WO2022194442A1 - Vorrichtung zur sicherung eines aus einer gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen verbrauchers gegen einen überstrom - Google Patents

Vorrichtung zur sicherung eines aus einer gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen verbrauchers gegen einen überstrom Download PDF

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WO2022194442A1
WO2022194442A1 PCT/EP2022/052559 EP2022052559W WO2022194442A1 WO 2022194442 A1 WO2022194442 A1 WO 2022194442A1 EP 2022052559 W EP2022052559 W EP 2022052559W WO 2022194442 A1 WO2022194442 A1 WO 2022194442A1
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WO
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semiconductor switches
voltage source
low
overcurrent
switching state
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/052559
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English (en)
French (fr)
Inventor
Niklas VOLK
Julian FAULHABER
Original Assignee
Preh Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications

Definitions

  • the invention relates to a device and a circuit arrangement for securing an electrical consumer supplied from a DC voltage source against an overcurrent.
  • Fuses have the disadvantage that the disconnection is not reversible. They must always be replaced by physically intervening in the electrical system. Furthermore, they have a comparatively high resistance, which results in considerable power loss. Cooling of safety fuses is not feasible or at best via a power supply (i.e. the power supply itself).
  • the invention has for its object to provide an improved device for protecting consumers in DC voltage systems and such a circuit arrangement, which on the one hand Ensure supply of the consumer with a high level of efficiency (ie low power loss) and at the same time protect it effectively against overcurrents.
  • the device should also be compact, maintenance-free and inexpensive.
  • the device should be flexibly adaptable (ie scalable) to different applications, which in particular have significantly different performance requirements, without great effort.
  • a term “approximately” used herein is intended to indicate a tolerance range that the person skilled in the art working in the present field regards as usual.
  • the term “approximately” means a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to understood maximum +/-10%.
  • Relative terms relating to a feature are to be interpreted within the scope of the invention in such a way that production and/or implementation-related size deviations are taken into account of the feature in question, which lie within the manufacturing/performance tolerances defined for the respective manufacture or implementation of the feature in question, are not covered by the respective relative term.
  • a size of a feature is only then as z. B. "bigger”, “smaller”, “higher”, “lower” and the like.
  • To be regarded as a size of a comparative feature if the two compared sizes differ so significantly in value that this size difference is certainly not in the production -/implementation-related tolerance range of the characteristic in question, but is the result of targeted action.
  • a device for protecting an electrical load supplied from a DC voltage source against an overcurrent has two anti-serial (also referred to as back-to-back connection) interconnected semiconductor switches, one of which can be electrically connected to the DC voltage source on the input side or is connected (e.g. to a positive pole of the DC voltage source) and the other output side can be electrically connected or is connected to the consumer.
  • the semiconductor switches can each be switched selectively and reversibly between a low-impedance and a high-impedance switching state by means of an electronic control device (e.g. microcontroller, microprocessor, application-specific integrated circuit (ASIC) and the like).
  • the control device is designed and set up to switch the semiconductor switch to its high-impedance switching state when the overcurrent occurs above a predetermined current limit value and to switch it to its low-impedance switching state below the current limit value.
  • the anti-serial connection of the two semiconductor switches according to the invention creates a bidirectional semiconductor switch that can be scaled as desired with the specific electrical power specification of the respective application, with different safety functions being able to be implemented in a particularly advantageous manner by means of the switch control effected by the control device without great effort.
  • the reversible switching operations of the semiconductor switches provide a maintenance-free device, since no physical maintenance interventions in the DC voltage system, such as blowing a fuse, are required. On a fuse can are omitted in the present invention.
  • the entire bidirectional protection of the system can also be carried out on a single circuit board to save installation space. Cooling of the device can either be omitted or be implemented with little effort, for example by direct cooling of the semiconductor switches.
  • the two anti-serially connected semiconductor switches can also be referred to as high-side switches.
  • the semiconductor switches are each designed as MOSFETs.
  • MOSFETs Top Side Cooling MOSFETs
  • MOSFETs generate significantly lower conduction losses than, for example, a safety fuse, which further reduces the cooling requirements.
  • the semiconductor switches can each have a passive freewheel. This can be integrated directly in the semiconductor switch itself and/or be provided externally on the semiconductor switch as an additional freewheeling circuit.
  • the device has at least one shunt, ie resistor, connected in series with the semiconductor switches, the control device for overcurrent detection being electrically connected to the shunt.
  • the control device is designed to determine the current flowing through the semiconductor switches and, on the basis of the current value determined, to bring about an interruption in the current flow by switching the semiconductor switches accordingly. The backup function is thus mapped using a current measurement.
  • a comparator stage with an upstream cascadable RC element can also be provided, for example to compare the instantaneous current flow through the semiconductor switches with the predeterminable current limit value.
  • the result of the comparison can be sent to the control device for be made available, so that this switches the semiconductor switch according to the security function to be implemented.
  • control device can also be prompted to open or close the semiconductor switches in response to commands received from additional control units external to the device.
  • the control device has a corresponding communication link (e.g. communication bus) with the device-external control units.
  • the shunt can be connected between the semiconductor switches, in each case connecting a connection of the semiconductor switches to one another.
  • the respective sources of the two semiconductor switches can be connected together (i.e. back-to-back arrangement) with the interposition of the shunt.
  • the shunt has a resistance of less than 1 GTIW, preferably less than 300 mW, even more preferably less than 150 mW, in particular approximately 125 mW. This enables a sufficiently reliable current measurement and reduces heat losses across the shunt.
  • the semiconductor switches each have a maximum line resistance of less than 5 GTIW, preferably less than 3 GTIW, most preferably less than 1 GTIW in their low-impedance switching state. In this way, the power loss generated at the semiconductor switches is kept low.
  • the semiconductor switches can each have a maximum switching time for switching from their low-impedance switching state to the high-impedance switching state of less than 10 ms and particularly preferably less than 6 ms. In this way, the consumer is reliably protected from being overloaded by an overcurrent.
  • the current limit value can be predetermined to a range between 900 A and 1100 A, in particular to 1000 A. The invention thus ensures the electrical supply of high-power consumers as well.
  • the semiconductor switch which can be connected or connected to the DC voltage source is/are preferably designed and set up to work properly with a nominal DC voltage on the input side of approximately 12 V, 24 V or 48 V.
  • the DC voltage source can be a low-voltage battery of a motor vehicle, for example.
  • the consumer can be, for example, a low-voltage electrical system of the motor vehicle.
  • a low-voltage voltage is understood to be an electrical voltage of less than or equal to 60 V, namely, e.g. B. 6V, 12V, 24V, 48V or 60V.
  • a circuit arrangement which has an electrical load, a DC voltage source for the electrical supply of the load and a device, in particular a device according to one of the configurations disclosed herein, for securing the load supplied from the DC voltage source against a Has overcurrent, the device having two anti-serially connected semiconductor switches (z. B. MOSFETs), one of which is electrically connected to the input side with the DC voltage source and the other is electrically connected from the output side to the consumer.
  • z. B. MOSFETs two anti-serially connected semiconductor switches
  • the semiconductor switches can each be switched selectively and reversibly between a low-impedance and a high-impedance switching state by means of an electronic control device, with the control device being designed and set up to switch the semiconductor switches to their high-impedance switching state when the overcurrent occurs above a predeterminable current limit value and to switch them below the To switch current limit value in their low-impedance switching state.
  • the DC voltage source can be in the form of a lithium polymer battery.
  • other implementations of the DC voltage source for example as a lithium-ion battery or lead-acid battery, are not excluded from the invention, even if the design as a lithium-polymer battery is viewed as particularly preferred, since this additional safety requirements for a provide proper operation that he will be fulfilled by the invention.
  • the DC voltage source can provide a nominal voltage of 12 V, for example.
  • Other voltage values such. B. 24 V or 48 V are also conceivable.
  • the scalability of the circuit arrangement can be flexibly increased as desired by connecting, for example, two or three or even more devices according to the invention for securing the electrical load/s supplied from the DC voltage source between the DC voltage source and the consumer or consumers an overcurrent multiple devices (1) are connected in a parallel circuit (i.e. connected in parallel).
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of a circuit arrangement 1 with a device 2 according to the invention.
  • the device 2 is used to secure an electrical load R supplied from a DC voltage source 3 against an overcurrent I.
  • the DC voltage source can be designed as a lithium polymer or lithium ion battery, for example.
  • the device 2 has two anti-serially connected semiconductor switches Ml and M2, one of which (M2) is electrically connected to the DC voltage source 3 on the input side and the other (Ml) is electrically connected to the consumer R on the output side connected is.
  • the semiconductor switches are designed as MOSFETs in the present case, so that the semiconductor switch M2 is connected to the DC voltage source 3 with its drain connection by means of a power supply connection 5 of the device 2 and the semiconductor switch M1 is also connected with its drain connection by means of a consumer connection 6 the device 2 is connected to the consumer R.
  • the exemplary device 2 shown in FIG. 1 has an electronic control device 4, which can be implemented, for example, as a microcontroller, microprocessor, ASIC or the like.
  • the semiconductor switches M1, M2 can each be switched selectively and reversibly between a low-impedance and a high-impedance switching state by means of this control device 4.
  • the control device 4 is designed to switch the semiconductor switches M1, M2 to their high-impedance switching state when the overcurrent I occurs above a predeterminable current limit value and to switch them to their low-impedance switching state below the current limit value.
  • the semiconductor switches M1, M2 each have a passive freewheel, not shown in any more detail.
  • FIG. 1 shows a shunt RS connected in series with the semiconductor switches M1, M2.
  • the control device 4 is electrically connected to the shunt RS for overcurrent detection and is able in this way to determine a current measurement of the current I actually flowing through the semiconductor switches M1, M2 in order to perform the desired safety function depending on the measurement result.
  • the shunt RS is between the semiconductor switches M1, M2, i.e. connecting their respective source connections to one another, switched.
  • the DC voltage source 3 can be, for example, a low-voltage battery, in particular a lithium-polymer battery, of a motor vehicle (not shown).
  • the consumer R can be a low-voltage vehicle electrical system, for example.
  • low-voltage is an electrical voltage of less than or equal to 60 V, e.g. B. 6V, 12V, 24V, 48V.
  • the device according to the invention disclosed herein and the circuit arrangement for protecting an electrical load supplied from a DC voltage source against an overcurrent are not limited to the concrete embodiments described in each case, but also include other embodiments that have the same effect and result from other technically meaningful combinations of the features described here of all objects of the invention.
  • the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the present invention leaving.
  • the device or circuit arrangement according to the invention is used with such a device in a motor vehicle, with the DC voltage source being a low-voltage battery of the motor vehicle and the consumer using a low-voltage vehicle electrical system (e.g. 12 V, 24 V or 48 V -On-board network) of the motor vehicle.
  • a low-voltage vehicle electrical system e.g. 12 V, 24 V or 48 V -On-board network

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Sicherung eines aus einer Gleichspannungsquelle (3) versorgten elektrischen Verbrauchers (R) gegen einen Überstrom (I), aufweisend zwei anti-seriell verschaltete Halbleiterschalter (M1, M2), von denen der eine (M2) eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle (3) elektrisch verbindbar ist und der andere (M1) ausgangsseitige mit dem Verbraucher (R) elektrisch verbindbar ist, wobei die Halbleiterschalter (M1, M2) jeweils mittels einer elektronischen Steuereinrichtung (4) wahlweise und reversibel zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzustand schaltbar sind, wobei die Steuereinrichtung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, die Halbleiterschalter (M1, M2) bei Auftreten des Überstroms (I) oberhalb eines vorbestimmbaren Stromgrenzwerts jeweils in ihren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und unterhalb des Stromgrenzwerts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzustand zu schalten.

Description

Vorrichtung zur Sicherung eines aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen Verbrauchers gegen einen Überstrom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Schaltungsanordnung zur Siche rung eines aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten elektrischen Verbrau chers gegen einen Überstrom.
In Gleichspannungsübertragungssystemen müssen Leitungen und elektrische Komponenten adäquat abgesichert werden. In einem Fehlerfall (z. B. Kurz schluss) muss ein Überstrom erkannt und stets bidirektional abgeschaltet wer den, um auch ein Rückspeisen aus dem elektrischen System zu verhindern.
Es ist allgemein bekannt, zur Absicherung von Gleichspannungsübertragungs systemen Schmelzsicherungen oder Pyrosicherungen mit harter Überstromauslö sung einzusetzen, die ab einem definierten Stromschwellenwert hart trennen und keine Sicherungscharakteristik aufweisen.
Schmelzsicherungen haben den Nachteil, dass die Trennung nicht reversibel ist. Sie müssen stets durch einen physischen Eingriff in das elektrische System ge tauscht werden. Ferner weisen sie einen vergleichsweise hohen Widerstand auf, was in erheblicher Verlustleistung resultiert. Eine Kühlung von Schmelzsicherun gen ist nicht oder bestenfalls über eine Stromscheine (d. h. Stromzuleitung selbst) realisierbar.
Außerdem ist es bekannt, Gleichströme in derartigen Gleichspannungsübertra gungssystemen mittels Halbleiterschaltern, z. B. High-Side-Schalter, zu schal ten. Jedoch muss ein solcher Schalter stets so skaliert werden, dass er die Zeit bis zum Auslösen bzw. Durchschmelzen einer nachgeschalteten Schmelzsiche rung unbeschadet überlebt. Zudem erfordert die Kombination aus einer Schmelzsicherung und einem High-Side-Schalter einen großen Bauraum und er höht die Kosten.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbes serte Vorrichtung zum Schutz von Verbrauchern in Gleichspannungssystemen sowie eine derartige Schaltungsanordnung bereitzustellen, die einerseits eine Versorgung des Verbrauchers mit einem hohen Wirkungsgrad (d. h. geringer Verlustleistung) gewährleisten und diesen zugleich wirksam gegen Überströme schützen. Die Vorrichtung soll zudem kompakt bauen, wartungsfrei und kosten günstig sein. Außerdem soll die Vorrichtung ohne großen Aufwand flexibel an unterschiedliche Anwendungsfälle, die insbesondere signifikant verschiedene Leistungsanforderungen aufweisen, anpassbar (d. h. skalierbar) sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des An spruchs 11 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert wer den können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder" stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ge genstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa" einen Toleranzbereich an geben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa" ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.
Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer", „kleiner", „höher", „niedriger" und dergleichen, sind im Rahmen der Erfindung so auszule gen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs- /Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff er fasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als z. B. „größer", „kleiner", „höher", „niedriger" u. dgl. anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung zur Sicherung eines aus einer Gleich spannungsquelle versorgten elektrischen Verbrauchers gegen einen Überstrom zwei anti-seriell (auch als Back-to-Back-Verschaltung bezeichnet) verschaltete Halbleiterschalter auf, von denen der eine eingangsseitig mit der Gleichspan nungsquelle elektrisch verbindbar bzw. verbunden ist (z. B. an einem positiven Pol der Gleichspannungsquelle) und der andere ausgangsseitige mit dem Ver braucher elektrisch verbindbar bzw. verbunden ist. Die Halbleiterschalter sind jeweils mittels einer elektronischen Steuereinrichtung (z. B. Mikrocontroller, Mik roprozessor, anwendungsspeifische integrierte Schaltung (ASIC) u. dgl.) wahl weise und reversibel zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzustand schaltbar. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet und eingerichtet, die Halbleiterschalter bei Auftreten des Überstroms oberhalb eines vorbestimm baren Stromgrenzwerts jeweils in ihren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und unterhalb des Stromgrenzwerts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzu stand zu schalten.
Die erfindungsgemäße anti-serielle Verschaltung der beiden Halbleiterschalter schafft einen bidirektionalen Halbleiterschalter, der beliebig mit der konkreten elektrischen Leistungsvorgabe des jeweiligen Anwendungsfalls skalierbar ist, wobei in besonders vorteilhafter Weise unterschiedliche Sicherungsfunktionen mittels der durch die Steuereinrichtung bewirkten Schalteransteuerung ohne großen Aufwand realisierbar sind. Die reversiblen Schaltvorgänge der Halbleiter schalter stellen eine wartungsfreie Vorrichtung bereit, da keine physischen War tungseingriffe im Gleichspannungssystem, wie zum Beispiel beim Durchschmel zen einer Schmelzsicherung, erforderlich sind. Auf eine Schmelzsicherung kann bei der vorliegenden Erfindung verzichtet werden. Die gesamte bidirektionale Absicherung des Systems kann zudem bauraumsparend auf einer einzigen Plati ne erfolgen. Eine Kühlung der Vorrichtung kann entweder entfallen oder mit ge ringem Aufwand, zum Beispiel durch direkte Kühlung der Halbleiterschalter, rea lisiert werden.
Bei einem beispielhaften Anschluss der Vorrichtung an einen positiven Pol der Gleichspannungsquelle können die beiden anti-seriell verschalteten Halbleiter schalter auch als High-Side-Schalter bezeichnet werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Halbleiterschalter jeweils als MOSFET ausgebildet. Die Möglichkeit der Nutzung von beispielsweise so genannten „Top Side Cooling MOSFETs" erleichtert die Kühlanbindung zusätz lich, sofern eine Kühlung erforderlich ist. Zudem erzeugen MOSFETs deutlich ge ringere Durchlassverluste als beispielsweise eine Schmelzsicherung, was die Kühlanforderungen nochmals verringert.
Weiterhin können die Halbleiterschalter jeweils einen passiven Freilauf aufwei sen. Dieser kann direkt im Halbleiterschalter selbst integriert sein und/oder als zusätzliche Freilaufschaltung extern am Halbleiterschalter vorgesehen sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrich tung wenigstens einen in Reihe zu den Halbleiterschaltern geschalteten Shunt, das heißt Widerstand, wobei die Steuereinrichtung zur Überstromerkennung mit dem Shunt elektrisch verbunden ist. In anderen Worten ist die Steuereinrichtung ausgebildet, den durch die Halbleiterschalter fließenden Strom zu ermitteln und auf Basis des ermittelten Stromwerts eine Unterbrechung des Stromflusses durch entsprechendes Schalten der Halbleiterschalter zu bewirken. Die Siche rungsfunktion wird also durch den Einsatz einer Strommessung abgebildet.
Optional kann zusätzlich eine Komparatorstufe mit einem vorgelagerten kaska- dierbaren RC-Glied vorgesehen sein, um beispielsweise den augenblicklichen Stromfluss durch die Halbleiterschalter mit dem vorbestimmbaren Stromgrenz wert zu vergleichen. Das Vergleichsergebnis kann der Steuereinrichtung zur Ver- fügung gestellt werden, so dass diese die Halbleiterschalter entsprechend der zu realisierenden Sicherungsfunktion schaltet.
Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung auch auf erhaltene Kommandos von vorrichtungsexternen weiteren Steuereinheiten veranlasst werden, die Halb leiterschalter zu öffnen bzw. zu schließen. Hierzu weist die Steuereinrichtung eine entsprechende Kommunikationsanbindung (z. B. Kommunikationsbus) mit den vorrichtungsexternen Steuereinheiten auf.
Besonders bevorzugt kann der Shunt zwischen die Halbleiterschalter jeweils ei nen Anschluss der Halbleiterschalter miteinander verbindend geschaltet sein. Im Fall von MOSFET-Schaltern können beispielsweise die jeweiligen Source- Anschlüsse der beiden Halbleiterschalter (d. h. Back-to-Back-Anordnung) unter Zwischenschaltung des Shunt miteinander zusammengeschlossen sein.
Der Shunt weist gemäß vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands einen Widerstand kleiner als 1 GTIW, bevorzugt kleiner als 300 mW, noch bevor zugter kleiner als 150 mW, insbesondere etwa 125 mW auf. Dies ermöglicht eine ausreichend zuverlässige Strommessung und senkt die Wärmeverluste über dem Shunt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung weisen die Halbleiter schalter in ihrem niederohmigen Schaltzustand jeweils einen maximalen Lei tungswiderstand kleiner als 5 GTIW, bevorzugt kleiner als 3 GTIW, am meisten be vorzugt kleiner als 1 GTIW auf. Derart wird die an den Halbleiterschaltern erzeugte Verlustleistung geringgehalten.
Für eine hohe Sicherheitsleistung können die Halbleiterschalter jeweils eine ma ximale Schaltzeit für das Schalten von ihrem niederohmigen Schaltzustand in den hochohmigen Schaltzustand von kleiner 10 ms und besonders bevorzugt kleiner als 6 ms aufweisen. So wird der Verbraucher zuverlässig vor einer Über lastung durch einen Überstrom geschützt. Der Stromgrenzwert kann auf einen Bereich zwischen 900 A und 1100 A, insbe sondere auf 1000 A, vorbestimmt sein. Damit stellt die Erfindung die elektrische Versorgung auch leistungsstarker Verbraucher sicher.
Bevorzugt ist/sind die mit der Gleichspannungsquelle verbindbaren bzw. verbun denen Halbleiterschalter ausgebildet und eingerichtet, bei einer eingangsseitigen Nenngleichspannung von etwa 12 V, 24 V oder 48 V ordnungsgemäß zu arbei ten.
Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine Niedervoltbatterie eines Kraftfahrzeugs sein. In diesem Fall kann der Verbraucher beispielsweise ein Nie dervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs sein. Als Niedervoltspannung wird hierbei eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, nämlich z. B. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die einen elektrischen Verbraucher, eine Gleichspannungsquelle zur elektrischen Versorgung des Verbrauchers und eine Vorrichtung, insbesonde re eine Vorrichtung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen, zur Si cherung des aus der Gleichspannungsquelle versorgten Verbrauchers gegen ei nen Überstrom aufweist, wobei die Vorrichtung zwei anti-seriell verschaltete Halbleiterschalter (z. B. MOSFETs) aufweist, von denen der eine eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist und der andere aus gangsseitige mit dem Verbraucher elektrisch verbunden ist. Die Halbleiterschal ter sind jeweils mittels einer elektronischen Steuereinrichtung wahlweise und reversibel zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzu stand schaltbar, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, die Halbleiterschalter bei Auftreten des Überstroms oberhalb eines vorbestimmbaren Stromgrenzwerts jeweils in ihren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und unterhalb des Stromgrenzwerts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzustand zu schalten.
Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich anordnungsbezogener Begriffsdefiniti onen sowie der Wirkungen und Vorteile anordnungsgemäßer Merkmale vollum fänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zurückgegriffen werden kann und umge kehrt. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß glei cher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Be schreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Ein schränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.
Die Gleichspannungsquelle kann als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgebildet sein. Andere Implementierungen der Gleichspannungsquelle, beispielsweise als Lithium-Ionen-Akku oder Blei-Säure-Batterie, sind von der Erfindung jedoch nicht ausgeschlossen, auch wenn die Ausführung als Lithium-Polymer-Akku als besonders bevorzugt angesehen wird, da diese zusätzliche Sicherheitsanforde rungen für einen ordnungsgemäßen Betriebs stellen, die durch die Erfindung er füllt werden.
Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise eine Nennspannung von 12 V bereitstellen. Andere Spannungswerte wie z. B. 24 V oder 48 V sind ebenfalls denkbar.
Die Skalierbarkeit der Schaltungsanordnung kann flexibel dadurch beliebig ge steigert werden, dass zwischen die Gleichspannungsquelle und den Verbraucher oder mehrere Verbraucher zum Beispiel zwei oder drei oder noch mehr Vorrich tungen gemäß der Erfindung zur Sicherung des/der aus der Gleichspannungs quelle versorgten elektrischen Verbraucher/s gegen einen Überstrom mehrere Vorrichtungen (1) in einer Parallelschaltung geschaltet (d. h. parallelgeschaltet) sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er läutert wird.
In der Zeichnung zeigt die einzige Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines Ausfüh rungsbeispiels eine Schaltungsanordnung 1 mit einer Vorrichtung 2 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 2 dient zur Sicherung eines aus einer Gleichspan nungsquelle 3 versorgten elektrischen Verbrauchers R gegen einen Überstrom I. Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise als Lithium-Polymer- oder Lithi- um-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein.
In Fig. 1 ist zu erkennen, dass die Vorrichtung 2 zwei anti-seriell verschaltete Halbleiterschalter Ml und M2 aufweist, von denen der eine (M2) eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle 3 elektrisch verbunden ist und der andere (Ml) ausgangsseitige mit dem Verbraucher R elektrisch verbunden ist. Insbesondere sind die Halbleiterschalter im vorliegenden Fall als MOSFETs ausgebildet, so dass der Halbleiterschalter M2 mit seinem Drain-Anschluss vermittels eines Stromver sorgungsanschlusses 5 der Vorrichtung 2 an die Gleichspannungsquelle 3 ange schlossen ist und der Halbleiterschalter Ml ebenfalls mit seinem Drain-Anschluss vermittels eines Verbraucheranschlusses 6 der Vorrichtung 2 an den Verbrau cher R angeschlossen ist.
Des Weiteren weist die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Vorrichtung 2 eine elekt ronischen Steuereinrichtung 4 auf, die beispielsweise als Mikrocontroller, Mikro prozessor, ASIC o. ä. ausgeführt sein kann. Die Halbleiterschalter Ml, M2 sind jeweils mittels dieser Steuereinrichtung 4 wahlweise und reversibel zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzustand schaltbar. Die Steuereinrichtung 4 ist ausgebildet, die Halbleiterschalter Ml, M2 bei Auftreten des Überstroms I oberhalb eines vorbestimmbaren Stromgrenzwerts jeweils in ihren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und unterhalb des Stromgrenz werts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzustand zu schalten.
Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 bzw. der Vorrichtung 2 weisen die Halbleiterschalter Ml, M2 jeweils einen nicht näher gezeigten passiven Freilauf auf.
Des Weiteren zeigt Fig. 1 einen in Reihe zu den Halbleiterschaltern Ml, M2 ge schalteten Shunt RS. Die Steuereinrichtung 4 ist zur Überstromerkennung mit dem Shunt RS elektrisch verbunden und vermag auf diese Weise eine Strom messung des tatsächlich durch die Halbleiterschalter Ml, M2 fließenden Stroms I zu ermitteln, um abhängig von dem Messergebnis die gewünschte Sicherungs funktion zu leisten. Vorliegend ist der Shunt RS zwischen die Halbleiterschalter Ml, M2, das heißt deren jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbindend, geschaltet.
Die Gleichspannungsquelle 3 kann beispielsweise eine Niedervoltbatterie, insbe sondere ein Lithium-Polymer-Akkumulator, eines Kraftfahrzeugs (nicht darge- stellt) sein. In diesem Fall kann der Verbraucher R beispielsweise ein Niedervolt bordnetz des Kraftfahrzeugs sein. Als Niedervoltspannung gilt hierin eine elektri sche Spannung kleiner oder gleich 60 V, z. B. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V.
Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung sowie Schaltungsanordnung zur Sicherung eines aus einer Gleichspannungsquelle versorgten elektrischen Verbrauchers gegen einen Überstrom sind nicht auf die hierin jeweils beschrie benen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu ver- lassen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Schaltungsanordnung mit einer solchen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug verwendet, wobei die Gleichspannungsquelle eine Niedervoltbatterie des Kraft- fahrzeugs ist und der Verbraucher ein Niedervoltbordnetz (z. B. 12 V-, 24 V- oder 48 V-Bordnetz) des Kraftfahrzeugs ist.
Bezugszeichenliste
1 Schaltungsanordnung 2 Vorrichtung
3 Gleichspannungsquelle
4 Steuereinrichtung
5 Stromversorgungsanschluss
6 Verbraucheranschluss
DC Gleichspannung
I Strom
Ml, M2 Halbleiterschalter
R Verbraucher RS Shunt-Widerstand

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (2) zur Sicherung eines aus einer Gleichspannungsquelle (3) versorgten elektrischen Verbrauchers (R) gegen einen Überstrom (I), auf- weisend zwei anti-seriell verschaltete Halbleiterschalter (Ml, M2), von de nen der eine (M2) eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle (3) elektrisch verbindbar ist und der andere (Ml) ausgangsseitige mit dem Verbraucher (R) elektrisch verbindbar ist, wobei die Halbleiterschalter (Ml, M2) jeweils mittels einer elektronischen Steuereinrichtung (4) wahlweise und reversibel zwischen einem niederohmigen und einem hochohmigen Schaltzustand schaltbar sind, wobei die Steuereinrichtung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, die Halbleiterschalter (Ml, M2) bei Auftreten des Über stroms (I) oberhalb eines vorbestimmbaren Stromgrenzwerts jeweils in ih ren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und unterhalb des Strom grenzwerts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzustand zu schalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (Ml, M2) jeweils als ein MOSFET ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (Ml, M2) jeweils einen passiven Freilauf aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen in Reihe zu den Halbleiterschaltern (Ml, M2) geschalteten Shunt (RS), wobei die Steuereinrichtung (4) zur Überstromerkennung mit dem Shunt (RS) elektrisch verbunden ist.
5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Shunt (RS) zwischen die Halbleiterschalter (Ml, M2) jeweils einen An schluss der Halbleiterschalter (Ml, M2) miteinander verbindend geschaltet ist.
6. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Shunt (RS) einen Widerstand kleiner als 1 GTIW, bevorzugt kleiner als 300 mW, noch bevorzugter kleiner als 150 mW, insbesondere etwa 125 mW aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (Ml, M2) in ihrem niederohmigen Schaltzustand je weils einen maximalen Leitungswiderstand kleiner als 5 GTIW, bevorzugt kleiner als 3 GTIW, am meisten bevorzugt kleiner als 1 GTIW aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (Ml, M2) jeweils eine maximale Schaltzeit für das Schalten von ihrem niederohmigen Schaltzustand in den hochohmigen Schaltzustand von kleiner 10 ms, bevorzugter kleiner als 6 ms aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch der Stromgrenzwert auf einen Bereich zwischen 900 A und 1100 A, insbe sondere auf 1000 A, vorbestimmt ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Gleichspannungsquelle (3) verbindbare Halbleiterschalter (M2) ausgebildet und eingerichtet ist, bei einer eingangsseitigen Nenngleich spannung von 12 V, 24 V oder 48 V zu arbeiten.
11. Schaltungsanordnung (1) aufweisend einen elektrischen Verbraucher (R), eine Gleichspannungsquelle (3) zur elektrischen Versorgung des Verbrau- chers (R) und eine Vorrichtung (2), insbesondere Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Sicherung des aus der Gleichspan nungsquelle (3) versorgten Verbrauchers (R) gegen einen Überstrom (I), wobei die Vorrichtung zwei anti-seriell verschaltete Halbleiterschalter (Ml, M2) aufweist, von denen der eine (M2) eingangsseitig mit der Gleichspan nungsquelle (3) elektrisch verbunden ist und der andere (Ml) ausgangssei tige mit dem Verbraucher (R) elektrisch verbunden ist, wobei die Halb leiterschalter (Ml, M2) jeweils mittels einer elektronischen Steuereinrich tung (4) wahlweise und reversibel zwischen einem niederohmigen und ei nem hochohmigen Schaltzustand schaltbar sind, wobei die Steuereinrich tung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, die Halbleiterschalter (Ml, M2) bei Auftreten des Überstroms (I) oberhalb eines vorbestimmbaren Strom grenzwerts jeweils in ihren hochohmigen Schaltzustand zu schalten und un terhalb des Stromgrenzwerts jeweils in ihren niederohmigen Schaltzustand zu schalten.
12. Schaltungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (3) als Lithium-Polymer-Akkumulator ausgebil det ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorrichtungen (2) in einer Parallelschaltung zwischen die Gleich spannungsquelle (3) und den Verbraucher (R) geschaltet sind.
14. Verwendung einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in einem Kraftfahrzeug, wobei die Gleichspannungsquelle (3) eine Niedervoltbatterie des Kraftfahrzeugs ist und der Verbraucher (R) ein Nie- dervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120235661A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Infineon Technologies Ag Controlling a Current Between a Source and a Load
EP2806444A1 (de) * 2013-05-21 2014-11-26 GE Energy Power Conversion Technology Ltd Vorrichtung und Verfahren zur Unterbrechung des Stroms in einem Leistungsübertragungs- oder Verteilungssystem
EP3771054A1 (de) * 2019-07-25 2021-01-27 Siemens Aktiengesellschaft Überstromschutzvorrichtung für ein gleichstromnetz

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