Trennschaltervorrichtung für ein Batteriesystem

Der Erfindung betrifft eine Trennschaltervorrichtung für ein Batteriesystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem, das die Trennschaltervorrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren und eine Batteriesteuereinheit zum Betreiben der Trennschaltervorrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Lithium-Ionen-Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien insbesondere bei Automotiv-Anwendungen häufig anzutreffen. Jedoch erfordert das chemisch instabile Verhalten der Zellen der Lithium-Ionen-Batterien unter kritischen Bedingungen einen vorsichtigen Umgang mit den Lithium-Ionen-Batterien. Im Falle eines Verkehrsunfalls müssen Lithium-Ionen-Batterien selbständig von elektrischen Verbrauchern abtrennbar sein.

Um den Zustand einer Batterie zu überwachen und die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten, werden in den überwiegenden Fällen Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt. Solche Batteriemanagementsysteme sind in der Regel mit einem elektronisch gesteuerten Trennschalter ausgestattet, der die Batterie unter kritischen Bedingungen, die zu gefährlichen Reaktionen führen können, vom Ladegerät oder der Last trennt. Insbesondere in einem Kurzschlussfall ist ein schnelles und sicheres Abtrennen der Batterie zu gewährleisten. Derzeit werden hierbei noch überwiegend mechanische Relais als Trennschalter eingesetzt. In Bezug auf eine höhere Schaltgeschwindigkeit kann jedoch eine halbleiterbasierte Lösung gegenüber einem mechanischen Relais deutliche Vorteile bieten.

Insbesondere beim halbautonomen oder autonomen Fahren sind die Anforderungen an die Verfügbarkeit von elektrisch unterstützen oder rein elektrisch ausgeführten, sicherheitsrelevanten Funktionen sehr hoch. Unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 können solche Funktionen mit einer Verfügbarkeit nach Einstufung ASIL C oder D klassifiziert sein. Die Trennschalter müssen demnach sehr hohe Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsanforderungen nach ASIL C oder D erfüllen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, eine Trennschaltervorrichtung für ein Batteriesystem anzugeben, die eine verbesserte Diagnosemöglichkeit und/oder eine höhere Zuverlässigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Trennschaltervorrichtung für ein Batteriesystem einen Trennschalter zur Trennung einer Batterieeinheit des Batteriesystems von einer Last oder einer Ladestation auf. Der Trennschalter weist zumindest zwei parallelgeschaltete bidirektionale Halbleiterschalteinheiten auf. Die zumindest zwei Halbleiterschalteinheiten weisen jeweils eine Serienschaltung von zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) auf, wobei die Source-Anschlüsse der zwei MOSFETs miteinander verbunden sind und die Drain-Anschlüsse der MOSFETs in die jeweilige Halbleiterschalteinheit hineinbeziehungsweise aus der jeweiligen Halbleiterschalteinheit herausführen. Solch eine Konfiguration wird auch als Back-to-Back-Konfiguration bezeichnet.

Die MOSFETs sind beispielsweise als n-Kanal-MOSFETs ausgebildet. Die MOSFET weisen vorzugweise jeweils ein Gehäuse auf.

Die MOSFESTs sind beispielsweise als Leistungs-MOSFETs ausgebildet.

Die Source-Anschlüsse der MOSFETs, die nicht im gleichen Zweig beziehungsweise nicht in der gleichen Halbleiterschalteinheit angeordnet sind, sind nicht verbunden. Der Trennschalter weist vorzugsweise nur Halbleiterschalteinheiten mit gleichartige Back-to-Back-Anordnungen auf. Die Back-to-Back-Konfiguration ermöglicht, dass ein Sperren eines Stromflusses in beide Richtungen erfolgen kann. Die Trennschaltervorrichtung weist somit einen ersten Strompfad und einen zweiten Strompfad auf, die parallelgeschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass höhere Ströme über den Trennschalter transportiert werden können und der Trennschalter somit höhere Leistungsanforderungen erfüllen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die Trennschaltervorrichtung für jede Halbleiterschalteinheit einen Gate-Treiber und/oder eine Ladungspumpe auf zur Ansteuerung der MOSFETs der jeweiligen Halbleiterschalteinheit. Jede Halbleiterschalteinheit kann unabhängig beziehungsweise getrennt von den anderen Halbleiterschalteinheit angesteuert werden. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass jede Halbleiterschalteinheit separat diagnostiziert werden kann. Da jede Halbleiterschalteinheit separat gesteuert werden kann, kann die Batterieeinheit einen „Eingeschränkten Modus“ (im Englischen „limp-mode“) bereitstellen, falls eine Einheit defekt ist. Für die Energieverfügbarkeit kann somit eine höhere ASIL-Einstufung als bei Standardlösungen erreicht werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Trennschaltervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt abhängig von einem bereitgestellten Strom- und/oder Spannungsmesssignal, das repräsentativ ist für einen Ausgangstrom beziehungsweise einen Eingangsstrom der Batterieeinheit, zumindest ein Steuersignal bereitgestellt wird zum Ansteuern der Halbleiterschalteinheiten der Trennschaltervorrichtung. Wenn der Trennschalter der Trennung der Batterieeinheit von der Last dient, ist das Strom- bzw.

Spannungsmesssignal repräsentativ ist für ein Ausgangstrom der Batterieeinheit, und wenn der Trennschalter der Trennung der Batterieeinheit des Batteriesystems von der Ladestation dient, ist das Strom- bzw. Spannungsmesssignal repräsentativ für ein Eingangsstrom der Batterieeinheit.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Batteriesteuereinheit eingerichtet zum Betreiben einer Trennschaltervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt, wobei die Batteriesteuereinheit ausgebildet ist, abhängig von einem bereitgestellten Strom- und/oder Spannungsmesssignal, das repräsentativ ist für einen Ausgangstrom beziehungsweise einen Eingangsstrom der Batterieeinheit, zumindest ein Steuersignal bereitzustellen zum Ansteuern der Halbleiterschalteinheiten der Trennschaltervorrichtung.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Batteriesystem eine Trennschaltervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt, eine Batterieeinheit und eine Last und/oder eine Ladestation auf, wobei die Batterie mit einem ersten Anschluss der Trennschaltervorrichtung und die Last beziehungsweise die Ladestation mit einem zweiten Anschluss der Trennschaltervorrichtung verbunden ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem vierten Aspekt weist das Batteriesystem eine Batteriesteuereinheit gemäß dem dritten Aspekt auf.

Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Offenbarung veranlasst ein Computerprogramm, wenn es von einem Prozessor einer Batteriesteuereinheit ausgeführt wird, die Batteriesteuereinheit eine Trennschaltervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt anzusteuern und das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen.

Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein computerlesbares Medium ein Computerprogramm auf, das, wenn das Programm von einem Prozessor einer Batteriesteuereinheit ausgeführt wird, die Batteriesteuereinheit veranlasst, eine Trennschaltervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt anzusteuern und das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt auszuführen.

Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.

Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blu-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte, wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs, derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt.

Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Variationen oder Modifikationen, die im Hinblick auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.

Es zeigen:

Figur 1 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer T rennschaltervorrichtung,

Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Batteriesystems und

Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Batteriesystems. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein.

Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. Spezielle oder allgemeine Werte, Bemessungsdaten, Hinzufügungen sowie der Einschluss oder Ausschluss von Komponenten sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Erfindung zu beeinflussen.

In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis der Ausführungsbeispiele zu vereinfachen.

Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ etc.).

Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Ersatzschaltbild für eine Trennschaltervorrichtung 10 eines Batteriesystems. Das Batteriesystem ist beispielsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug, angeordnet.

Die Trennschaltervorrichtung 10 weist einen Trennschalter 11 zur Trennung einer Batterieeinheit 14 von einer Last oder von einer Ladestation auf. Der Trennschalter 11 umfasst zumindest zwei parallelgeschaltete bidirektionale Halbleiterschalteinheiten 12. Die zumindest zwei Halbleiterschalteinheiten 12 weisen jeweils eine Serienschaltung von zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) T auf, wobei die Source-Anschlüsse der zwei MOSFETs T miteinander verbunden, insbesondere direkt verbunden, sind und die Drain-Anschlüsse der MOSFETs T in die jeweilige Halbleiterschalteinheit 12 hinein- beziehungsweise aus der jeweiligen Halbleiterschalteinheit 12 herausführen.

Die Trennschaltervorrichtung 10 weist für jede Halbleiterschalteinheit 12 einen Gate-Treiber (in Figur 1 nicht gezeigt) auf zur Ansteuerung der MOSFETs T der jeweiligen Halbleiterschalteinheit 12. Alternativ ist es möglich, dass der Trennschaltervorrichtung 10 die Gate-Treiber zugeordnet sind. Die Gate-Treiber bilden eine Gate-Treiber-Anordnung 18 (siehe Figur 2). Die Gate-Treiber-Anordnung umfasst beispielsweise zwei Gate-Treiber, d.h. jeweils einen Gate-Treiber für einen Zweig.

Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems mit der Trennschaltervorrichtung 10.

Das Batteriesystem weist eine Batterieeinheit 14 und die Trennschaltervorrichtung 10 auf. Die Batterieeinheit 14 umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Batteriemodulen, die parallel und/oder in Serie geschaltet sind. Die Batteriemodule weisen vorzugsweise eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die parallel und/oder in Serie geschaltet sind.

Die Batterieeinheit 14 ist beispielsweise eine 48 V Batterie.

Die Batterieeinheit 14 ist mit der Trennschaltervorrichtung 10 verbunden. Beispielsweise ist ein Pluspol der Batterieeinheit 14 mit einem Eingang der Trennschaltervorrichtung 10 indirekt verbunden. Die Batterieeinheit 14 ist beispielsweise über eine Sicherung 24 und/oder ein Shunt-Widerstand 22 mit der Trennschaltervorrichtung 10 verbunden. Vorzugsweise weist das Batteriesystem eine Batteriesteuereinheit 16 auf. Das Batteriesystem weist ferner beispielsweise eine Zellüberwachungseinheit 26 und/oder einen Spannungs- oder Stromsensor 20 auf.

Die Zellüberwachungseinheit 26 ist ausgebildet, eine Temperatur und/oder ein Ladezustand und/oder eine Alterungszustand der Zellen der Batterieeinheit 14 zu überwachen und/oder eine Symmetrierung der Batteriezellen durchzuführen.

Die Batteriesteuereinheit 16 ist mit der Zellüberwachungseinheit 26, dem Spannungssensor 20 beziehungsweise dem Stromsensor 20 und der Gate-Treiber-Anordnung 18 gekoppelt und ausgebildet, abhängig von Eingangsdaten von dem Zellüberwachungseinheit 26 und/oder dem Spannungssensor 20 beziehungsweise Stromsensor 20, die Gate-Treiber der Halbleiterschalteinheiten 12 anzusteuern, und somit das Schließ- und Öffnungsverhalten des Trennschalters 11 zu steuern.

Die Batteriesteuereinheit 16 weist insbesondere auch eine Kommunikationsschnittstelle 28 auf für einen Datenaustausch mit einer zentralen oder übergeordneten Steuereinheit des Fahrzeugs.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennschaltervorrichtung 10 mit dem Minuspol der Batterieeinheit 14 verbunden. Insbesondere ist die Batterieeinheit 14 über die eine Sicherung 24 und den Shunt-Widerstand 22 mit der Trennschaltervorrichtung 10 verbunden.

Bezugszeichenliste

10 Trennschaltervorrichtung

11 Trennschalter 12 Halbleiterschalteinheit

14 Batterieeinheit

16 Batteriesteuereinheit

18 Gate-T reiber-Anordnung

20 Strom- oder Spannungssensor 22 Shunt-Widerstand

24 Sicherung

26 Zellüberwachungseinheit

28 Kommunikationsschnittstelle

D Drain G Gate

S Source

T MOSFET