WO2020109134A1 - Trennvorrichtung für ein elektrochemisches energiespeichersystem - Google Patents

Trennvorrichtung für ein elektrochemisches energiespeichersystem Download PDF

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WO2020109134A1
WO2020109134A1 PCT/EP2019/082103 EP2019082103W WO2020109134A1 WO 2020109134 A1 WO2020109134 A1 WO 2020109134A1 EP 2019082103 W EP2019082103 W EP 2019082103W WO 2020109134 A1 WO2020109134 A1 WO 2020109134A1
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semiconductor switch
electrochemical energy
current
energy storage
conductor connection
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Sven Bergmann
Thomas Kaiser
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention is based on a separation device for an electrochemical
  • Energy storage system comprising at least one electrochemical
  • the document DE 199 44 833 A1 discloses a multi-voltage on-board electrical system with at least two voltages, for example 14 and 42 V, which differ from ground, in which a generator, for example the alternator of a vehicle, generates one of the voltages and the other voltage is formed from the first voltage by means of a DC voltage converter becomes.
  • the two voltages serve to supply two separate DC voltage networks.
  • short-circuit protection between the two Voltage levels are available which largely prevent a short circuit and / or reduce the effects of a short circuit between the two voltages and / or protect or switch off endangered consumers in the event of a short circuit.
  • the document DE 10 2010 033 047 A1 relates to a method for the detection of faults in motor vehicle electrical systems, in particular the occurrence of arcs in motor vehicle electrical systems with a higher voltage, voltage and current being measured at the input terminals of each component of the corresponding electrical system and this data being sent to an error detection circuit be transmitted. From the comparison of the measured voltages, the sum of the currents or the sum of the emitted and excluded powers, the fault detection circuit can recognize an error state and issue a shutdown command to suitable switching means.
  • a third current path with a third semiconductor switch which is electrically connected to the first current path by means of a second current tap between the separating element and the first current conductor connection and the second connection pole of the electrochemical energy store; comprises, in which an error case of at least one of the semiconductor switches is recognized by different switching states of the semiconductor switches and the electrochemical energy store is separated from at least one current conductor connection by triggering the separating element.
  • the electrochemical energy store can be reliably removed from the
  • Energy storage system are brought into a safe state.
  • the separating element comprises a fuse, an electronic fuse and / or a pyrotechnic separating element.
  • the electrochemical energy store can be reversible or irreversible by at least one
  • the separation device further comprises: - A temperature-dependent resistance of the first
  • Semiconductor switch is thermally connected and by means of an electrically connected to the temperature-dependent resistor
  • Comparator circuit detected a temperature-dependent fault, in particular a temperature-dependent short circuit, and the electrochemical
  • Energy storage is separated from at least one conductor connection.
  • Short circuit can be detected.
  • the temperature-dependent resistance includes a thermistor.
  • the electrochemical energy store can be switched off by means of a comparator circuit.
  • Semiconductor switches include at least one power MOSFET. Depending on
  • the semiconductor switch may comprise, for example, two MOSFETs in the opposite direction in order to interrupt a current flow as quickly as possible.
  • the separating element is advantageously in the form of a printed circuit board with the first semiconductor switch, the second semiconductor switch and / or the third
  • Tripping characteristic of the separating element is specified. Reliable function of the separating element can be guaranteed by a complete encapsulation.
  • a method according to the invention for operating a disconnecting device for an electrochemical energy storage system detects a fault in at least one of the semiconductor switches,
  • Semiconductor switch is open and the third semiconductor switch is closed;
  • the method further comprises the following steps: a) generating an information signal, in particular for a
  • Energy storage system for reducing a currently flowing electrical current as a function of an environmental condition of the electrochemical energy store
  • the environmental condition is a temperature-dependent error case determined by means of the comparator circuit on the basis of the temperature-dependent resistance.
  • a temperature and / or a temperature-dependent short circuit that goes beyond a specification of the semiconductor switch can thereby be detected.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of a second switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a third switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a second embodiment of the separation device according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic representation of a third embodiment of the separation device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention. Detailed description of the exemplary embodiments
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • electrochemical energy storage system 100 comprises an electrochemical energy storage 101 with a plurality of electrochemical ones
  • the separation device 102 comprises a first current path I between a first connection pole 108 (3) of the electrochemical energy store 101 and the first current conductor connection 108 (1) with a first semiconductor switch 104 and a separation element 107 electrically connected in series with the first semiconductor switch 104; and a second current path II with a second semiconductor switch 105, which is electrically connected to the first current path I by means of a first current tap 1 14 (1) between the first semiconductor switch 104 and the series-connected isolating element 107 and the second connection pole 108 (4) of the energy store 101 connected is; and a third current path III with a third semiconductor switch 106, which is electrically connected to the first current path I by means of a second current tap 114 (2) between the separating element 107 and the first current conductor connection 108 (1) and the second connection pole 108 (4) of the electrochemical
  • Energy storage 101 is connected. In a normal operating state of the electrochemical
  • the first semiconductor switch 104 is closed, the second semiconductor switch 105 and the third semiconductor switch 106 are open.
  • the first current conductor connection 108 (1) and the first pole connection 108 (3) are electrically connected to the second pole connection 108 (4) via the first semiconductor switch 104 and the isolating element 107 and the second current conductor connection 108 (2).
  • an electrical current 109 flows, for example during a charging process, first via the current path I and then via the current path II, since the first semiconductor switch 104 and the third semiconductor switch 106 are open and the second semiconductor switch 105 is closed.
  • the separating element 107 is triggered because the electrochemical
  • Energy storage system 100 in the first switch position shown is in a faulty operating state, for example due to a fault outside of the electrochemical energy store 101.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • An electrical current 110 flows, for example during a discharge process, first via the current path I and then via the current path III, since the first semiconductor switch 104 and the third semiconductor switch 106 are closed and the second
  • Semiconductor switch 105 is open.
  • the isolating element 107 is triggered because the electrochemical energy storage system 100 is in a fault mode in the second switch position shown, for example due to a fault in the first semiconductor switch 104.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a third switch position of a first embodiment of the disconnecting device according to the invention.
  • An electric one Current 1 1 1 flows first via current path I and then via current path III, since first semiconductor switch 104 and second semiconductor switch 105 are open and third semiconductor switch 106 is closed, for example by one
  • Figure 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the separation device according to the invention.
  • Energy storage system 400 comprises an electrochemical energy store 401 with a plurality of electrochemical energy storage cells 403 (1), 403 (2), 403 (3), 403 (n), a first current conductor connection 408 (1) and a second current conductor connection 408 (2) as well as the separation device 402 according to the invention.
  • the separating device 402 comprises a first semiconductor switch 404, a second semiconductor switch 405, a third semiconductor switch 406 and a separating element 407 for separating an electrical connection.
  • the first semiconductor switch 404 is a temperature-dependent one
  • Resistor 41 1 is connected in a heat-conducting manner, a temperature-dependent fault, in particular a temperature-dependent short circuit, being recognized by means of a comparator circuit 413 and the electrochemical energy store 401 being separated from at least one current conductor connection, for example by means of a
  • Figure 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the separation device according to the invention.
  • Energy storage system 500 comprises an electrochemical energy store 501 with a plurality of electrochemical energy storage cells 503 (1), 503 (2), 503 (3), 503 (n), a first current conductor connection 508 (1) and a second current conductor connection 508 (2) as well as the separation device 502 according to the invention.
  • the isolating device 502 comprises a first semiconductor switch 504, one
  • the first semiconductor switch 504 comprises two MOSFETs in the opposite direction, since these comprise a protective diode and can only block in one direction.
  • FIG. 6 shows a flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • an information signal is generated, in particular for a control device outside the electrochemical energy storage system, for example with a request to reduce a current electrical current flowing.
  • step 601 a predetermined waiting time, for example 100 ms, is waited for, then in step 602 the third semiconductor switch 106, 406 is closed and in
  • the first semiconductor switch 104, 404 opens essentially at the same time.
  • step 603 a further predetermined waiting time, for example 100 ms, is waited, then the third semiconductor switch 106, 406 is opened and the second semiconductor switch 205, 405 is closed essentially at the same time.
  • step 606 a trigger signal for triggering the separating element 107, 407 is generated, as a result of which the electrochemical energy store 101, 401 is disconnected from at least one current conductor connection 108 (1), 408 (1) if, in step 605, there is no response signal from the control device.

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Abstract

Trennvorrichtung für ein elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher mit einem ersten und einen zweiten Anschlusspol sowie einem ersten und einem zweiten Stromleiteranschluss, umfassend einen ersten Strompfad zwischen dem ersten Anschlusspol des elektrochemischen Energiespeichers und dem ersten Stromleiteranschluss mit einem ersten Halbleiterschalter und ein zum dem ersten Halbleiterschalter elektrisch in Serie geschaltetes Trennelement; und einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Halbleiterschalter, der elektrisch mit dem ersten Strompfad mittels eines ersten Stromabgriffs zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem in Serie geschalteten Trennelement und dem zweiten Anschlusspol des Energiespeichers verbunden ist; und einen dritten Strompfad mit einem dritten Halbleiterschalter, der elektrisch mit dem ersten Strompfad mittels eines zweiten Stromabgriffs zwischen dem Trennelement und dem ersten Stromleiteranschluss und dem zweiten Anschlusspol des elektrochemischen Energiespeichers verbunden ist; wobei durch unterschiedliche Schaltzustände der Halbleiterschalter ein Fehlerfall mindestens eines der Halbleiterschalter erkannt und durch Auslösen des Trennelements der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einem Stromleiteranschluss getrennt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Trennvorrichtung für ein elektrochemisches Energiespeichersvstem
Die Erfindung geht aus von einer Trennvorrichtung für ein elektrochemisches
Energiespeichersystem umfassend mindestens einen elektrochemischen
Energiespeicher mit einem ersten und einem zweiten Anschlusspol sowie einem ersten und einem zweiten Stromleiteranschluss, einem Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung für ein elektrochemisches Energiespeichersystem sowie einer Verwendung der Trennvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 199 44 833 A1 offenbart ein Mehrspannungsbordnetz mit wenigstens zwei von Masse verschiedenen Spannungen von beispielsweise 14 und 42 V, bei dem ein Generator, beispielsweise die Lichtmaschine eines Fahrzeugs eine der Spannungen erzeugt und die andere Spannung mittels eines Gleichspannungswandlers aus der ersten Spannung gebildet wird. Die beiden Spannungen dienen zur Versorgung zweier getrennter Gleichspannungsnetze. Als Kurzschlußschutz zwischen den beiden Spannungsebenen sind Mittel vorhanden, die einen Kurzschluß weitgehend verhindern und/oder Auswirkungen eines Kurzschlusses zwischen den beiden Spannungen vermindern und/oder gefährdete Verbraucher im Kurzschlußfall schützen oder abschalten.
Die Druckschrift DE 10 2010 033 047 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Fehlern in Kraftfahrzeugbordnetzen, insbesondere das Auftreten von Lichtbögen in Kraftfahrzeugbordnetzten mit höherer Spannung, wobei Spannung und Strom an den Eingangsklemmen jeder Komponente des entsprechenden Bordnetzes gemessen und diese Daten an eine Fehlerdetektionsschaltung übertragen werden. Aus dem Vergleich der gemessenen Spannungen, der Summe der Ströme oder der Summe der abgegebenen und ausgenommenen Leistungen kann die Fehlerdetektionsschaltung einen Fehlerzustand erkennen und einen Abschaltbefehl an geeignete Schaltmittel abgeben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die
Trennvorrichtung - einen ersten Strompfad zwischen dem ersten Anschlusspol des
elektrochemischen Energiespeichers und dem ersten Stromleiteranschluss mit einem ersten Halbleiterschalter und ein zum dem ersten
Halbleiterschalter elektrisch in Serie geschaltetes Trennelement; und
- einen zweiten Strompfad mit einem zweiten Halbleiterschalter, der elektrisch mit dem ersten Strompfad mittels eines ersten Stromabgriffs zwischen dem ersten Halbleiterschalter und dem in Serie geschalteten Trennelement und dem zweiten Anschlusspol des Energiespeichers verbunden ist; und
- einen dritten Strompfad mit einem dritten Halbleiterschalter, der elektrisch mit dem ersten Strompfad mittels eines zweiten Stromabgriffs zwischen dem Trennelement und dem ersten Stromleiteranschluss und dem zweiten Anschlusspol des elektrochemischen Energiespeichers verbunden ist; umfasst, wobei durch unterschiedliche Schaltzustände der Halbleiterschalter ein Fehlerfall mindestens eines der Halbleiterschalter erkannt und durch Auslösen des Trennelements der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einem Stromleiteranschluss getrennt wird.
Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher zuverlässig von den
Stromleiteranschlüssen getrennt werden und das elektrochemische
Energiespeichersystem in einen sicheren Zustand überführt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Trennelement umfasst eine Schmelzsicherung, eine elektronische Sicherung und/oder ein pyrotechnisches Trennelement. Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher reversibel oder irreversibel von zumindest einem
Stromleiteranschluss getrennt werden.
Die Trennvorrichtung umfasst ferner: - einen temperaturabhängigen Widerstand der mit dem ersten
Halbleiterschalter wärmeleitend verbunden ist und mittels einer mit dem temperaturabhängigen Widerstand elektrisch verbundenen
Komparatorschaltung ein temperaturabhängiger Fehlerfall, insbesondere ein temperaturabhängiger Kurzschluss, erkannt und der elektrochemische
Energiespeicher von zumindest einem Stromleiteranschluss getrennt wird.
Durch Integration einer derartigen Temperatursensierung kann eine über eine
Spezifikation hinausgehende Temperatur und/oder ein temperaturabhängiger
Kurzschluss erkannt werden.
Der temperaturabhängige Widerstand umfasst einen Heißleiter. Dadurch kann mittels einer Komparatorschaltung eine Abschaltung des elektrochemischen Energiespeichers erfolgen.
Der erste Halbleiterschalter, der zweite Halbleiterschalter und/oder der dritte
Halbleiterschalter umfassen mindestens einen Leistungs-MOSFET. Je nach
Ausführungsform kann es notwendig sein, dass der Halbleiterschalter beispielsweise zwei MOSFETs in entgegengesetzter Richtung umfasst, um einen Stromfluss schnellstmöglich zu unterbrechen.
Das Trennelement ist vorteilhafterweise als eine in eine Leiterplatte mit dem ersten Halbleiterschalter, dem zweiten Halbleiterschalter und/oder dem dritten
Halbleiterschalter eingebrachte Struktur ausgebildet, mittels der eine
Auslösecharakteristik des Trennelements vorgegeben wird. Durch einen kompletten Verguss kann eine zuverlässige Funktion des Trennelements gewährleistet werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung für ein elektrochemisches Energiespeichersystem, erkennt einen Fehlerfall mindestens eines der Halbleiterschalter,
- wenn bei geschlossenem ersten Halbleiterschalter der zweite
Halbleiterschalter geöffnet ist und der dritte Halbleiterschalter geschlossen ist; oder
- wenn bei geöffnetem ersten Halbleiterschalter der zweite Halbleiterschalter geschlossen ist und der dritte Halbleiterschalter geöffnet ist.
Zustandsübersicht:
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Das Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: a) Erzeugen eines Informationssignals, insbesondere für ein
Batteriemanagementsystem des elektrochemischen Energiespeichersystems oder eine Steuereinheit außerhalb des elektrochemischen
Energiespeichersystems, zum Reduzieren eines aktuell fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers;
b) Schließen des dritten Halbleiterschalters und im Wesentlichen zeitgleiches Öffnen des ersten Halbleiterschalters, wodurch der erste und der zweite Stromleiteranschluss kurzgeschlossen sind; c) Öffnen des dritten Halbleiterschalters und im Wesentlichen zeitgleiches
Schließen des zweiten Halbleiterschalters nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne;
d) Erzeugen eines Auslösesignals zum Auslösen des Trennelements, wodurch der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einem Stromleiteranschluss getrennt wird, wenn ein Antwortsignal, insbesondere des
Batteriemanagementsystems oder der Steuereinheit, auf das Informationssignal ausbleibt.
Die Umgebungsbedingung ist ein mittels der Komparatorschaltung anhand des temperaturabhängigen Widerstands ermittelter temperaturabhängiger Fehlerfall.
Dadurch kann eine über eine Spezifikation des Halbleiterschalters hinausgehende Temperatur und/oder ein temperaturabhängiger Kurzschluss erkannt werden.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Trennvorrichtung in elektrischen
Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In- Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer dritten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung; und
Figur 5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;
Figur 6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche
Vorrichtungskomponenten.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Ein
elektrochemisches Energiespeichersystem 100 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 101 mit einer Vielzahl von elektrochemischen
Energiespeicherzellen 103(1 ), 103(2), 103(3), 103(n), einen ersten
Stromleiteranschluss 108(1 ) und einen zweiten Stromleiteranschluss 108(2) sowie die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 102.
Die Trennvorrichtung 102 umfasst einem ersten Strompfad I zwischen einem ersten Anschlusspol 108(3) des elektrochemischen Energiespeichers 101 und dem ersten Stromleiteranschluss 108(1 ) mit einem ersten Halbleiterschalten 104 und ein zum ersten Halbleiterschalter 104 elektrisch in Serie geschaltetes Trennelement 107; und einen zweiten Strompfad II mit einem zweiten Halbleiterschalter 105, der elektrisch mit dem ersten Strompfad I mittels eines ersten Stromabgriffs 1 14(1 ) zwischen dem ersten Halbleiterschalters 104 und dem in Serie geschalteten Trennelement 107 und dem zweiten Anschlusspol 108(4) des Energiespeichers 101 verbunden ist; und einen dritten Strompfad III mit einem dritten Halbleiterschalter 106, der elektrisch mit dem ersten Strompfad I mittels eines zweiten Stromabgriffs 1 14(2) zwischen dem Trennelement 107 und dem ersten Stromleiteranschluss 108(1 ) und dem zweiten Anschlusspol 108(4) des elektrochemischen
Energiespeichers 101 verbunden ist. In einem normalen Betriebszustand des elektrochemischen
Energiespeichersystems 100 ist der erste Halbleiterschalter 104 geschlossen, der zweite Halbleiterschalter 105 und der dritte Halbleiterschalter 106 sind geöffnet. Dadurch sind der erste Stromleiteranschluss 108(1 ) und der erste Polanschluss 108(3) über den ersten Halbleiterschalter 104 und das Trennelement 107 sowie der zweite Stromleiteranschluss 108(2) mit dem zweiten Polanschluss 108(4) elektrisch verbunden.
In Figur 1 hingegen fließt ein elektrischer Strom 109, beispielsweise während eines Ladevorgangs, zunächst über den Strompfad I und dann über Strompfad II, da der erste Halbleiterschalter 104 und der dritte Halbleiterschalter 106 geöffnet sind und der zweite Halbleiterschalter 105 geschlossen ist. In einem nächsten Schritt wird das Trennelement 107 ausgelöst, da sich das elektrochemische
Energiespeichersystem 100 in der gezeigten ersten Schalterstellung in einem fehlerhaften Betriebszustand befindet, beispielsweise aufgrund eines Fehlers außerhalb des elektrochemischen Energiespeichers 101.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Ein elektrischer Strom 1 10 fließt, beispielsweise während eines Entladevorgangs, zunächst über den Strompfad I und dann über Strompfad III, da der erste Halbleiterschalter 104 und der dritte Halbleiterschalter 106 geschlossen sind und der zweite
Halbleiterschalter 105 geöffnet ist. In einem nächsten Schritt wird das Trennelement 107 ausgelöst, da sich das elektrochemische Energiespeichersystem 100 in der gezeigten zweiten Schalterstellung in einem Fehlermodus befindet, beispielsweise aufgrund eines Fehlers des ersten Halbleiterschalters 104.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Schalterstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Ein elektrischer Strom 1 1 1 fließt zunächst über den Strompfad I und dann über Strompfad III, da der erste Halbleiterschalter 104 und der zweite Halbleiterschalter 105 geöffnet sind und der dritte Halbleiterschalter 106 geschlossen ist, beispielsweise um eine
Freilaufspannung abzubauen.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Ein elektrochemisches
Energiespeichersystem 400 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 401 mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen 403(1 ), 403(2), 403(3), 403(n), einen ersten Stromleiteranschluss 408(1 ) und einen zweiten Stromleiteranschluss 408(2) sowie die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 402.
Die Trennvorrichtung 402 umfasst einen ersten Halbleiterschalter 404, einen zweiten Halbleiterschalter 405, einen dritten Halbleiterschalter 406 sowie ein Trennelement 407 zum Trennen einer elektrischen Verbindung.
Ferner ist mit dem ersten Halbleiterschalter 404 ein temperaturabhängiger
Widerstand 41 1 wärmeleitend verbunden, wobei mittels einer Komparatorschaltung 413 ein temperaturabgängiger Fehlerfall, insbesondere ein temperaturabhängiger Kurzschluss, erkannt und der elektrochemische Energiespeicher 401 von zumindest einem Stromleiteranschluss getrennt wird, beispielsweise mittels einer
Treiberschaltung 412 mit Entsättigungserkennung.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Ein elektrochemisches
Energiespeichersystem 500 umfasst einen elektrochemischen Energiespeicher 501 mit einer Vielzahl von elektrochemischen Energiespeicherzellen 503(1 ), 503(2), 503(3), 503(n), einen ersten Stromleiteranschluss 508(1 ) und einen zweiten Stromleiteranschluss 508(2) sowie die erfindungsgemäße Trennvorrichtung 502. Die Trennvorrichtung 502 umfasst einen ersten Halbleiterschalter 504, einen
zweiten Halbleiterschalter 505 sowie ein Trennelement 407 zum Trennen einer elektrischen Verbindung. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der erste Halbleiterschalter 504 zwei MOSFETs in entgegengesetzter Richtung, da diese eine Schutzdiode umfassen und nur in einer Richtung sperren können.
Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Schritt 600 wird ein Informationssignal erzeugt, insbesondere zum für ein Steuergerät außerhalb des elektrochemischen Energiespeichersystems, beispielsweise mit einer Anforderung zum Reduzieren eines aktuell fließenden elektrischen Stroms.
In Schritt 601 wird eine vorgegebene Wartezeit, beispielsweise 100 ms, gewartet, dann werden in Schritt 602 der dritte Halbleiterschalter 106, 406 geschlossen und im
Wesentlichen zeitgleich der erste Halbleiterschalter 104, 404 geöffnet.
In Schritt 603 wird eine weitere vorgegebene Wartezeit, beispielsweise 100 ms gewartet, dann werden der dritte Halbleiterschalter 106, 406 geöffnet und im Wesentlichen zeitgleich der zweite Halbleiterschalter 205, 405 geschlossen.
In Schritt 606 wird ein Auslösesignal zum Auslösen des Trennelements 107, 407 erzeugt, wodurch der elektrochemische Energiespeicher 101 , 401 von zumindest einem Stromleiteranschluss 108(1 ), 408(1 ) getrennt wird, wenn in Schritt 605 ein Antwortsignal des Steuergeräts ausbleibt.

Claims

Ansprüche
1. Trennvorrichtung (102, 402, 502) für ein elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 400, 500) umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher (101 , 401 , 501 ) mit einem ersten Anschlusspol und einem zweiten Anschlusspol (108(3), 108(4)) sowie einem ersten und einem zweiten Stromleiteranschluss (108(1 ), 108(2), 408(1 ), 408(2), 508(1 ), 508(2)), umfassend:
- einen ersten Strompfad (I) zwischen dem ersten Anschlusspol (108(3)) des elektrochemischen Energiespeichers (101 , 401 , 501 ) und dem ersten
Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) mit einem ersten
Halbleiterschalter (104, 404, 504) und ein zum ersten Halbleiterschalter (104, 404, 504) elektrisch in Serie geschaltetes Trennelement (107, 407, 507); und
- einen zweiten Strompfad (II) mit einem zweiten Halbleiterschalter (105, 405, 505), der elektrisch mit dem ersten Strompfad (I) mittels eines ersten
Stromabgriffs (114(1 )) zwischen dem ersten Halbleiterschalter (104, 404, 504) und dem in Serie geschalteten Trennelement (107, 407, 507) und dem zweiten Anschlusspol (108(4)) des Energiespeichers (101 , 401 , 501 ) verbunden ist; und
- einen dritten Strompfad (III) mit einem dritten Halbleiterschalter (106, 406), der elektrisch mit dem ersten Strompfad (I) mittels eines zweiten Stromabgriffs (1 14(2)) zwischen dem Trennelement (107, 407, 507) und dem ersten
Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) und dem zweiten Anschlusspol (108(4)) des elektrochemischen Energiespeichers (101 , 401 , 501 ) verbunden ist; wobei durch unterschiedliche Schaltzustände der Halbleiterschalter (104, 404, 504, 105, 405, 505, 106, 406) ein Fehlerfall mindestens eines der Halbleiterschalter (104, 404, 504, 105, 405, 505, 106, 406) erkannt und durch Auslösen des Trennelements (107, 407, 507) der elektrochemische Energiespeicher (101 , 401 , 501 ) von zumindest einem Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) getrennt wird.
2. Trennvorrichtung (102, 402, 502) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (107, 407, 507) eine Schmelzsicherung, eine elektronische Sicherung und/oder ein pyrotechnisches Trennelement umfasst.
3. Trennvorrichtung (102, 402, 502) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (102, 402, 502) ferner umfasst: - einen temperaturabhängigen Widerstand (411 ) der mit dem ersten
Halbleiterschalter (104, 404, 504) wärmeleitend verbunden ist und mittels einer mit dem temperaturabhängigen Widerstand (41 1 ) elektrisch verbundenen Komparatorschaltung (413) ein temperaturabhängiger Fehlerfall, insbesondere ein temperaturabhängiger Kurzschluss, erkannt und der elektrochemische Energiespeicher (101 , 401 , 501 ) von zumindest einem Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) getrennt wird.
4. Trennvorrichtung (102, 402, 502) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Widerstand (413) einen Heißleiter umfasst.
5. Trennvorrichtung (102, 402, 502) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Halbleiterschalter (104, 404, 504), der zweite Halbleiterschalter (105, 405, 505) und/oder der dritte Halbleiterschalter (106, 406) mindestens einen Leistungs-MOSFET umfassen.
6. Trennvorrichtung (102, 402, 502) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (107, 407, 507) als eine in eine Leiterplatte mit dem ersten Halbleiterschalter (104, 404, 504), dem zweiten
Halbleiterschalter (105, 405, 505) und/oder dem dritten Halbleiterschalter (106, 406) eingebrachte Struktur ausgebildet ist, mittels der eine Auslösecharakteristik des Trennelements (107, 407, 507) vorgegeben wird.
7. Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung (102, 402, 502) für ein
elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 400, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Fehlerfall mindestens eines der Halbleiterschalter (104, 404, 504, 105, 405, 505, 106, 406) erkannt wird,
- wenn bei geschlossenem ersten Halbleiterschalter (104, 404, 504) der zweite Halbleiterschalter (105, 405, 505) geöffnet ist und der dritte Halbleiterschalter (106, 406) geschlossen ist; oder
- wenn bei geöffnetem ersten Halbleiterschalter (104, 404, 504) der zweite
Halbleiterschalter (105, 405, 505) geschlossen ist und der dritte
Halbleiterschalter (106, 406) geöffnet ist.
8. Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung (102, 402, 502) für ein
elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 400, 500) gemäß Anspruch 7, ferner umfassend folgende Schritte:
a) Erzeugen eines Informationssignals (600), insbesondere für ein
Batteriemanagementsystem des elektrochemischen Energiespeichersystems (100, 400, 500) oder eine Steuereinheit außerhalb des elektrochemischen Energiespeichersystems (100, 400, 500), zum Reduzieren eines aktuell fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit einer Umgebungsbedingung des elektrochemischen Energiespeichers (101 , 401 , 501 );
b) Schließen des dritten Halbleiterschalters (106, 406) und im Wesentlichen
zeitgleiches Öffnen (602) des ersten Halbleiterschalters (104, 404, 504), wodurch der erste Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) und der zweite Stromleiteranschluss (108(2), 408(2), 508(2)) kurzgeschlossen sind;
c) Öffnen des dritten Halbleiterschalters (106, 406) und im Wesentlichen
zeitgleiches Schließen (604) des zweiten Halbleiterschalters (105, 405, 505) nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne (603);
d) Erzeugen eines Auslösesignals (606) zum Auslösen des Trennelements (107, 407, 507), wodurch der elektrochemische Energiespeicher von zumindest einem Stromleiteranschluss (108(1 ), 408(1 ), 508(1 )) getrennt wird, wenn ein Antwortsignal, insbesondere des Batteriemanagementsystems, auf das Informationssignal ausbleibt (605).
9. Verfahren zum Betreiben einer Trennvorrichtung (102, 402, 502) für ein
elektrochemisches Energiespeichersystem (100, 400, 500) gemäß Anspruch 8, wobei die Umgebungsbedingung ein mittels der Komparatorschaltung anhand des temperaturabhängigen Widerstands ermittelter temperaturabhängiger Fehlerfall ist.
10. Verwendung einer Trennvorrichtung (102, 402, 502) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in elektrischen Energiespeichersystemen (100, 400, 500) für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur
Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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