DE102022208265A1

DE102022208265A1 - Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher und eine derartige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102022208265A1
Application number: DE102022208265.6A
Authority: DE
Inventors: Mathis Wolf; Johannes Swoboda
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Verfahren (100) zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher, einem elektronischen Hochvoltschalter und einer DC-Schutzschaltung, die parallel zum elektronischen Hochvoltschalter geschaltet ist, wobei die DC-Schutzschaltung eine Reihenschaltung aus mindestens einem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und mindestens einem Varistor umfasst, mit den Schritten:• Schließen (110) des elektronischen Hochvoltschalters, wobei ein Strom zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und einer angeschlossenen Last fließt,• Überwachen (120) des Stroms mit Hilfe eines elektronischen Steuergeräts, wobei ein Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Strom erfasst wird,• Öffnen (130) des elektronischen Hochvoltschalters in Abhängigkeit des erfassten Überschreitens des Schwellenwerts, sodass der Strom über die DC-Schutzschaltung fließt,• Überschreiten (140) einer Sperrspannung des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des mindestens einen Varistors und eines Einraststroms des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig wird,• Umwandeln (150) einer durch das Öffnen des elektronischen Hochvoltschalters entstandenen Pulsenergie in Wärme mit Hilfe des Varistors, und• Unterschreiten (160) eines Haltestroms des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil blockiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher und eine Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher.
Abschaltvorgänge in Halbleitersystemen mit elektronischen Halbleiterschaltern gehen durch parasitäre Induktivitäten mit hohen Energiemengen einher, die die Halbleiterschalter irreparabel zerstören können.
Um die Zerstörung zu verhindern sind diverse Schutzschaltungen bekannt.
Bei kleineren Spannungen und Strömen kommen TVS-Dioden zur Anwendung. Für Hochvoltanwendungen werden die TVS-Dioden parallel und in Reihe geschaltet.
Nachteilig ist hierbei, dass der Platzbedarf hoch ist. Des Weiteren ist die Anwendung von TVS-Dioden teuer und für hohe Spannungsklassen nicht Automotive zertifiziert.
Beim Active Clamping werden MOSFETs im linearen Bereich betrieben, um die Wärme in den MOSFETs abführen zu können.
Nachteilig ist hierbei, dass die Anwendung von parallelgeschalteten MOSFETs durch Streuung der Bauteile sehr komplex ist.
Des Weiteren ist die Verwendung eines RC-Glieds bekannt, das parallel zum Halbleiterschalter angeordnet ist.
Nachteilig ist hierbei, dass große Kondensatoren und Leistungswiderstände notwendig sind, sodass der Platzbedarf hoch ist. Des Weiteren sind derartige Bauelemente teuer.
Die US 2002/0159212 A1 zeigt eine Spannungsschutzvorrichtung und ein Verfahren mit geschalteten Klemmenschaltungen.
Die DE 10 2010 001 924 A1 zeigt eine Überspannungsbegrenzungseinrichtung für Gleichspannungsnetze.
Die EP 3 300 252 A2 zeigt eine Stromunterbrechungsanordnung, ein Batteriesystem, einen Controller und ein Verfahren zum Trennen eines Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher der Batterie.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher, einem elektronischen Hochvoltschalter und einer DC-Schutzschaltung, die parallel zum elektronischen Hochvoltschalter geschaltet ist, wobei die DC-Schutzschaltung eine Reihenschaltung aus mindestens einem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und mindestens einem Varistor umfasst, umfasst das Schließen des elektronischen Hochvoltschalters, wobei ein Strom zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und einer angeschlossenen Last fließt, und das Überwachen des Stroms mit Hilfe eines elektronischen Steuergeräts, wobei ein Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Strom erfasst wird. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Öffnen des elektronischen Hochvoltschalters in Abhängigkeit des erfassten Überschreitens des Schwellenwerts, sodass der Strom über die DC-Schutzschaltung fließt, und das Überschreiten einer Sperrspannung des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des mindestens einen Varistors und eines Einraststroms des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig wird. Weiterhin umfasst das Verfahren das Umwandeln einer durch das Öffnen des elektronischen Hochvoltschalters entstandenen Pulsenergie in Wärme mit Hilfe des Varistors, und das Unterschreiten eines Haltestroms des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil blockiert.
Der Vorteil ist hierbei, dass Energiepulse, die beispielsweise durch das Abschalten eines Kurzschlusses entstehen, in Wärme umgewandelt werden ohne dass der elektronische Hochvoltschalter zerstört wird.
Von Vorteil ist es dabei, wenn der elektronische Hochvoltschalter beim Öffnen weich geöffnet wird und/oder eine Steuerspannung für den elektronischen Hochvoltschalter innerhalb einer Zeitspanne von mehr als einer Mikrosekunde auf 0 V reduziert wird. Dadurch können durch parasitäre Induktivitäten entstehende Spannungsspitzen in elektrischen Bauteilen der Vorrichtung reduziert werden. Vorteilhafterweise kann somit insbesondere eine Beschädigung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils verhindert werden.
Vorteilhafterweise kann eine beim Schalten des elektronischen Hochvoltschalters durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten entstehende Oszillation der Spannung zum Löschen des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils verwendet werden.
Die Vorrichtung zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst einen elektronischen Hochvoltschalter und eine DC-Schutzschaltung, wobei der elektrochemische Energiespeicher über den elektronischen Hochvoltschalter mit einer Last verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die DC-Schutzschaltung parallel zum elektronischen Hochvoltschalter angeordnet, wobei die DC-Schutzschaltung mindestens ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und mindestens einen Varistor aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Ein Thyristor-Überspannungsbauteil auch bekannt als TSPD ist ein Thyristor ohne Gate bzw. Gateansteuerung.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Der Vorteil ist hierbei, dass energiereiche Pulse, die beispielsweise beim Abschalten eines Kurzschlusses entstehen, in Wärme umgewandelt werden, wobei der Leckstrom bedingt durch das sperrende Thyristor-Überspannungsschutzbauteil gering ist. Mit anderen Worten im Kurzschlussfall wird der elektronische Hochvoltschalter beim Abschalten desselben nicht zerstört.
In einer Weiterbildung weist der Varistor eine Schwellenspannung auf, die kleiner ist als eine maximale Spannung des elektrochemischen Energiespeichers. Mit anderen Worten die Schwellenspannung des Varistors ist kleiner als die Versorgungsspannung des elektrochemischen Energiespeichers.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Klemmspannung der Schutzschaltung gering ist. Unter dem Begriff Klemmspannung wird die Spannung verstanden, ab der der Varistor den für ihn maximal zulässigen bzw. definierten Strom führt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Strom durch den Varistor bei maximaler Spannung des elektrochemischen Energiespeichers kleiner als ein Haltestrom des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils.
Der Vorteil ist hierbei, dass der Varistor unterdimensioniert ist. Das bedeutet, dass die in der DC-Schutzschaltung verwendeten Varistoren für die Spannung des elektrochemischen Energiespeichers zu klein klassifiziert sind, wodurch sich die maximale Klemmspannung reduziert.
Vorteilhafterweise weist das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil eine Sperrspannung auf, die kleiner ist als eine maximale Spannung des elektrochemischen Energiespeichers. Dadurch ist eine Auslösezeit der Schutzschaltung reduzierbar. Weiterhin sind Spannungsspitzen beim Auslösen der Schutzschaltung reduzierbar beziehungsweise die Schutzschaltung löst bereits bei kleineren Spannungen aus.
Unter dem Begriff Sperrspannung wird die Spannung verstanden, ab der das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil auslöst beziehungsweise geschlossen wird.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Summe aus der Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und der Schwellenspannung des Varistors kleiner oder gleich einer maximalen Spannung des elektrischen Energiespeichers ist. Somit muss das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil nicht aktiv gezündet werden. Vorteilhafterweise ist das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil passiv auslösbar.
Vorteilhafterweise ist die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils kleiner als die Schwellenspannung des Varistors.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist parallel geschaltet zu der DC-Schutzschaltung eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist parallel geschaltet zu dem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist parallel geschaltet zu dem Varistor eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität angeordnet.
Mittels der Parallelschaltung der Kapazität oder der Reihenschaltung aus Widerstand und Kapazität können Spannungsspitzen in der Vorrichtung reduziert werden. Die Kapazität oder die Reihenschaltung fungiert also als Dämpfungsglied. Vorteilhafterweise wird dabei auch ein Stromgradient in der Vorrichtung begrenzt, so dass eine Beschädigung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils verhindert werden kann.
In einer Weiterbildung ist der elektronische Hochvoltschalter ein Halbleiterschalter.
Der Vorteil ist hierbei, dass keine zusätzlichen Sicherungen, wie z. B. Pyrofuse, notwendig sind und sowohl der Platzbedarf als auch das Gewicht gering sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Varistor ein Metalloxidvaristor.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Anordnung kostengünstig und platzsparend ist.
In einer Weiterbildung ist der elektrochemische Energiespeicher ein elektrochemischer Hochvoltspeicher.
Der Vorteil ist hierbei, dass Hochvoltanwendungen sicher betrieben werden können.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst elektrochemische Energiespeicher für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie, sowie in Ladesäulen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers und
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers.

1 zeigt ein Verfahren 100 zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher, einem elektronischen Hochvoltschalter und einer DC-Schutzschaltung, die parallel zum elektronischen Hochvoltschalter geschaltet ist, wobei die DC-Schutzschaltung eine Reihenschaltung aus einem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und einem Varistor umfasst. Das Verfahren 100 startet mit einem Schritt 110, in dem der elektronische Hochvoltschalter geschlossen wird, sodass ein Strom zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und einer angeschlossenen Last fließt. In einem folgenden Schritt 120 wird der Strom mit Hilfe eines elektronischen Steuergeräts überwacht, wobei ein Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Strom erfasst wird. Wird in Schritt 120 ein Überschreiten erfasst, so wird in einem folgenden Schritt 130 der elektronische Hochvoltschalter geöffnet, sodass der Strom über die DC-Schutzschaltung fließt. In einem folgenden Schritt 140 wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig, sobald eine Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des Varistors, sowie der Einraststrom des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils überschritten wird. Dadurch liegt ein Teil der maximalen Spannung des elektrochemischen Energiespeichers, nämlich die Betriebsspannung bzw. die Klemmspannung am Thyristor-Überspannungsschutzbauteil an, wobei der Varistor unterhalb seines Limits betrieben wird. Mit anderen Worten aufgrund der erhöhten Spannung wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig, sodass der Strom über den Varistor fließen kann, d. h. beide Bauelemente leiten den Strom. Die Summe der Sperrspannungen von Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und Varistor ist in diesem Fall größer als die maximale Spannung bzw. die höchste Betriebsspannung des elektrochemischen Energiespeichers. Um die Sperrspannungen zu erhöhen können mehrere Varistoren und/oder Thyristor-Überspannungsschutzbauteile in Reihe geschaltet werden. In einem folgenden Schritt 150 wird die durch das Öffnen des elektronischen Hochvoltschalters entstandene Pulsenergie, die sich aus einer parasitären Systeminduktivität und dem Strom ergibt, mit Hilfe des Varistors in Wärme umgewandelt. Dabei reduziert sich die am Thyristor-Überspannungsschutzbauteil anliegende Spannung auf einen ein- bis zweistelligen Spannungswert, wobei ein größer werdender Spannungswert am Varistor anliegt. Dies führt zu einem höheren Stromfluss und zur Wärmeumwandlung. Dabei sinkt die Klemmspannung so lange bis der Stromfluss durch den Varistor einen Wert aufweist, der geringer ist als der Haltestrom des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils. Wird in einem folgenden Schritt 160 der Haltestrom unterschritten, so wird der Thyristor hochohmig und blockiert. In einem folgenden Schritt wird das Verfahren 100 beendet oder startet erneut. Mit anderen Worten die energiereichen Pulse, insbesondere im zwei- bis dreistelligen Joulebereich, werden durch die Schutzschaltung bei minimaler minimierter Klemmspannung in Wärme umgewandelt und zerstören den Hochvoltschalter nicht. Der Leckstrom durch das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und den Varistor beträgt wenige µA, insbesondere weniger als 10 µA.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Spannung bzw. Versorgungsspannung des elektrochemischen Energiespeichers 800 V. Eine parasitäre Induktivität, insbesondere eine Batterieinduktivität, beträgt 50 µH. Der Schwellenwert beträgt beispielsweise 1000 A. Dieser wird aus dem maximal zulässigen Batteriestrom und Sicherheitstoleranzen für den Kurzschlussfall ermittelt. Überschreitet der Strom bzw. Kurzschlussstrom den Schwellenwert, so fließt der Strom bzw. Schutzstrom über das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und den Varistor. Der Strom durch den elektrochemischen Energiespeicher wird durch die parasitäre Induktivität aufrechterhalten. Abhängig von der Abschaltgeschwindigkeit des elektronischen Hochvoltschalters steigt die Klemmspannung über dem elektronischen Hochvoltschalter und der DC-Schutzschaltung an. Wird die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des Varistors überschritten, hier beispielsweise 1000 V, wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig. Der Varistor führt einen typischen Strom von 1 mA bei 800 V. Das bedeutet der Varistor ist unterdimensioniert. Ohne Thyristor-Überspannungsschutzbauteil wäre ein Varistor zu wählen der bei 800 V einen Strom von weniger als 10 µA aufweist, um Leckströme und die daraus resultierende Ausfallrate bei maximaler Spannung des elektrochemischen Energiespeichers klein zu halten. Durch die Reihenschaltung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und dem unterdimensionierten Varistor liegt ein Teil der maximalen Spannung des elektrochemischen Energiespeichers bzw. der Betriebsspannung bzw. der Klemmspannung am Thyristor-Überspannungsschutzbauteil. Der Varistor wird aufgrund der Unterdimensionierung trotz der höheren Versorgungsspannung von 800 V weit unterhalb seines maximalen Stromlimits betrieben. Während das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil bei einem Spannungsanstieg niederohmig wird und sich die anliegende Spannung auf einen ein- bis zweistelligen Voltbereich verringert, liegt über dem Varistor eine wachsende Spannung an, die zu einer Erhöhung des Stromflusses führt. Dieser erhöhte Stromfluss wird über den internen Widerstand des Varistors in Wärme gewandelt. Diese weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von ca. 25 J auf. Die hohe Pulsenergie wird abgebaut und die Klemmspannung an der DC-Schutzschaltung wird von einem Maximum, typischerweise zwischen 1300 V und 1500 V, solange verringert bis der durch den Varistor fließende Strom kleiner ist als der Haltestrom bzw. die Mindeststromschwelle des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, beispielsweise 20 mA. Dadurch wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil erneut hochohmig und blockiert bei gleichzeitig geringem Leckstrom von beispielsweise 5 µA.
Ohne Thyristor-Überspannungsschutzbauteil würde die DC-Schutzschaltung eine sehr hohe Klemmspannung von 2300V bei 1000 A führen. Durch die Reihenschaltung von Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und Varistor weist die maximale Klemmspannung einen Wert von 1500 V bei 1000 A auf. Somit halbiert sich die maximale Spannungsdifferenz zwischen maximaler Klemmspannung und maximaler Betriebsspannung. Die maximale Klemmspannung kann somit wesentlich geringer sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Spannung bzw. Versorgungsspannung des elektrochemischen Energiespeichers 900 V. Eine parasitäre Induktivität, insbesondere eine Batterieinduktivität, beträgt 50 µH. Der Schwellenwert beträgt beispielsweise 1000 A. Dieser wird aus dem maximal zulässigen Batteriestrom und Sicherheitstoleranzen für den Kurzschlussfall ermittelt. Überschreitet der Strom bzw. Kurzschlussstrom den Schwellenwert und der elektronische Hochvoltschalter öffnet, so fließt der Strom bzw. Schutzstrom über das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und den Varistor. Der Strom durch den elektrochemischen Energiespeicher wird durch die parasitäre Induktivität aufrechterhalten. Abhängig von der Abschaltgeschwindigkeit des elektronischen Hochvoltschalters steigt die Klemmspannung über dem elektronischen Hochvoltschalter und der DC-Schutzschaltung an. Wird die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des Varistors überschritten, hier beispielsweise 1120 V, wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig. Der Varistor führt einen typischen Strom von 49 mA bei 900 V. Das bedeutet der Varistor ist unterdimensioniert. Ohne Thyristor-Überspannungsschutzbauteil wäre ein Varistor zu wählen der bei 900 V einen Strom von weniger als 100 µA aufweist, um Leckströme und die daraus resultierende Ausfallrate bei maximaler Spannung des elektrochemischen Energiespeichers klein zu halten. Das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil führt einen typischen Strom von 5 µA bei 200 V. Die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils ist mit 220 V also deutlich kleiner als die maximale Spannung des elektrochemischen Energiespeichers. Das bedeutet der Thyristor ist ebenfalls unterdimensioniert. Die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils ist ebenfalls kleiner als die Schwellenspannung des Varistors. Durch die Reihenschaltung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und dem unterdimensionierten Varistor liegt ein Teil der maximalen Spannung des elektrochemischen Energiespeichers bzw. der Betriebsspannung bzw. der Klemmspannung am Thyristor-Überspannungsschutzbauteil. Der Varistor wird aufgrund der Unterdimensionierung trotz der höheren Versorgungsspannung von 900 V weit unterhalb seines maximalen Stromlimits betrieben. Während das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil bei einem Spannungsanstieg über 1120 V niederohmig wird und sich die anliegende Spannung auf einen ein- bis zweistelligen Voltbereich verringert, liegt über dem Varistor eine wachsende Spannung an, die zu einer Erhöhung des Stromflusses führt. Dieser erhöhte Stromfluss wird über den internen Widerstand des Varistors in Wärme gewandelt. Diese weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Wert von ca. 25 J auf. Die hohe Pulsenergie wird abgebaut und die Klemmspannung an der DC-Schutzschaltung wird von einem Maximum, typischerweise zwischen 1300 V und 1500 V, solange verringert bis der durch den Varistor fließende Strom kleiner ist als der Haltestrom bzw. die Mindeststromschwelle des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, beispielsweise 50 mA. Dadurch wird das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil erneut hochohmig und blockiert bei gleichzeitig geringem Leckstrom von beispielsweise 5 µA.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 200 mit einem elektrochemischen Energiespeicher 201, einer parasitären Induktivität 202, insbesondere eine Batterieinduktivität, einem elektronischen Hochvoltschalter 203 und einer DC-Schutzschaltung. Die DC-Schutzschaltung umfasst ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 204 und einen Varistor 205, die in Reihe geschaltet sind. Die DC-Schutzschaltung ist parallel zum elektronischen Hochvoltschalter 203 angeordnet bzw. geschaltet. Der elektronische Hochvoltschalter 203 ist mit einer Last 206 elektrisch verbunden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der elektronische Hochvoltschalter 203 als Halbleiterschalter ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise wird der Halbleiterschalter über sein Gate weich abgeschaltet beziehungsweise mittels eines sogenannten Soft-Turn-Off abgeschaltet.
Als Halbleiterschalter kommen beispielsweise ein oder mehrere parallelgeschaltete MOSFETs zur Anwendung. Der MOSFET weist vorzugsweise Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid auf.
Der Varistor 205 weist eine Schwellenspannung auf, die kleiner ist als die maximale Spannung bzw. Versorgungsspannung der elektrochemischen Energiespeichereinheit 201. Dadurch kann der Halbleiterschalter für geringe Drain-Source-Spannungen ausgelegt werden. Bei Stromfluss weist der Strom durch den Varistor 205 bei maximaler Spannung einen Wert auf, der kleiner ist als der Haltestrom des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils 204. Der Varistor 205 kann als Metalloxidvaristor ausgestaltet sein.
Das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 204 weist eine Sperrspannung auf, die kleiner ist als die maximale Spannung bzw. Versorgungsspannung der elektrochemischen Energiespeichereinheit 201. Die Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils 204 ist ebenfalls kleiner als die Schwellenspannung des Varistors 205.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können mehrere Varistoren innerhalb der DC-Schutzschaltung parallel zueinander angeordnet sein. Die parallelgeschalteten Varistoren 205 sind in Reihe mit dem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 204 geschaltet. Alternativ können die parallelgeschalteten Varistoren 205 in Reihe zu mehreren parallelgeschalteten Thyristor-Überspannungsschutzbauteilen 204 geschaltet werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 300 mit einem elektrochemischen Energiespeicher 301, einer parasitären Induktivität 302, insbesondere eine Batterieinduktivität, einem elektronischen Hochvoltschalter 303 und einer DC-Schutzschaltung. Die DC-Schutzschaltung umfasst ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 304 und einen Varistor 305, die in Reihe geschaltet sind. Die DC-Schutzschaltung ist parallel zum elektronischen Hochvoltschalter 303 angeordnet bzw. geschaltet. Der elektronische Hochvoltschalter 303 ist mit einer Last 306 elektrisch verbunden. Parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 304 und Varistor 305 ist eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 307 und einem Widerstand 308 angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann auch eine Kapazität parallel geschaltet zu der Reihenschaltung aus Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und Varistor angeordnet sein. Es wird also auf den Widerstand verzichtet.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 400 mit einem elektrochemischen Energiespeicher 401, einer parasitären Induktivität 402, insbesondere eine Batterieinduktivität, einem elektronischen Hochvoltschalter 403 und einer DC-Schutzschaltung. Die DC-Schutzschaltung umfasst ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 404 und einen Varistor 405, die in Reihe geschaltet sind. Die DC-Schutzschaltung ist parallel zum elektronischen Hochvoltschalter 403 angeordnet bzw. geschaltet. Der elektronische Hochvoltschalter 403 ist mit einer Last 406 elektrisch verbunden. Parallel geschaltet zu dem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 404 ist eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 407 und einem Widerstand 408 angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann auch eine Kapazität parallel geschaltet zu dem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil angeordnet sein. Es wird also auf den Widerstand verzichtet.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 500 mit einem elektrochemischen Energiespeicher 501, einer parasitären Induktivität 502, insbesondere eine Batterieinduktivität, einem elektronischen Hochvoltschalter 503 und einer DC-Schutzschaltung. Die DC-Schutzschaltung umfasst ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil 504 und einen Varistor 505, die in Reihe geschaltet sind. Die DC-Schutzschaltung ist parallel zum elektronischen Hochvoltschalter 503 angeordnet bzw. geschaltet. Der elektronische Hochvoltschalter 503 ist mit einer Last 506 elektrisch verbunden. Parallel geschaltet zu dem Varistor 505 ist eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 507 und einem Widerstand 508 angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann auch eine Kapazität parallel geschaltet zu dem Varistor angeordnet sein. Es wird also auf den Widerstand verzichtet.
Die Vorrichtung (200, 300, 400, 500) ist für Anwendungen im Hochvoltbereich vorgesehen, d. h. bei Spannungen größer 100 V. Alternativ kann die Vorrichtung (200, 300, 400, 500) auch für niedrigere Spannungsbereiche angewendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der elektrochemische Energiespeicher (201, 301, 401, 501) ein elektrochemischer Hochvoltspeicher. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der elektrochemische Energiespeicher (201, 301, 401, 501) ein DC-Microgrid.
Die Vorrichtung (200, 300, 400, 500) findet Anwendung in elektrochemischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie, sowie in Ladesäulen. Des Weiteren wird die Vorrichtung 200 in Kurzschlussschaltungen mehrerer parallelgeschalteter Hochvoltschalter und in elektronischen Batterietrenneinrichtungen eingesetzt. Beim Schalten hoher DC-Last-Ströme, in DC-Microgrids als e-Fuse und zur Notstromabschaltung bei DC-betriebenen regenerativen Energieerzeugern, ist die Vorrichtung (200, 300, 400, 500) ebenfalls anwendbar. Mit anderen Worten in allen Bereichen, in denen ein kurzzeitig überproportional großer Strom fließen kann, der abgeschaltet werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20020159212 A1 [0010]
DE 102010001924 A1 [0011]
EP 3300252 A2 [0012]

Claims

Verfahren (100) zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem elektrochemischen Energiespeicher, einem elektronischen Hochvoltschalter und einer DC-Schutzschaltung, die parallel zum elektronischen Hochvoltschalter geschaltet ist, wobei die DC-Schutzschaltung eine Reihenschaltung aus mindestens einem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil und mindestens einem Varistor umfasst, mit den Schritten: • Schließen (110) des elektronischen Hochvoltschalters, wobei ein Strom zwischen dem elektrochemischen Energiespeicher und einer angeschlossenen Last fließt, • Überwachen (120) des Stroms mit Hilfe eines elektronischen Steuergeräts, wobei ein Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Strom erfasst wird, • Öffnen (130) des elektronischen Hochvoltschalters in Abhängigkeit des erfassten Überschreitens des Schwellenwerts, sodass der Strom über die DC-Schutzschaltung fließt, • Überschreiten (140) einer Sperrspannung des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils und des mindestens einen Varistors und eines Einraststroms des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil niederohmig wird, • Umwandeln (150) einer durch das Öffnen des elektronischen Hochvoltschalters entstandenen Pulsenergie in Wärme mit Hilfe des Varistors, und • Unterschreiten (160) eines Haltestroms des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils, sodass das mindestens eine Thyristor-Überspannungsschutzbauteil blockiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Hochvoltschalter beim Öffnen (130) weich geöffnet wird, und/oder dass beim Öffnen (130) des elektronischen Hochvoltschalters eine Steuerspannung für den elektronischen Hochvoltschalter innerhalb einer Zeitspanne von mehr als einer Mikrosekunde auf 0 V reduziert wird.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) zum Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers (201, 301, 401, 501) mit einem elektronischen Hochvoltschalter (203, 303, 403, 503) und einer DC-Schutzschaltung, wobei der elektrochemische Energiespeicher (201, 301, 401, 501) über den elektronischen Hochvoltschalter (203, 303, 403, 503) mit einer Last (206. 306, 406, 506) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Schutzschaltung parallel zum elektronischen Hochvoltschalter (203, 303, 403, 503) angeordnet ist, wobei die DC-Schutzschaltung mindestens ein Thyristor-Überspannungsschutzbauteil (204, 304, 404, 504) und mindestens einen Varistor (205, 305, 405, 505) aufweist, die in Reihe geschaltet sind.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200, 300, 400, 500) mindestens ein Mittel aufweist, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 durchzuführen.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (205, 305, 405, 505) eine Schwellenspannung aufweist, die kleiner ist als eine maximale Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (201, 301, 401, 501).
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Thyristor-Überspannungsschutzbauteil (204, 304, 404, 504) eine Sperrspannung aufweist, die kleiner ist als eine maximale Spannung des elektrochemischen Energiespeichers (201, 301, 401, 501).
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe aus der Sperrspannung des Thyristor-Überspannungsschutzbauteils (204, 304, 404, 504) und der Schwellenspannung des Varistors (205, 305, 405, 505) kleiner oder gleich einer maximalen Spannung des elektrischen Energiespeichers (201, 301, 401, 501) ist.
Vorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass parallel geschaltet zu der DC-Schutzschaltung eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (308) und einer Kapazität (307) angeordnet ist.
Vorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass parallel geschaltet zu dem Thyristor-Überspannungsschutzbauteil (404) eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (408) und einer Kapazität (407) angeordnet ist.
Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass parallel geschaltet zu dem Varistor (505) eine Kapazität oder eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (508) und einer Kapazität (507) angeordnet ist.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom durch den Varistor (205, 305, 405, 505) bei maximaler Spannung des elektrochemischen Energiespeichers kleiner ist als ein Haltestrom des mindestens einen Thyristor-Überspannungsschutzbauteils (204, 304, 404, 504).
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Hochvoltschalter (203, 303, 403, 503) ein Halbleiterschalter ist.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (204, 304, 404, 504) ein Metalloxidvaristor ist.
Vorrichtung (200, 300, 400, 500) nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Energiespeicher (201, 301, 401, 501) ein elektrochemischer Hochvoltspeicher ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14 in elektrochemischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie, sowie in Ladesäulen.