst: Einen elektrischen Sekundärspeicher, eine erste elektrische Leitung zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer ersten Polarität des elektrischen Sekundärspeichers, eine zweite elektrische Leitung zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Polarität des elektrischen Sekundärspeichers, einen ersten Halbleiterbaustein, aufweisend einen ersten Schalter und eine zum ersten Schalter parallel geschaltete erste Diode, und einen zweiten Halbleiterbaustein, aufweisend einen zweiten Schalter und eine zum zweiten Schalter parallel geschaltete zweite Diode. Dabei sind sowohl der erste Halbleiterbaustein als auch der zweite Halbleiterbaustein in die erste elektrische Leitung oder in die zweite elektrische Leitung integriert oder es ist der erste Halbleiterbaustein in die erste elektrische Leitung oder in die zweite elektrische Leitung und der zweite Halbleiterbaustein in die jeweils andere elektrische Leitung integriert, so dass bei geöffnetem ersten Schalter und geöffnetem zweiten Schalter bei einem Ladestrom des elektrischen Sekundärspeichers entweder die erste Diode oder die zweite Diode den Ladestrom sperrt und die andere der beiden Dioden bei einem Entladestrom des elektrischen Sekundärspeichers den Entladestrom sperrt.
  • Aus dem Stand der Technik verwirklicht zum Beispiel eine Back-to-Back-Schaltung von zwei Halbleiterbausteinen als Trennelement für einen Akkumulator eine solche Schaltungsvorrichtung. Eine solche Schaltungsvorrichtung hat die Eigenschaft, dass - wie bei einem Relais-Trennschalter - eine Sperrung von Ladestromrichtung und Entladestromrichtung erfolgen kann, aber - im Gegensatz zu einem Relais-Trennschalter - auch die Ladestromrichtung des Sekundärspeichers gesperrt werden kann, ohne die Entladestromrichtung zu sperren und umgekehrt. Unter Sekundärspeicher wird ein Akkumulator verstanden, d.h. ein Speicher, der entladen und geladen werden kann. Die Halbleiterbausteine ermöglichen zudem kürzere Schaltzeiten als ein Relais-Trennschalter und können bei höheren Strömen geschaltet werden als ein Relais-Trennschalter. Im Regelbetrieb nach dem Stand der Technik sind beide Schalter geschlossen, sodass beiden Stromrichtungen (Laden und Entladen) ungesperrt sind. Soll eine dieser Stromrichtungen gesperrt werden, was nach dem Stand der Technik nicht den Regelbetrieb, sondern ein Schutzszenario darstellt, wird der Schalter geöffnet, dessen parallel geschaltete Diode die gewünschte Stromrichtung sperrt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Schaltungsvorrichtung und sowie eine Verbesserung der elektrischen Schaltungsvorrichtung bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine elektrische Schaltungsvorrichtung gemäß Anspruch 3. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen, um bei einem Ladestrom oder bei einem Entladestrom durch Stromfluss in Durchlassrichtung der ersten Diode Joule'sche Wärme zu erzeugen und es wird alternativ oder zusätzlich der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet, um bei Stromfluss des jeweils anderen Stroms in Durchlassrichtung der zweiten Diode Joule'sche Wärme zu erzeugen.
  • Dieses Verfahren kann im Rahmen eines Regelbetriebs der elektrischen Schaltungsvorrichtung eingesetzt werden, um gezielt Joule'sche Wärme durch die Dioden oder eine der Dioden zu erzeugen. Die Wärme kann genutzt werden, um beispielsweise den elektrischen Sekundärspeiche zu wärmen. Dies ist z.B. bei bestimmten Typen von Lithium-Ionen-Speichern, die als elektrische Sekundärspeicher eingesetzt werden, bei niedrigen Temperaturen von Vorteil, um die Temperatur des Speichers und damit dessen Reaktivität zu erhöhen. Das Verfahren zielt als darauf ab, die Schalter der Halbleiterbausteine so zu schalten, dass es zu einer „Eigenerwärmung“ des Speichers durch seinen Lade- und/oder Entladestrom kommt, in dem diese Ströme gezielt in Durchlassrichtung durch die Joule'sche Wärme erzeugende Dioden gelenkt werden.
  • Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens werden die beiden Verfahrensschritte in einem vorgebbaren Zeitabschnitt wiederholt, um sowohl bei einem Ladestrom des elektrischen Sekundärspeichers als auch bei einem Entladestrom des elektrischen Sekundärspeichers in dem vorgebbaren Zeitabschnitt stets Joule'sche Wärme zu erzeugen.
  • Auf diese Weise wird die Wärmeerzeugung durch die Dioden in dem vorgebbaren Zeitabschnitt optimiert, indem bei einem Wechsel z.B. von Laden zu Entladen des Speichers der Entladestrom zwar nicht gesperrt wird, jedoch zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Bei einem Wechsel zurück zum Laden gilt dies fort, sofern die Schalter wechselseitig geschlossen bzw. geöffnet werden.
  • Die erfindungsgemäße elektrischen Schaltungsvorrichtung kann nach einem der vorgenannten Verfahren in einem Regelbetrieb betrieben werden, wobei die elektrische Schaltungsvorrichtung zwischen der ersten Diode und dem elektrischen Energiespeicher und/oder zwischen der zweiten Diode und dem elektrischen Energiespeicher ein Wärmeübertragungsmedium umfasst, um die Joule'sche Wärme von der ersten Diode und/oder zweiten Diode unter Minimierung von Wärmeverlusten auf den elektrischen Energiespeicher zu übertragen.
  • Die Vorrichtung umfasst also einen Gegenstand, der einen günstigeren Wärmeübertrag als bei ohne Vorsehung dieses Gegenstands ermöglicht.
  • Dies kann zum Beispiel eine Wärmeleitpaste, ein Wärmeleitblech oder eine Kombination aus beidem sein, wobei jedes dieser Medium Wärme besser als z.B. Luft überträgt.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform sind der erste Halbleiterbaustein und der zweite Halbleiterbaustein beide jeweils als MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) oder IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder als SiC-Transistor (SiliziumCarbid-Transistor) ausgeführt.
  • Insbesondere kann die elektrische Schaltungsvorrichtung in eine Bordnetz eines Fahrzeugs integriert sein und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
  • Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
    • Batterien, die aus Zellen der Lithium-lonen-Technologie aufgebaut sind (Li-Batterie), haben bei kalten Temperaturen eine geringere Leistungsfähigkeit. Dies liegt an der bei niedrigen Temperaturen verminderten Reaktivität der an den chemischen Reaktionen beteiligten chemischen Verbindungen.
  • Diese Minderleistung könnte bei Fahrzeugen, in deren Bordnetz eine Li-Batterie integriert ist, zu funktionalen Einschränkungen des Fahrzeugs führen. Daher ist es erstrebenswert die Li-Batterie so schnell wie möglich in leistungsfähigere Temperaturbereiche zu bringen. Dazu werden im Stand der Technik beispielsweise Heizelemente in der Li-Batterie verbaut oder die Li-Batterie wird über externe Wärmequellen konditioniert, wobei beispielsweise auf die Schrift DE102011104000A1 verwiesen werden kann.
  • Für den Betrieb einer Li-Batterie, deren Ströme (Ladestrom und Entladestrom) jeweils mit einem Halbleiterbaustein (in einem Schutzbetrieb) gesperrt werden können, wie es etwa in der Norm UN38.3 vorgegeben ist, wird hier eine vorteilhafte Alternative vorgeschlagen.
  • Beim Betrieb einer Li-Batterie mit einem Halbleitertrennelement bestehend aus zwei schaltbaren Halbleiterbausteinen (beispielsweise in einer Back-to-Back-Ausführung) kann jeweils nur ein Schalter angesteuert werden. Dadurch wir der Strom über die sogenannte Body-Diode des nicht angesteuerten Halbleiters geführt und diese erwärmt. Diese Verlustleistung, die als Wärme in der Diode entsteht, kann zum Aufwärmen der Li-Batterie genutzt werden, ohne dass separate Heizelemente vorgesehen werden. Mit der Integration von Wärmeübertragungsmedien kann der Effekt der Batterieerwärmung noch optimiert werden.
  • Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
    • 1 einen beispielhaften schematischen Ausschnitt einer elektrischen Schaltung in einem elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs,
    • 2 einen alternativen beispielhaften schematischen Ausschnitt einer elektrischen Schaltung in einem elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs,
    • 3 Schalterstellung, um beim Laden Wärme zu erzeugen und
    • 4 Schalterstellung, um beim Entladen Wärme
  • Es zeigt 1 eine elektrischen Sekundärspeicher in Lithium-Ionen-Technologie B, dessen Polaritäten Plus + und Minus - über die Leitungen L+ und L- kontaktiert sind, wobei sich in der Leitung L+ eine Schaltung von zwei Halbleiterbausteinen H1 und H2 in Serie befindet. Beide Bausteine bestehen aus einem Schalter S1, S2, wobei dem Schalter jeweils eine Diode D1, D2 parallel geschaltet ist. Die Dioden intrinsische Diode der Halbleiterbausteine und werden auch als Body-Dioden bezeichnet. Die Dioden D1 und D2 sind entgegengesetzt verschaltet.
  • 2 unterscheidet sich nur insoweit, als der zweite Halbleiterbaustein H2' mit dem Schalter S2' und der dazu parallelen Diode D2' in dem Leitungspfad L- integriert ist.
  • Für die Schaltungskonfigurationen nach den Figen. 1 und 2 kommen auch abgewandelte Ausführungsformen in Betracht, wobei jede der Dioden D1 und D2, D2` in jeweils umgekehrter Richtung bzw. Polung integriert ist (nicht gezeigt). Auch können den Halbleiterbausteinen H1 und H2, H2' jeweils den Halbleiterbausteinen H1 und H2, H2' gleichartige weitere Halbleiterbausteine parallel geschaltet sein, so dass jeweils eine Gruppe von Halbleiterbausteinen H1gruppiert und H2gruppiert, H2'gruppiert gebildet wird (nicht gezeigt). Dann werden alle Schalter der die Gruppe bildenden Halbleiterbausteine simultan geschaltet, was für einen Regelbetrieb nach dem Stand der Technik, für einen Schutzbetrieb nach dem Stand der Technik und für den erfindungsgemäßen Regelbetrieb gilt.
  • In einem Regelbetrieb nach dem Stand der Technik von Schaltungskonfigurationen gemäß Figen. 1 oder 2 sowie der beschriebenen möglichen Abwandlungen werden der Schalter S1 und der Schalter S2, S2` geschlossen, um Speicher B laden und entladen zu können. In einem Schutzbetrieb wird der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2, S2' geöffnet, um ein Laden des Speichers B zu ermöglichen, aber einen Entladestrom über die Diode D2, D2' zu sperren, d.h. ein angeschlossener Verbraucher wird nicht mit elektrischer Leistung durch den Speicher B versorgt. Es kann auch der Schalter S1 geöffnet und der Schalter S2, S2' geschlossen werden, um ein Entladen des Speichers B zu ermöglichen, aber einen Ladestrom über die Diode D1 zu sperren, d.h. bei anliegender Ladespannung wird der Speicher B nicht geladen.
  • Gemäß 3 wird in einem Regelbetrieb gemäß Erfindung beim Laden des Speichers B (Ladestrom in Pfeilrichtung) der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2, S2' geöffnet, nicht um einen Entladestrom zu sperren, sondern um über das Laden durch Stromfluss über die Diode D2 Wärme W zu erzeugen. Weil der Entladestrom gerade nicht gesperrt werden soll, wird bei einer Entladung der Schalter S2, S2' geschlossen und der Schalter S1 geöffnet, um die Entladung zu ermöglichen und über die Entladung durch Stromfluss über die Diode D1 Wärme W zu erzeugen (siehe 4, Entladestrom in Pfeilrichtung). Somit wird im Regelbetrieb keiner der beiden Stromflüsse gesperrt, sondern bei jedem der beiden Stromflüsse Wärme erzeugt.
  • Für eine optimale Wärmeübertragung ist zwischen den Dioden D1 bzw. D2, D2' und dem Speicher B ein Wärmeübertragungsmedium wie z.B. ein Wärmeleitblech vorgesehen, das die punktuell entstehende Wärme W möglichst flächig auf den gesamten Speicher B verteilt (in den Figuren nicht explizit gezeigt ist, Wirkung durch die geschwungenen Pfeile in Figen. 3 und 4 illustriert).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011104000 A1 [0015]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltungsvorrichtung, wobei die elektrische Schaltungsvorrichtung umfasst: - einen elektrischen Sekundärspeicher (B), - eine erste elektrische Leitung (L+) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer ersten Polarität (+) des elektrischen Sekundärspeichers, - eine zweite elektrische Leitung (L-) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Polarität (-) des elektrischen Sekundärspeichers, - einen ersten Halbleiterbaustein (H1), aufweisend einen ersten Schalter (S1) und eine zum ersten Schalter (S1) parallel geschaltete erste Diode (D1), - einen zweiten Halbleiterbaustein (H2, H2'), aufweisend einen zweiten Schalter (S2, S2') und eine zum zweiten Schalter (S2, S2') parallel geschaltete zweite Diode (D2, D2'), - wobei sowohl der erste Halbleiterbaustein (H1) als auch der zweite Halbleiterbaustein (H2, H2') in die erste elektrische Leitung (L+) oder in die zweite elektrische Leitung (L-) integriert sind oder der erste Halbleiterbaustein (H1) in die erste elektrische Leitung (L+) oder in die zweite elektrische Leitung (L-) und der zweite Halbleiterbaustein (H2, H2') in die jeweils andere elektrische Leitung integriert ist, und wobei - bei geöffnetem ersten Schalter (S1) und geöffnetem zweiten Schalter (S2, S2') bei einem Ladestrom des elektrischen Sekundärspeichers entweder die erste Diode (D1) oder die zweite Diode (D2, D2') den Ladestrom sperrt und die andere der beiden Dioden bei einem Entladestrom des elektrischen Sekundärspeichers den Entladestrom sperrt, mit dem Verfahrensschritt - Öffnen des ersten Schalters (S1) und Schließen des zweiten Schalters (S2, S2'), um bei einem Ladestrom oder bei einem Entladestrom durch Stromfluss in Durchlassrichtung der ersten Diode (D1) Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen, und/oder mit dem Verfahrensschritt - Schließen des ersten Schalters (S1) und Öffnen des zweiten Schalters (S2, S2'), um bei Stromfluss des jeweils anderen Stroms in Durchlassrichtung der zweiten Diode (D2, D2') Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem Verfahrensschritt - Öffnen des ersten Schalters (S1) und Schließen des zweiten Schalters (S2, S2'), um bei einem Ladestrom oder bei einem Entladestrom durch Stromfluss in Durchlassrichtung der ersten Diode (D1) Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen, und mit dem Verfahrensschritt - Schließen des ersten Schalters (S1) und Öffnen des zweiten Schalters (S2, S2'), um bei Stromfluss des jeweils anderen Stroms in Durchlassrichtung der zweiten Diode (D2, D2') Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen, wobei - die beiden Verfahrensschritte in einem vorgebbaren Zeitabschnitt derart wiederholt werden, um sowohl bei einem Ladestrom des elektrischen Sekundärspeichers (B) als auch bei einem Entladestrom des elektrischen Sekundärspeichers (B) in dem vorgebbaren Zeitabschnitt stets Joule'sche Wärme (W) zu erzeugen.
  3. Elektrischen Schaltungsvorrichtung, wobei die elektrische Schaltungsvorrichtung umfasst: - einen elektrischen Sekundärspeicher (B), - eine erste elektrische Leitung (L+) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer ersten Polarität (+) des elektrischen Sekundärspeichers, - eine zweite elektrische Leitung (L-) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer zweiten Polarität (-) des elektrischen Sekundärspeichers, - einen ersten Halbleiterbaustein (H1), aufweisend einen ersten Schalter (S1) und eine zum ersten Schalter (S1) parallel geschaltete erste Diode (D1), - einen zweiten Halbleiterbaustein (H2, H2'), aufweisend einen zweiten Schalter (S2, S2') und eine zum zweiten Schalter (S2, S2') parallel geschaltete zweite Diode (D2, D2'), - wobei sowohl der erste Halbleiterbaustein (H1) als auch der zweite Halbleiterbaustein (H2, H2') in die erste elektrische Leitung (L+) oder in die zweite elektrische Leitung (L-) integriert sind oder der erste Halbleiterbaustein (H1) in die erste elektrische Leitung (L+) oder in die zweite elektrische Leitung (L-) und der zweite Halbleiterbaustein (H2, H2') in die jeweils andere elektrische Leitung integriert ist, und wobei - bei geöffnetem ersten Schalter (S1) und geöffnetem zweiten Schalter (S2, S2') bei einem Ladestrom des elektrischen Sekundärspeichers entweder die erste Diode (D1) oder die zweite Diode (D2, D2') den Ladestrom sperrt und die andere der beiden Dioden bei einem Entladestrom des elektrischen Sekundärspeichers den Entladestrom sperrt, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrische Schaltungsvorrichtung für einen Betrieb nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 geeignet ist und - die elektrische Schaltungsvorrichtung zwischen der ersten Diode (D1) und dem elektrischen Energiespeicher (B) und/oder zwischen der zweiten Diode (D2, D2') und dem elektrischen Energiespeicher (B) ein Wärmeübertragungsmedium umfasst, um Joule'sche Wärme (W) von der ersten Diode (D1) und/oder zweiten Diode (D2, D2') unter Minimierung von Wärmeverlusten auf den elektrischen Energiespeicher (B) zu übertragen.
  4. Elektrische Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - das Wärmeübertragungsmedium eine Wärmeleitpaste und/oder ein Wärmeleitblech umfasst.
  5. Elektrische Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Halbleiterbaustein (H1) und der zweiten Halbleiterbaustein (H2, H2') beide jeweils als MOSFET oder IGBT oder SiC-Transistor ausgeführt sind.
  6. Fahrzeugbordnetz umfassend eine elektrische Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5.
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