EP3900188A1 - Vorrichtung und verfahren zum richtungsabhängigen betreiben eines elektrochemischen energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum richtungsabhängigen betreiben eines elektrochemischen energiespeichers

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EP3900188A1
EP3900188A1 EP19832060.8A EP19832060A EP3900188A1 EP 3900188 A1 EP3900188 A1 EP 3900188A1 EP 19832060 A EP19832060 A EP 19832060A EP 3900188 A1 EP3900188 A1 EP 3900188A1
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EP
European Patent Office
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semiconductor switch
inverse diode
measuring device
value
voltage
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Pending
Application number
EP19832060.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Gleiter
Sven Landa
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for
  • Disconnector is operated as a normal switch and is not
  • the semiconductor switches used here are, for example, mosfets which have an intrinsic body diode.
  • the disadvantage here is that the disconnectors can not be switched depending on the direction, since the power loss in the body diode would be too large.
  • Battery management systems are also known which have separate connections for charging and discharging.
  • the semiconductor switches are arranged in parallel to one another.
  • the disadvantage here is that energy recovery via the load is not possible. It is the object of the invention to overcome these disadvantages.
  • the device for operating an electrochemical energy store in a direction-dependent manner has a first semiconductor switch and a second one
  • the semiconductor switch a first measuring device and a second measuring device, wherein the first semiconductor switch comprises a first inverse diode and the second semiconductor switch comprises a second inverse diode.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are connected in series.
  • the first measuring device is set up to detect a first voltage value across the first inverse diode and to compare the first voltage measured value with a first predetermined limit value.
  • Voltage measurement value can be controlled with the first predetermined limit value.
  • the second measuring device is set up to detect a second voltage value across the second inverse diode and to compare the second voltage measured value with a second predetermined limit value.
  • Voltage measurement value can be controlled with the second predetermined limit value.
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch can be switched on or off as a function of the comparison of the voltage measurement value detected in each case via the respective inverse diode with the respectively predetermined limit value.
  • Operating states of the electrochemical energy store can be set, namely charging or discharging.
  • Semiconductor switches each have a field effect transistor, in particular a MOSFET.
  • the Rdson is low at voltages up to 60V.
  • the first inverse diode and the second inverse diode are each a body diode of the field effect transistors.
  • the device is suitable for high voltage classes.
  • the vehicle according to the invention comprises a device according to the invention for the direction-dependent operation of an electrochemical energy store.
  • the vehicle according to the invention is in particular an electric two-wheeler, for example an electric scooter.
  • the method according to the invention for operating an electrochemical energy store in a direction-dependent manner comprises switching on a first semiconductor switch, detecting a second voltage measured value of a second inverse diode of a second semiconductor switch, comparing the second voltage measured value of the second inverse diode of the second
  • the electrochemical energy store can be operated in a direction-dependent manner, with the discharge process of the electrochemical one
  • the individual Operating states of the electrochemical energy store can be set, namely charging or discharging.
  • the second voltage measurement value is recorded with the aid of a second measuring device, the second measuring device comprising a comparator.
  • the measuring device can be implemented inexpensively.
  • the first is activated
  • the first semiconductor switch and the second semiconductor switch are activated as a function of an overcurrent signal.
  • Figure 2 shows a method for the directional operation of a
  • FIG. 1 shows a device 100 for the direction-dependent operation of an electrochemical energy store 101.
  • the device 100 comprises a first semiconductor switch 102, a second semiconductor switch 104, a consumer 108 and a charging unit 109.
  • the energy store 101, the first semiconductor switch 102, the second semiconductor switch 104 and the consumers 108 are connected in series.
  • the charging unit 109 is connected in parallel to the consumer 108.
  • the first semiconductor switch 102 comprises a first one
  • the second semiconductor switch 104 comprises a second one
  • the first semiconductor switch 102 has a first connection 120, a second connection 121 and a third connection 122, the second connection 121 functioning as a control connection.
  • Semiconductor switch 104 has a fourth connection 123, a fifth
  • Port 124 acts as a control port.
  • a cathode of the first inverse diode 103 is electrically connected to the first connection 120 of the first semiconductor switch 102 and an anode of the first inverse diode 103 is electrically connected to the third connection 122 of the first semiconductor switch 102.
  • a cathode of the second inverse diode 105 is connected to the fourth connection 123 of the second semiconductor switch 104 and an anode of the second inverse diode 104 is connected to the sixth connection 125 of the second
  • the first inverse diode 103 is in the reverse direction
  • the second inverse diode 105 is arranged in the forward direction to the electrochemical energy store 101, since the anode of the second inverse diode 105 is connected to the positive pole of the electrochemical energy store 101 when the first semiconductor switch 102 is switched on.
  • a first measuring device 106 is electrically connected to the cathode of the first inverse diode 103 and the anode of the first inverse diode 103.
  • a second Measuring device 107 is electrically connected to the cathode of the second inverse diode 105 and the anode of the second inverse diode 105.
  • the first measuring device 106 is set up to detect a voltage drop across the first inverse diode 103 and to generate a first signal which is sent or applied to an input of a first OR gate 112.
  • the second measuring device 107 is set up to detect a voltage drop across the second inverse diode 105 and to generate a second signal which is sent or applied to an input of a second OR gate 113.
  • the voltage drop across the first inverse diode and the second inverse diode is recorded continuously during operation of the device 100.
  • the first OR gate 112 has multiple inputs and a first output.
  • the first output is electrically connected to an input of a first AND gate 114.
  • An output of the first AND gate 114 is electrically connected to a first driver stage 116.
  • the first driver stage 116 is set up to control or switch the first semiconductor switch 102.
  • the second OR gate 113 has multiple inputs and a second output.
  • the second output is electrically connected to an input of a second AND gate 115.
  • An output of the first AND gate 115 is electrically connected to a second driver stage 117.
  • the second driver stage 117 is set up to control or switch the second semiconductor switch 104.
  • the device 100 includes a first inverter 118, which as
  • Input signal detects a switch-off signal and on the output side with a
  • the device 100 comprises a second inverter 119, which detects an overcurrent signal as an input signal and is electrically connected on the output side to a further input of the first AND gate 114 and the second AND gate 115.
  • the overcurrent signal is generated by a further measuring device 111, the measuring device 111 one
  • the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 are configured, for example, in the form of transistors. They can either be designed as an n-channel or as a p-channel transistor. In one
  • Embodiments are the first semiconductor switch 102 and the second
  • the semiconductor switch 104 field effect transistors, especially Mosfets.
  • the first inverse diode 103 and the second inverse diode 105 are the body diodes of the Mosfets.
  • the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 can be configured as IGBTs.
  • the electrochemical energy store 101 comprises, for example, Li-ion cells.
  • the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor circuit have a common source connection.
  • the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 have a common drain connection.
  • the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 can also be arranged in the minus path of the electrochemical energy store 101.
  • first semiconductor switch 102 and a second semiconductor switch 101 each forming a pair of semiconductor switches.
  • the first measuring device 106 and the second measuring device 107 predominantly comprise analog components.
  • the first measuring device 106 and the second measuring device 107 have exclusively analog components. Due to the analog design, the
  • the first OR gate 112 the second OR gate 113, the first AND gate 114, the second AND gate 115, the first inverter 118 and the second inverter 119 are analog
  • either the first semiconductor switch 102 or the second semiconductor switch 104 is switched on with the aid of a switch-on signal which represents the desired operating state of the electrochemical energy store 101. This becomes the first semiconductor switch 102
  • the electrochemical energy store 101 is to be discharged. If the second semiconductor switch 104 is switched on in this way, the electrochemical energy store 101 is to be charged.
  • the operation of the device 100 will now be explained on the basis of the operating state unloading.
  • the first semiconductor switch 102 is switched on via the driver stage 116 by applying a switch-on signal or discharge signal to an input of the first OR gate 112. This switch-on signal is passed via the output of the first OR gate 112 to an input of the first AND gate 114.
  • the first AND gate 114 has further inputs, each of which is electrically connected to a first inverter 118 and a second inverter 119. If neither a switch-off signal is present at the first inverter 118 nor an overcurrent signal at the second inverter 119, the first semiconductor switch 102 is switched via the first driver stage 116
  • Measuring device 107 comprises a comparator and detects the
  • Threshold value voltage of the second inverse diode 105 which is approximately 0.7 V, a signal is passed to an input of the second OR gate 113. This signal is passed on to an input of the second AND gate 115.
  • the second AND gate 115 has further inputs, which are each electrically connected to the first inverter 118 and the second inverter 119. If there is neither a switch-off signal at the first inverter 118 nor an overcurrent signal at the second inverter 119, the second semiconductor switch 104 is switched on via the second driver stage 117. The electrical energy store 101 is discharged. In other words, by turning on the first one
  • Semiconductor switch 102 can only flow a discharge current through the inverse diode 105 in the discharge direction.
  • the inverse diode 105 blocks a charging current. A reversal of the current direction from discharge to charging direction is via the
  • Measuring device 107 detected and the second semiconductor switch 104 switched off.
  • the second semiconductor switch 104 is closed first. Only a current can therefore flow in the charging direction via the first semiconductor switch 102 and the first inverse diode 103. As soon as a current flows in the charging direction, it is detected by the first measuring device 106 and the first driver stage 116 activates the first semiconductor switch 102.
  • the electrochemical energy store 101 can be both discharged and charged, i. H. there is recuperation.
  • both the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 are closed.
  • both the first semiconductor switch 102 and the second semiconductor switch 104 are opened.
  • a plurality of electrochemical energy stores 101 can be connected in parallel, so that efficient operation takes place without compensation currents between the battery packs.
  • the second measuring device 107 and the further measuring device 111 are provided. This means that the device 100 has no measuring device that detects the voltage drop across the first inverse diode. This embodiment only allows unloading and prevents charging currents. As a result, a discharge current can always flow and the electrochemical energy storage is protected against impermissible charging currents.
  • FIG. 2 shows a method 200 for the direction-dependent operation of an electrochemical energy store. The method 200 starts with the
  • a first semiconductor switch is switched on with the aid of a switch-on signal, which represents, for example, a discharge mode or a charging mode.
  • a switch-on signal which represents, for example, a discharge mode or a charging mode.
  • a voltage drop across a second inverse diode of a second semiconductor switch is detected using a second measuring device.
  • step 230 the voltage drop is marked with a
  • the predetermined limit value represents the threshold voltage of the second inverse diode, usually 0.7 V. If the voltage drop is greater than the threshold value, the second generates
  • Measuring device a second signal, which is sent to an input of a second OR gate. If the voltage drop is less than the threshold value, no second signal is generated and the method continues with step 220. In a step 240 following step 230, the second OR gate is switched and with the aid of a subsequent second one
  • the energy store is discharged.
  • the switch-on signal is applied to one of the inputs of a first OR gate, so that the first semiconductor switch via a first driver circuit
  • the first semiconductor switch e.g. B. Mosfet is activated and the current flows through the first semiconductor switch and a second inverse diode, e.g. B. the body diode of the second mosfet, to the consumer.
  • the second measured value device monitors the voltage or the voltage drop across the second inverse diode. As soon as a current flows through the second inverse diode, a voltage drops across the second inverse diode.
  • the second semiconductor switch When the threshold voltage of the second inverse diode is reached, the second semiconductor switch is switched on.
  • the second semiconductor switch is switched on via the second measuring device and the threshold value of approximately 0.7 V.
  • the second semiconductor switch When switched on, the second semiconductor switch has a contact resistance of approx. ImO, depending on the MOSFET used. As long as a discharge current flows, the voltage drop across the second measuring device is positive, ie positive voltage drop from anode to cathode.
  • the measuring device is designed so that a
  • the unloading direction is activated.
  • the first semiconductor switch is switched on permanently. As soon as a discharge current can flow through the second inverse diode, i. H. the voltage drop across the second inverse diode is higher than the threshold, is across the second
  • Measurement acquisition of the second semiconductor switch enabled.
  • the current direction is reversed from discharging to charging, this is recognized by the second measured value acquisition and the second semiconductor switch is switched off.
  • the unloading direction is still unlocked and the second
  • the semiconductor switch switches on automatically when the discharge current is reached and off when the charge current is reached.
  • the energy store is charged.
  • Energy storage for charging comprises switching on a second semiconductor switch, detecting a first voltage measurement value of a first inverse diode of a first semiconductor switch, comparing the first
  • the switch-on signal or charge signal is applied to one of the inputs of a second OR gate, so that the second semiconductor switch is switched on via the second driver circuit. That means the second Mosfet is activated and the current flows through the second semiconductor switch and the first Inverse diode, e.g. B. the body diode of the first mosfet, to the consumer.
  • the first measured value device monitors the voltage or the voltage drop across the first inverse diode. As soon as the voltage drop reaches the threshold voltage of the first inverse diode, a current flows through the first inverse diode and the first semiconductor switch is switched on.
  • the device can thus switch a current flow depending on the direction. By switching on one of the transistors, the current can only flow in one direction. A current direction is thus specified. The flow in the opposite direction is blocked. In addition, a
  • the method for the direction-dependent operation of an electrochemical energy store for the driving state i. H. Charging and discharging comprises switching on a first and a second semiconductor switch.
  • the invention enables direction-dependent switching of the first semiconductor switch and the second semiconductor switch.
  • the voltage drop across the body diode is recorded and the MOSFET is automatically switched on.

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Abstract

Vorrichtung (100) zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers (101) mit einem ersten Halbleiterschalter (102), der eine erste Inversdiode (103) umfasst und einem zweiten Halbleiterschalter (104), der eine zweite Inversdiode (105) umfasst, und einer ersten Messeinrichtung (106) und einer zweiten Messeinrichtung (107), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (102) und der zweite Halbleiterschalter (104) in Reihe geschaltet sind und die erste Messeinrichtung (106) dazu eingerichtet ist, einen ersten Spannungsmesswert über der ersten Inversdiode (103) zu erfassen und den ersten Spannungsmesswert mit einem ersten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen, wobei der erste Halbleiterschalter (102) in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten Spannungsmesswerts mit dem ersten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar ist und die zweite Messeinrichtung (107) dazu eingerichtet ist, einen zweiten Spannungswert über der zweiten Inversdiode (105) zu erfassen und den zweiten Spannungsmesswert mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen, wobei der zweite Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Vergleichs des zweiten Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar ist.

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung und Verfahren zum richtungsabhängigen Betreiben eines
elektrochemischen Energiespeichers
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers, sowie ein Fahrzeug mit solch einer Vorrichtung.
Batteriemanagementsysteme weisen zum Unterbinden bzw. Trennen des Stromflusses Trennschalter, wie Relais oder Halbleiterschalter, auf. Der
Trennschalter wird als normaler Schalter betrieben und ist nicht
stromrichtungssensitiv. Das bedeutet der Strom kann in beide Richtungen fließen, sodass gleichzeitiges Laden und Entladen der Batterie möglich ist.
Die dabei verwendeten Halbleiterschalter sind beispielsweise Mosfets, die eine intrinsische Bodydiode aufweisen.
Nachteilig ist hierbei, dass die Trennschalter nicht richtungsabhängig geschalten werden können, da die Verlustleistung in der Bodydiode zu groß wäre.
Es sind auch Batteriemanagementsysteme bekannt die separate Anschlüsse für das Laden und das Entladen aufweisen. Dabei sind die Halbleiterschalter in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet.
Nachteilig ist hierbei, dass eine Energierückspeisung über die Last nicht möglich ist. Es ist die Aufgabe der Erfindung diese Nachteile zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Die Vorrichtung zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers weist einen ersten Halbleiterschalter, einen zweiten
Halbleiterschalter, eine erste Messeinrichtung und eine zweite Messeinrichtung auf, wobei der erste Halbleiterschalter eine erste Inversdiode umfasst und der zweite Halbleiterschalter eine zweite Inversdiode umfasst. Erfindungsgemäß sind der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter in Reihe geschaltet. Die erste Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, einen ersten Spannungswert über der ersten Inversdiode zu erfassen und den ersten Spannungsmesswert mit einem ersten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen. Der erste
Halbleiterschalter ist in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten
Spannungsmesswerts mit dem ersten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar.
Die zweite Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, einen zweiten Spannungswert über der zweiten Inversdiode zu erfassen und den zweiten Spannungsmesswert mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen. Der zweite
Halbleiterschalter ist in Abhängigkeit des Vergleichs des zweiten
Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar. Mit anderen Worten der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter sind in Abhängigkeit des Vergleichs des jeweils erfassten Spannungsmesswerts über der jeweiligen Inversdiode mit dem jeweils vorbestimmten Grenzwert einschaltbar oder ausschaltbar.
Der Vorteil ist hierbei, dass ein richtungsabhängiges Betreiben des
elektrochemischen Energiespeichers möglich ist, wobei die einzelnen
Betriebszustände des elektrochemischen Energiespeichers eingestellt werden können, nämlich Laden oder Entladen.
In einer Weiterbildung sind der erste Halbleiterschalter und der zweite
Halbleiterschalter jeweils ein Feldeffekttransistor, insbesondere ein MOSFET.
Vorteilhaft ist hierbei, dass der Rdson bei Spannungen bis 60V gering ist. In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste Inversdiode und die zweite Inversdiode jeweils eine Bodydiode der Feldeffekttransistoren.
In einer Weiterbildung sind der erste Halbleiterschalter und der zweite
Halbleiterschalter jeweils ein IGBT.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Vorrichtung für hohe Spannungsklassen geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist insbesondere ein elektrisches Zweirad, beispielsweise ein elektrischer Roller.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die einzelnen Betriebszustände des Fahrzeugs, nämlich Laden, Entladen oder Fahren eingestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers umfasst das Einschalten eines ersten Halbleiterschalters, das Erfassen eines zweiten Spannungsmesswerts einer zweiten Inversdiode eines zweiten Halbleiterschalters, das Vergleichen des zweiten Spannungsmesswerts der zweiten Inversdiode des zweiten
Halbleiterschalters mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert und das Ansteuern des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit des Vergleichs des zweiten Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert. Mit anderen Worten der elektrochemische Energiespeicher kann richtungsabhängig betrieben werden, wobei beim Entladevorgang des elektrochemischen
Energiespeichers das gleichzeitige Laden des elektrochemischen
Energiespeichers verhindert wird und umgekehrt.
Der Vorteil ist hierbei, dass ein richtungsabhängiges Betreiben des
elektrochemischen Energiespeichers möglich ist, wobei die einzelnen Betriebszustände des elektrochemischen Energiespeichers eingestellt werden können, nämlich Laden oder Entladen.
In einer Weiterbildung wird der zweite Spannungsmesswert mit Hilfe einer zweiten Messeinrichtung erfasst, wobei die zweite Messeinrichtung einen Komparator umfasst.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Messeinrichtung kostengünstig realisiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt das Ansteuern des ersten
Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit eines Ausschaltsignals.
In einer Weiterbildung erfolgt das Ansteuern des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit eines Überstromsignals.
Der Vorteil ist hierbei, dass beim Überschreiten eines zulässigen Stroms beide Halbleiter zeitgleich abgeschalten werden und eine Überstromsicherung im Hauptpfad eingespart werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers, und
Figur 2 ein Verfahren zum richtungsabhängigen Betreiben eines
elektrochemischen Energiespeichers. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers 101. Die Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Halbleiterschalter 102, einen zweiten Halbleiterschalter 104, einen Verbraucher 108 und eine Ladeeinheit 109. Der Energiespeicher 101, der erste Halbleiterschalter 102, der zweite Halbleiterschalter 104 und der Verbraucher 108 sind in Reihe geschaltet. Die Ladeeinheit 109 ist parallel zum Verbraucher 108 angeschlossen. Der erste Halbleiterschalter 102 umfasst eine erste
Inversdiode 103. Der zweite Halbleiterschalter 104 umfasst eine zweite
Inversdiode 105. Der erste Halbleiterschalter 102 weist einen ersten Anschluss 120, einen zweiten Anschluss 121 und einen dritten Anschluss 122 auf, wobei der zweite Anschluss 121 als Steueranschluss fungiert. Der zweite
Halbleiterschalter 104 weist einen vierten Anschluss 123, einen fünften
Anschluss 124 und einen sechsten Anschluss 125 auf, wobei der fünfte
Anschluss 124 als Steueranschluss fungiert.
Eine Kathode der ersten Inversdiode 103 ist mit dem ersten Anschluss 120 des ersten Halbleiterschalters 102 und eine Anode der ersten Inversdiode 103 ist mit dem dritten Anschluss 122 des ersten Halbleiterschalters 102 elektrisch verbunden. Eine Kathode der zweiten Inversdiode 105 ist mit dem vierten Anschluss 123 des zweiten Halbleiterschalters 104 und eine Anode der zweiten Inversdiode 104 ist mit dem sechsten Anschluss 125 des zweiten
Halbleiterschalters 104 elektrisch verbunden.
Mit anderen Worten die erste Inversdiode 103 ist in Sperrichtung zum
elektrochemischen Energiespeicher 101 angeordnet, da die Kathode der ersten Inversdiode 103 mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers 101 elektrisch verbunden ist. Die zweite Inversdiode 105 ist in Durchlassrichtung zum elektrochemischen Energiespeicher 101 angeordnet, da die Anode der zweiten Inversdiode 105 mit dem Pluspol des elektrochemischen Energiespeichers 101 verbunden ist, wenn der erste Halbleiterschalter 102 eingeschaltet ist.
Eine erste Messeinrichtung 106 ist mit der Kathode der ersten Inversdiode 103 und der Anode der ersten Inversdiode 103 elektrisch verbunden. Eine zweite Messeinrichtung 107 ist mit der Kathode der zweiten Inversdiode 105 und der Anode der zweiten Inversdiode 105 elektrisch verbunden.
Die erste Messeinrichtung 106 ist dazu eingerichtet einen Spannungsabfall über der ersten Inversdiode 103 zu erfassen und ein erstes Signal zu erzeugen, das an einen Eingang eines ersten ODER-Gatters 112 gesendet bzw. angelegt wird. Die zweite Messeinrichtung 107 ist dazu eingerichtet einen Spannungsabfall über der zweiten Inversdiode 105 zu erfassen und ein zweites Signal zu erzeugen, das an einen Eingang eines zweiten ODER-Gatters 113 gesendet bzw. angelegt wird. Die Erfassung des Spannungsabfalls über der ersten Inversdiode und der zweiten Inversdiode erfolgt dauerhaft im Betrieb der Vorrichtung 100.
Das erste ODER-Gatter 112 weist mehrere Eingänge und einen ersten Ausgang auf. Der erste Ausgang ist elektrisch mit einem Eingang eines ersten UND- Gatters 114 verbunden. Ein Ausgang des ersten UND-Gatters 114 ist mit einer ersten Treiberstufe 116 elektrisch verbunden. Die erste Treiberstufe 116 ist dazu eingerichtet, den ersten Halbleiterschalter 102 anzusteuern bzw. zu schalten.
Das zweite ODER-Gatter 113 weist mehrere Eingänge und einen zweiten Ausgang auf. Der zweite Ausgang ist elektrisch mit einem Eingang eines zweiten UND-Gatters 115 verbunden. Ein Ausgang des ersten UND-Gatters 115 ist mit einer zweiten Treiberstufe 117 elektrisch verbunden. Die zweite Treiberstufe 117 ist dazu eingerichtet, den zweiten Halbleiterschalter 104 anzusteuern bzw. zu schalten.
Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 100 einen ersten Inverter 118, der als
Eingangssignal ein Ausschaltsignal erfasst und ausgangsseitig mit einem
Eingang des ersten UND-Gatters 114 und des zweiten UND-Gatters 115 elektrisch verbunden ist. Die Vorrichtung 100 umfasst einen zweiten Inverter 119, der als Eingangssignal ein Überstromsignal erfasst und ausgangsseitig mit einem weiteren Eingang des ersten UND-Gatters 114 und des zweiten UND-Gatters 115 elektrisch verbunden ist. Das Überstromsignal wird dabei von einer weiteren Messeinrichtung 111 erzeugt, wobei die Messeinrichtung 111 einen
Spannungsabfall über einem weiteren Widerstand 110 erfasst. Der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite Halbleiterschalter 104 sind beispielsweise in Form von Transistoren ausgestaltet. Sie können entweder als n- Kanal oder als p- Kanal Transistor ausgeführt sein. In einem
Ausführungsbeispiel sind der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite
Halbleiterschalter 104 Feldeffekttransistoren, insbesondere Mosfets. Die erste Inversdiode 103 und die zweite Inversdiode 105 sind die Bodydioden der Mosfets. Alternativ können der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite Halbleiterschalter 104 als IGBTs ausgestaltet sein.
Der elektrochemische Energiespeicher 101 umfasst beispielsweise Li-Ionen- Zellen. In einem Ausführungsbeispiel weisen der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite Halbleiterschaltung einen gemeinsamen Sourceanschluss auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite Halbleiterschalter 104 einen gemeinsamen Drainanschluss auf.
Der erste Halbleiterschalter 102 und der zweite Halbleiterschalter 104 können auch im Minuspfad des elektrochemischen Energiespeichers 101 angeordnet sein.
In Abhängigkeit der geforderten Stromtragfähigkeit bzw. Stromanforderungen können mehrere Paare von Halbleiterschaltern parallel geschaltet werden, wobei jeweils ein erster Halbleiterschalter 102 und ein zweiter Halbleiterschalter 101 ein Paar von Halbleiterschaltern bilden.
Die erste Messeinrichtung 106 und die zweite Messeinrichtung 107 umfassen überwiegend analoge Bauelemente. In einem Ausführungsbeispiel weisen die erste Messeinrichtung 106 und die zweite Messeinrichtung 107 ausschließlich analoge Bauelemente auf. Durch die analoge Bauweise wird der
Spannungsabfall bzw. der Stromfluss durch die erste Inversdiode 103 bzw. die zweite Inversdiode 105 schnell erkannt, da diskrete Signale direkt verwendet werden können. Ein digitaler Aufbau verhindert ein schnelles Erkennen, da die Signale gewandelt und verarbeitet werden müssen. Das erste ODER-Gatter 112, das zweite ODER-Gatter 113, das erste UND-Gatter 114, das zweite UND-Gatter 115, der erste Inverter 118 und der zweite Inverter 119 sind als analoge
Bauelemente ausgeführt.
Um das richtungsabhängige Betreiben des elektrochemischen Energiespeichers 101 zu starten, wird entweder der erste Halbleiterschalter 102 oder der zweite Halbleiterschalter 104 mit Hilfe eines Einschaltsignals eingeschaltet, das den angestrebten Betriebszustand des elektrochemischen Energiespeichers 101 repräsentiert. Wird der erste Halbleiterschalter 102 auf diese Weise
eingeschaltet, soll der elektrochemische Energiespeicher 101 entladen werden. Wird der zweite Halbleiterschalter 104 auf diese Weise eingeschaltet, soll der elektrochemische Energiespeicher 101 geladen werden.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 100 wird nun anhand des Betriebszustands Entladen erläutert. Der erste Halbleiterschalter 102 wird über die Treiberstufe 116 eingeschaltet, indem ein Einschaltsignal bzw. Entladesignal an einem Eingang des ersten ODER-Gatters 112 angelegt wird. Dieses Einschaltsignal wird über den Ausgang des ersten ODER-Gatters 112 an einen Eingang des ersten UND-Gatters 114 geleitet. Das erste UND-Gatter 114 weist weitere Eingänge auf, die jeweils mit einem ersten Inverter 118 und einem zweiten Inverter 119 elektrisch verbunden sind. Liegen weder ein Ausschaltsignal am ersten Inverter 118 noch ein Überstromsignal am zweiten Inverter 119 an, so wird der erste Halbleiterschalter 102 über die erste Treiberstufe 116
eingeschaltet. Durch das Einschalten des ersten Halbleiterschalters 102 fließt bei angeschlossener Last 108 ein Entladestrom über die zweite Inversdiode 104, den Verbraucher 108 und den weiteren Widerstand 110. Die zweite
Messeinrichtung 107 umfasst einen Komparator und erfasst dabei den
Spannungsabfall über der zweiten Inversdiode 105. Überschreitet der
Spannungsabfall einen vorbestimmten Grenzwert, d. h. die
Schwellenwertspannung der zweiten Inversdiode 105, die bei ca. 0,7 V liegt, so wird ein Signal an einen Eingang des zweiten ODER-Gatters 113 geleitet. Dieses Signal wird auf einen Eingang des zweiten UND-Gatters 115 weitergeleitet. Das zweite UND-Gatter 115 weist weitere Eingänge auf, die jeweils mit dem ersten Inverter 118 und dem zweiten Inverter 119 elektrisch verbunden sind. Liegen weder ein Ausschaltsignal am ersten Inverter 118 noch ein Überstromsignal am zweiten Inverter 119 an, so wird der zweite Halbleiterschalter 104 über die zweite Treiberstufe 117 eingeschaltet. Der elektrische Energiespeicher 101 wird entladen. Mit anderen Worten durch das Einschalten des ersten
Halbleiterschalters 102 kann nur ein Entladestrom über die Inversdiode 105 in Entladerichtung fließen. Die Inversdiode 105 sperrt einen Ladestrom. Eine Stromrichtungsumkehr von Entlade- in Laderichtung wird über die
Messeinrichtung 107 erfasst und der zweite Halbleiterschalter 104 abgeschaltet.
Soll stattdessen der elektrochemische Energiespeicher 101 geladen werden, wird zuerst der zweite Halbleiterschalter 104 geschlossen. Über den ersten Halbleiterschalter 102 und die erste Inversdiode 103 kann somit nur ein Strom in Laderichtung fließen. Sobald ein Strom in Laderichtung fließt, wird dieser über die erste Messeinrichtung 106 erfasst und die erste Treiberstufe 116 aktiviert den ersten Halbleiterschalter 102.
Im Betriebszustand Fahren kann der elektrochemische Energiespeicher 101 sowohl entladen als auch geladen werden, d. h. es erfolgt eine Rekuperation. In diesem Zustand werden sowohl der erste Halbleiterschalter 102 als auch der zweite Halbleiterschalter 104 geschlossen.
Wird ein Ausschaltsignal an den ersten Inverter 118 oder ein Überstromsignal an den zweiten Inverter 119 angelegt, so werden sowohl der erste Halbleiterschalter 102 als auch der zweite Halbleiterschalter 104 geöffnet.
Es können mehrere elektrochemische Energiespeicher 101 parallel geschaltet werden, sodass ein effizienter Betrieb ohne Ausgleichsströme zwischen den Batteriepacks erfolgt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind nur die zweite Messeinrichtung 107 und die weitere Messeinrichtung 111 vorgesehen. Das bedeutet die Vorrichtung 100 weist keine Messeinrichtung auf, die den Spannungsabfall über der ersten Inversdiode erfasst. Dieses Ausführungsbeispiel lässt nur das Entladen zu und verhindert Ladeströme. Dadurch kann immer ein Entladestrom fließen und der elektrochemische Energiespeicher wird vor unzulässigen Ladeströmen geschützt.
Figur 2 zeigt ein Verfahren 200 zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers. Das Verfahren 200 startet mit dem
Einschalten 210 eines ersten Halbleiterschalters. Der erste Halbleiterschalter wird mit Hilfe eines Einschaltsignals eingeschaltet, das beispielsweise einen Entlademodus oder einen Lademodus repräsentiert. In einem folgenden Schritt 220 wird ein Spannungsabfall über einer zweiten Inversdiode eines zweiten Halbleiterschalters mit Hilfe einer zweiten Messeinrichtung erfasst.
In einem folgenden Schritt 230 wird der Spannungsabfall mit einem
vorbestimmten Grenzwert verglichen. Der vorbestimmte Grenzwert repräsentiert hierbei die Schwellenspannung der zweiten Inversdiode, üblicherweise 0,7 V. Ist der Spannungsabfall größer als der Schwellenwert, so erzeugt die zweite
Messeinrichtung ein zweites Signal, das an einen Eingang eines zweiten ODER- Gatters gesendet wird. Ist der Spannungsabfall geringer als der Schwellenwert, so wird kein zweites Signal erzeugt und das Verfahren wird mit dem Schritt 220 fortgeführt. In einem auf den Schritt 230 folgenden Schritt 240 wird das zweite ODER-Gatter geschaltet und mit Hilfe einer nachfolgenden zweiten
Treiberschaltung der zweite Halbleiterschalter angesteuert bzw. eingeschaltet.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird der Energiespeicher entladen. Das Einschaltsignal wird an einen der Eingänge eines ersten ODER-Gatters angelegt, sodass der erste Halbleiterschalter über eine erste Treiberschaltung
eingeschaltet wird. Das bedeutet der erste Halbleiterschalter, z. B. Mosfet ist aktiviert und der Strom fließt über den ersten Halbleiterschalter und eine zweite Inversdiode, z. B. die Bodydiode des zweiten Mosfets, zum Verbraucher. Die zweite Messwerteinrichtung überwacht die Spannung bzw. den Spannungsabfall über der zweiten Inversdiode. Sobald ein Strom über die zweite Inversdiode fließt, fällt an der zweiten Inversdiode eine Spannung ab. Wird die
Schwellenwertspannung der zweiten Inversdiode erreicht, wird der zweite Halbleiterschalter eingeschaltet. Über die zweite Messeinrichtung und den Schwellenwert von ca. 0,7 V wird der zweite Halbleiterschalter eingeschalten. Im durchgeschalteten Zustand hat der zweite Halbleiterschalter einen Übergangswiderstand von ca. ImO, je nach verwendetem MOSFET. Solange ein Entladestrom fließt ist der Spannungsabfall über die zweite Messeinrichtung positiv, d. h. positiver Spannungsabfall von Anode nach Kathode. Die Messeinrichtung ist so ausgelegt, dass eine
Stromrichtungsumkehr, d. h. negativer Spannnungsabfall von Anode nach Kathode, erkannt wird und dann der zweite Halbleiterschalter abgeschaltet wird.
Mit anderen Worten es wird die Entladerichtung freigeschalten. Der erste Halbleiterschalter wird dauerhaft eingeschalten. Sobald ein Entladestrom über die zweite Inversdiode fließen kann, d. h. der Spannungsabfall an der zweiten Inversdiode ist höher als der Schwellenwert, wird über die zweite
Messwerterfassung der zweite Halbleiterschalter freigeschalten. Bei einer Stromrichtungsumkehr von Entladen nach Laden wird dies von der zweite Messwerterfassung erkannt und der zweite Halbleiterschalter wird abgeschalten. Die Entladerichtung ist immer noch freigeschalten und der zweite
Halbleiterschalter schaltet automatisch bei Entladestrom zu und bei Ladestrom ab.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Energiespeicher geladen. Das Verfahren zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen
Energiespeichers für Zustand Laden umfasst das Einschalten eines zweiten Halbleiterschalters, das Erfassen eines ersten Spannungsmesswerts einer ersten Inversdiode eines ersten Halbleiterschalters, das Vergleichen des ersten
Spannungsmesswerts der ersten Inversdiode des ersten Halbleiterschalters mit einem ersten vorbestimmten Grenzwert und das Ansteuern des ersten
Halbleiterschalters in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten
Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert.
Das Einschaltsignal bzw. Ladesignal wird an einen der Eingänge eines zweiten ODER-Gatters angelegt, sodass der zweite Halbleiterschalter über die zweite Treiberschaltung eingeschaltet wird. Das bedeutet der zweite Mosfet ist aktiviert und der Strom fließt über den zweiten Halbleiterschalter und die erste Inversdiode, z. B. die Bodydiode des ersten Mosfets, zum Verbraucher. Die erste Messwerteinrichtung überwacht die Spannung bzw. den Spannungsabfall über der ersten Inversdiode. Sobald der Spannungsabfall die Schwellenwertspannung der ersten Inversdiode erreicht, fließt ein Strom über die erste Inversdiode und der erste Halbleiterschalter wird eingeschaltet.
Die Vorrichtung kann somit einen Stromfluss richtungsabhängig schalten. Durch das Einschalten eines der Transistoren kann der Strom nur in eine Richtung fließen. Es wird somit eine Stromrichtung vorgegeben. Der Strom in die entgegengesetzte Richtung wird blockiert. Außerdem kann eine
Stromrichtungsumkehr erkannt und unterbunden werden.
Das Verfahren zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers für den Zustand Fahren, d. h. Laden und Entladen umfasst das Einschalten eines ersten und zweiten Halbleiterschalters.
Mit anderen Worten die Erfindung ermöglicht ein richtungsabhängiges Schalten des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters. Hierzu wird der Spannungsabfall über der Bodydiode erfasst und der MOSFET automatisch eingeschalten.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zum richtungsabhängigen Betreiben eines
elektrochemischen Energiespeichers (101) mit einem ersten
Halbleiterschalter (102), der eine erste Inversdiode (103) umfasst und einem zweiten Halbleiterschalter (104), der eine zweite Inversdiode (105) umfasst, und einer ersten Messeinrichtung (106) und einer zweiten Messeinrichtung (107), dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (102) und der zweite Halbleiterschalter (104) in Reihe geschaltet sind und die erste Messeinrichtung (106) dazu eingerichtet ist, einen ersten
Spannungsmesswert über der ersten Inversdiode (103) zu erfassen und den ersten Spannungsmesswert mit einem ersten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen, wobei der erste Halbleiterschalter (102) in Abhängigkeit des Vergleichs des ersten Spannungsmesswerts mit dem ersten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar ist und die zweite Messeinrichtung (107) dazu eingerichtet ist, einen zweiten Spannungswert über der zweiten Inversdiode (105) zu erfassen und den zweiten Spannungsmesswert mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert zu vergleichen, wobei der zweite Halbleiterschalter in Abhängigkeit des Vergleichs des zweiten Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert ansteuerbar ist.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (101) und der zweite Halbleiterschalter (102) jeweils ein Feldeffekttransistor ist, insbesondere ein MOSFET.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die erste Inversdiode (103) und die zweite Inversdiode (105) jeweils eine Bodydiode ist.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (102) und der zweite Halbleiterschalter (104) jeweils ein IGBT ist.
5. Fahrzeug, insbesondere elektrisches Zweirad, mit einer Vorrichtung zum richtungsabhängigen Betreiben eines elektrochemischen Energiespeichers nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Verfahren (200) zum richtungsabhängigen Betreiben eines
elektrochemischen Energiespeichers mit den Schritten:
Einschalten (210) eines ersten Halbleiterschalters,
Erfassen (220) eines zweiten Spannungsmesswerts einer zweiten Inversdiode eines zweiten Halbleiterschalters,
Vergleichen (230) des zweiten Spannungsmesswerts der zweiten Inversdiode des zweiten Halbleiterschalters mit einem zweiten vorbestimmten Grenzwert, und
Ansteuern (240) des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit des Vergleichs des zweiten Spannungsmesswerts mit dem zweiten vorbestimmten Grenzwert.
7. Verfahren (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spannungsmesswert mit Hilfe einer zweiten Messeinrichtung erfasst wird, die einen Komparator aufweist.
8. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ansteuern (240) des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit eines Ausschaltsignals erfolgt.
9. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ansteuern (240) des ersten Halbleiterschalters und des zweiten Halbleiterschalters in Abhängigkeit eines Überstromsignals erfolgt.
EP19832060.8A 2018-12-20 2019-12-18 Vorrichtung und verfahren zum richtungsabhängigen betreiben eines elektrochemischen energiespeichers Pending EP3900188A1 (de)

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