功率开关、电池组系统和用于运行功率开关的方法与流程

本发明涉及一种用于电池组系统的过滤开关、一种用于运行电池组系统的功率开关的方法以及一种相应的电池组系统。

背景技术：

功率能力、能量效率、活动半径的提高和安全性的进一步提高是发展今后的用于电动和混合动力车辆的锂离子电池组系统的决定性的标准。和为了调节电池组状态一样地监控系统参数，需要在电池组电池或电池组模块与中央电池组控制设备之间的数据通信。目标是通过借助电力线通信的数据传输来代替迄今为止为了数据通信所使用的电绝缘的敷设电缆。

EP 2642629公开了一种电池组设备，一种电池组管理系统以及一种电池组管理方法。

技术实现要素：

在该背景下，利用在此提出的方案，提出根据独立权利要求的一种用于电池组系统的改进的功率开关、此外一种用于运行电池组系统的功率开关的改进的方法以及最后一种相应的电池组系统，该电池组系统使用所述功率开关。有利的设计方案由相应的从属权利要求和随后的说明书得出。

功率开关除了开关高电流之外还可以用于传输通信信号。在此有利的是，不仅在开关高电流方面而且在传输通信信号方面优化功率开关的开关特性。这有利地可以通过以下来实现，即功率开关的至少一个开关被用于开关高电流并且功率开关的至少一个另外的开关被用于传输通信信号。

提出一种用于电池组系统的功率开关，其中所述功率开关具有以下特征：

第一端子、第二端子和用于接收控制信号的控制端子；

用于在使用控制信号的情况下确定功率开关信号和通信信号的装置；

具有至少一个第一开关的功率部分，所述第一开关用于在使用功率开关信号的情况下来开关第一端子和第二端子之间的电连接；和

具有至少一个第二开关的通信部分，所述第二开关用于在使用通信信号的情况下来开关第一端子和第二端子之间的电连接。

功率开关例如可以用于逆变器、逆变器电路或具有一个或多个电池组电池的电池组系统。电池组系统可以用于车辆或机动车。车辆例如可以是轿车、摩托车、载重汽车、牵引车、小型公交车、作业机械、陆地运输工具或轨道交通工具。功率开关可以具有三个端子。控制端子可以被称为栅端子或栅电极。第一端子可以理解为漏电极、漏端子、集电极或集电极端子。第二端子可以理解为源电极、源端子、发射极或发射极端子。功率部分的至少一个第一开关和通信部分的至少一个第二开关可以理解为半导体开关、例如晶体管。

用于确定的装置可以被构造用于，将功率开关信号作为控制信号的第一信号分量来确定并且将通信信号作为控制信号的第二信号分量来确定。信号分量可以通过控制信号的不同频率范围来定义。例如可以将第一信号分量分配给控制信号的低频的频率范围并且将第二信号分量分配给控制信号的高频的信号分量。例如信号分量可以通过合适的滤波器装置简单地从控制信号中提取。

为此，用于确定的装置可以具有高通滤波器和低通滤波器。用于确定的装置可以被构造用于，在使用低通滤波器的情况下过滤控制信号，以便确定具有控制信号的低频信号分量的功率开关信号。用于确定的装置可以被构造用于，在使用高通滤波器的情况下过滤控制信号，以便确定具有控制信号的高频信号分量的通信信号。也称为高通或低频阻止器的高通滤波器可以被理解为以下滤波器，该滤波器被构造用于让信号的在极限频率之上的频率近似无衰减地通过并且抑制（极限频率之下的）较低的频率。也称为低通的低通滤波器可以理解为以下滤波器，该滤波器被构造用于让极限频率之下的频率近似无衰减地通过并且抑制（极限频率之上的）较高的频率。这样的滤波器可以成本适宜地实现。

功率部分可以具有多个第一开关，能够在使用功率开关信号的情况下控制所述多个第一开关。通过该方式，要通过功率部分接通的电流可以分布到多个开关上，由此可以防止功率部分的过热。

通信部分可以具有多个第二开关，能够在使用通信信号的情况下控制所述多个第二开关。在此，功率部分的第一开关的数量可以大于通信部分的第二开关的数量。例如第一开关的数量可以至少是第二开关的数量的100倍。

功率部分的多个第一开关和通信部分的多个第二开关在此可以并联在第一端子和第二端子之间。功率开关的开关因此可以相应于已知功率开关的开关来布置。

功率开关可以被实施为半导体器件。这样的元件的特征在于适宜的制造成本和小的空间需求。

功率开关可以被构造用于在使用至少一个第一开关和至少一个第二开关的情况下来开关第一端子和第二端子之间的大于100安培的电流。特别是，功率开关可以被构造用于开关至少500安培的电流。因此可以实现高电流开关，在该高电流开关的情况下例如可以开关在大于100A的电流但仅仅4V的电压的情况下的单电池组电池。因此该功率开关适合用于开关在车辆的电池组系统中出现的电流。

此外提出一种具有以下特征的电池组系统：

至少一个电池组电池；

所提及的功率开关，其中功率开关的第一端子或第二端子与所述至少一个电池组电池的连接接触部耦合；和

控制设备，该控制设备被构造用于向功率开关的控制端子提供控制信号。

电池组电池例如可以是锂离子电池。该电池组系统也可以具有多个电池组电池，所述多个电池组电池可以综合成一个或多个电池组模块。在此，可以给电池组模块分别分配一个功率开关。

提出一种用于运行电池组系统的功率开关的方法，其中该功率开关具有第一端子、第二端子、控制端子、具有至少一个第一开关的功率部分和具有至少一个第二开关的通信部分，其中该方法包括以下步骤：

在使用施加在控制端子上的控制信号的情况下确定功率开关信号和通信信号；

在使用功率部分的至少一个第一开关的情况下将功率开关信号用于开关第一端子和第二端子之间的电连接；和

在使用通信部分的至少一个第二开关的情况下将通信信号用于开关第一端子和第二端子之间的电连接。

该方法可以实现在功率信号上叠加的数据通信。用于开关功率开关的方法可以在以下应用中使用，在所述应用中功率开关或晶体管的开关特性针对两个频率范围的优化是有利的。这例如可以在功率开关或晶体管上组合功率开关特性和通信信号传输时是该情况。因此所描述的方法例如可以针对电动和混合动力车辆中的电池组系统或高压电池组中的同时的控制和功率开关方案，特别是在具有电池或模块集成的功率电子装置的逆变器方案中使用。

在此提出的方案还实现一种控制设备，该控制设备被构造用于将在此提出的方法的变型方案的步骤在相应的装置中执行、控制或实现。也可以通过本发明的以控制设备形式的所述实施变型方案来快速并且有效地解决本发明所基于的任务。

控制设备当前可以理解为一种电设备，该电设备处理传感器信号并且据此输出控制和/或数据信号。该控制设备可以具有能够以硬件和/或软件方式构造的接口。在硬件方式构造的情况下，接口例如可以是所谓的系统ASIC的以下部分，该部分包含控制设备的极不同的功能。然而也可以是，接口自身是集成电路或至少部分地由分立器件构成。在软件方式构造的情况下，接口可以是软件模块，所述软件模块例如除了其他软件模块之外存在于微控制器上。

一种计算机程序产品或具有程序代码的计算机程序也是有利的，该程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质、如半导体存储器硬盘存储器或光学存储器上并且用于执行、实现和/或控制根据前述实施方式的方法的步骤，特别是当所述程序产品或程序在计算机或设备上实施时如此。

附图说明

随后借助附图示例性地详细解释在此提出的方案。其中：

图1示出根据本发明的一个实施例的功率开关的框图；

图2示出根据本发明的一个实施例的功率开关的示意图；

图3示出用于电池组系统的功率开关的框图；

图4示出根据本发明的一个实施例的用于电池组系统的功率开关的框图；

图5示出用于电池组系统的功率开关的归一化信号的简图；

图6示出根据本发明的一个实施例的用于运行电池组系统的功率开关的方法的流程图；以及

图7示出根据本发明的一个实施例的电池组系统。

在本发明的适宜的实施例的随后描述中，对于在不同的图中示出的并且起相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施例的功率开关100的框图。功率开关100具有三个端子102、104、106。控制端子102被构造用于接收控制信号108。功率开关100被构造用于受控制信号108控制地开关或建立第一端子104和第二端子106之间的电连接。功率开关100具有用于确定功率开关信号114和通信信号116的装置112。用于确定的装置112被构造用于在使用控制信号108的情况下确定功率开关信号114和通信信号116。功率开关100具有功率部分118和通信部分120。包括至少一个第一开关122的功率部分118被构造用于在使用功率开关信号114的情况下建立第一端子104和第二端子106之间的电连接。包括至少一个第二开关124的通信部分120被构造用于在使用通信信号116的情况下建立第一端子104和第二端子106之间的电连接。

在一个实施例中，用于叠加的数据通信的功率开关100被用于电池组系统，如这在图7中所示出的那样。例如电池组系统用在电动车辆或混合动力车辆中。

在图1中未示出的实施例中，用于确定的装置112具有低通滤波器和高通滤波器。用于确定的装置112在一个实施例中被构造用于在使用低通滤波器的情况下过滤控制信号108，以便确定具有控制信号108的低频信号分量的功率开关信号114。用于确定的装置112还被构造用于在使用高通滤波器的情况下过滤控制信号108，以便确定具有控制信号108的高频信号分量的通信信号116。

在一个未示出的实施例中，功率部分118包括多个第一开关122，所述多个第一开关能够在使用功率开关信号114的情况下来控制。第一开关122在第一端子和第二端子106之间彼此并联。

通信部分120可以具有多个第二开关124，所述多个第二开关能够在使用通信信号116的情况下来控制。在此，第二开关124在第一端子104和第二端子106之间彼此并联。

在此，功率部分118的第一开关122的数量大于通信部分120的第二开关124的数量。

图2示出根据本发明的一个实施例的功率开关100的示意图。功率开关100具有控制端子102、第一端子104和第二端子106。壳体226包围功率开关100的装置。

控制端子102也被称为栅端子102。第一端子104也被称为漏端子104、集电极104或集电极端子104。并且第二端子106也被称为源端子106、发射极106或发射极端子106。

在图2中示出的功率开关100可以是在图1中示出的功率开关100的布置在壳体中的实施例。在一种变型方案中，功率开关100是一种半导体器件，该半导体器件被构造用于开关大于100安培的电流和大于1000伏特的电压。在此，功率开关实现在功率信号上叠加的数据通信。

图3示出用于电池组系统的功率开关300的框图。功率开关300具有控制端子102、第一端子104、第二端子106和四个开关322或四个单个开关322。

在图3中示出的实施例示出单个开关322的一种典型布置，其中示出多个单个开关322（典型地晶体管322）的并行布置。通过数量N个这种单个开关322的并联可以为功率开关300实现近似对应于单个开关322的N倍的电流能力。

对于也被称为晶体管300的功率开关300，对于总电流能力I_ges近似得出所有N个晶体管322的单个电流能力I_einzel的和：

I_ges=N*I_einzel （1）

晶体管300的频率特性决定性地由控制输入端102上的输入电容C_G的大小来确定。在此，由C_G和引线电阻R_G的乘积计算时间常数T_G：

T_G=C_G*R_G （2）

在单个晶体管322并联成总晶体管300的情况下，相应的单个输入电容C_{G_einzel}相加成总输入电容C_{G_ges}：

C_{G_ges}=C_{G_einzel}*N （3）

因此对于总时间常数T_{G_ges}由方程（2）和（3）得出：

T_{G_ges}=C_{G_einzel}*N*R_G （4）

由于单个电容C_{G_einzel}的和，因此T_{G_ges}相较于单个晶体管322是N倍并且也因此在开关特性方面也慢N倍。

图4示出根据本发明的一个实施例的用于电池组系统的功率开关100的框图。功率开关100可以是图1示出的功率开关100的一个实施例，其中功率部分118包括数量N-n个第一开关122并且通信部分120包括数量n个第二开关124。在图4中，对于数量N-n个第一开关122的功率部分118，仅仅示出两个第一开关122。通信部分120具有两个第二开关124。在一个适宜的实施例中，功率部分118的第一开关122的数量是通信部分120的第二开关124的数量的例如至少100倍。

功率开关100还具有用于接收控制信号108的控制端子102。功率开关100还具有第一端子104和第二端子106。控制端子102与用于确定的装置112连接。用于确定的装置112包括低通滤波器430以及高通滤波器432。低通滤波器430被构造用于在使用控制信号108的情况下确定功率信号114。高通滤波器432被构造用于在使用控制信号108的情况下确定通信信号116。功率部分118的第一开关122和通信部分120的第二开关124在第一端子104和第二端子106之间并联。

在一个实施例中，低通滤波器430响应于控制信号108地确定功率信号114。高通滤波器432响应于控制信号108地确定通信信号116。

低通滤波器430的输出端通过第一信号线路436或低频信号线路436与功率部分118的第一开关122的控制端子438连接。高通滤波器432的输出端440通过第二信号线路442或高频信号线路442与通信部分120的第二开关124的控制端子444连接。在功率部分118的第一开关122的控制端子438和第二端子106之间分别布置有电容C_{G_NF}并且与其电连接。在通信部分120的第二开关124的控制端子444和第二端子106之间分别布置有电容C_{G_HF}并且与其电连接。

在图4中示出的功率开关100具有与图3中示出的功率开关300的结构相似性。不仅在图3中示出的功率开关300而且在图4中示出的功率开关100具有数量N个开关322（图3）或总数量N个第一开关122和第二开关124（图4）。在图3中，施加到控制输入端102上的控制信号108直接引导给开关322，而在图4中在用于确定的装置112中根据控制信号108来确定功率信号114和通信信号116并且将功率信号114引导给功率部分118的第一开关122并且将通信信号116引导给通信部分120的第二开关124。

数量N个第一和第二开关122、124中明显较少数量n个第二开关124单独地与控制端子102连接，以便所述第二开关用于高频信号分量的开关过程。因此，对于总晶体管的电流能力I_ges得出到低频分量I_NF和高频分量I_HF的划分，该低频分量通过数量N-n个第一开关122接通，该高频分量通过数量n个第二开关124接通：

I_ges=I_NF+I_HF=I_einzel*（N-n）+I_einzel*n （5）

因为n<<N，即第二开关124的数量n显著小于第一开关122的数量N，所以假设：低频范围内的电流能力I_NF可以被视为近似不受影响的，即I_ges近似等于I_NF并且连接到低频信号线路436上的晶体管电容C_{G_NF}所对应的时间常数T_{G_NF}也近似等于T_G：

T_{G_NF}=C_{G_NF}*（N-n） （6）

与此相对，对于连接到高频信号线路442上的第二开关124得出电流能力I_HF：

I_HF=I_einzel*n （7）

并且因此I_HF<<I_ges。然而，因为仅仅具有明显更小功率的通信信号116高频地在低频路径中传输，所以该限制不是缺点。

有利地，一并得出高频信号路径的所产生的时间常数T_{G_HF}：

T_{G_HF}=C_{G_einzel}*n*R_G （8）

该时间常数T_{G_HF}是在图3中示出的总功率开关T_G、即功率开关300的时间常数的n/N倍。因此可以实现切换的短暂持续时间的决定性的减小并且因此该功率开关100也适合于传输高频信号分量。在功率开关100的控制中，与迄今为止的系统没有区别（没有转换的成本），因为此外仅仅存在一个控制端子102并且高频和低频叠加的控制信号108到功率信号114和通信信号116的信号分解在功率半导体器件100或在功率开关100之内的用于确定的装置112中执行。不仅针对低频功率信号114而且针对高频数据信号116的优化的开关特性的组合是对现有技术的显著改进并且例如可以在电动车辆中的牵引电池组中用于同时开关逆变器电流以及至模块或电池组电池的通信信号。

有利地，开关122 、124划分成功率部分118和通信部分120改进了功率晶体管100用于开关高频信号的时间特性。

图5示出功率开关的归一化信号108、114、116的简图。在堆叠的图示中示出控制信号108、功率信号114以及通信信号116。所述信号108、114、116分别在直角坐标系中示出，该直角坐标系在纵轴上具有归一化的幅度并且在横轴上具有归一化的时间单位。控制信号108也可以被称为栅控制信号108。功率信号114也可以被称为低频功率开关信号114。通信信号116可以理解为高频通信信号116。所述信号108、114、116是交变信号。在此，控制信号108具有三个彼此不同的信号电平并且功率信号114以及通信信号116具有两个彼此不同的信号电平。信号的周期持续时间对于图5中的图示是任意选择的。在此，功率信号114的图示表示低频信号并且通信信号116的图示表示高频信号。在所示出的实施例中，控制信号108对应于功率信号114和通信信号116的相加。

图6示出根据本发明的一个实施例的用于运行电池组系统的用来叠加的数据通信的功率开关的方法的流程图。该功率开关例如可以是在图1或图4中示出的功率开关100的一个实施例。该方法包括：在使用施加在功率开关的控制端子上的控制信号的情况下确定功率开关信号和通信信号的步骤602，在使用功率部分的至少一个第一开关的情况下将功率开关信号用于开关第一端子和第二端子之间的电连接的步骤604，和在使用通信部分的至少一个第二开关的情况下将通信信号用于开关第一端子和第二端子之间的电连接的步骤606。

在一个实施例中，在使用的步骤604中，在使用功率开关信号的情况下控制功率开关的功率部分，以便开关第一端子和第二端子之间的电连接，以及在使用的步骤606中，在使用通信信号的情况下控制功率开关的通信部分，以便开关第一端子和第二端子之间的电连接。在此，在步骤604中控制功率部分中的第一开关并且在步骤606中控制通信部分中的第二开关，以便开关电连接。

控制的步骤604、606典型地彼此并行地实施，但是也可以顺序地实施。

在一个可选的实施例中，在确定的步骤602中，在使用信号处理规则的情况下确定功率开关信号和通信信号。在此，在使用至少一个信号处理规则和控制信号的情况下确定具有控制信号的低频信号分量的功率开关信号和具有控制信号的高频信号分量的通信信号。

在图6中描述的方法的一个方面是电开关、典型地作为器件来制造的功率半导体不仅具有用于开关高电流（在电动车辆中几百安培）的特性而且具有用于开关高频通信信号的特性。有利地，具有集成的功率电子装置的电池组电池或电池组模块可以在没有附加的通信驱动器的情况下在电池或模块与中央控制设备之间交换测量数据和调节数据。

图7示出根据本发明的一个实施例的电池组系统750的示意图。电池组系统750可以是锂离子电池组750。电池组系统750在所示的实施例中包括控制设备752，分别具有功率开关100、两个电池组电池756和例如一个传感器757的电池组模块754。

控制设备752通过控制线路758与功率开关100的控制端子102连接。电池组系统750具有第一端子760和第二端子762。第一端子760与功率开关100的第一端子连接。功率开关100的第二端子与电池组电池756的第一端子以及传感器757的通信端子连接。电池组电池756的第二端子与电池组系统750的第二端子762连接。

在一个实施例中，也被称为功率晶体管100的功率开关100具有用于例如在锂离子电池组上叠加的数据通信的优化的开关特性。

在图7中示出的实施例中示出的功率开关100附加地用作通信驱动器。在使用在此描述的模块或电池集成的功率开关100作为通信驱动器的情况下是有利的，使得开关特性（上升时间、输入电容、…）不仅在通信频率上而且在功率开关的典型地相对于通信频率（典型地>>100kHz）明显更低的频率/逆变器频率（典型地1kHz至10kHz）上被适配。

所描述的并且在图中示出的实施例仅仅示例性地选择。不同的实施例可以完全或关于各个特征相互组合。一个实施例也可以通过另一实施例的特征来补充。此外，在此提出的方法步骤可以重复以及以与所描述的顺序不同的顺序来实施。

如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”连接，则这可以理解为，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征并且根据另一种实施方式或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。