Titel

Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung und Schaltungsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät und auf eine Schaltungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist bekannt, dass eine Batterie bzw. eine Lithium-Ionen-Batterie über eine elektronische Vorrichtung in Form einer Battery Disconnect Unit (BDU) mit verschiedenen Verbrauchern oder Stromquellen von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen elektrisch reversibel verbunden bzw. elektrisch von diesen getrennt wird. Zu solchen Verbrauchern zählen beispielsweise elektrische Antriebsstränge, Traktionsumrichter und Ladegeräte.

Eine typische Aufgabe dieser elektronischen Vorrichtung ist das gesteuerte Aus- und Einschalten der Batterie beim Fahren und Laden. Deren weitere Aufgabe ist die sichere Abtrennung der Batterie von allen anderen damit elektrisch verbundenen Komponenten in einem Fehlerfall.

Aus dem Dokument US 2018131178 Al ist eine elektronische Vorrichtung bekannt, welche einen p-Kanal Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) umfasst. Aus dem Dokument JP2010081757 A ist eine weitere elektronische Vorrichtung bekannt, welche einen n-Kanal MOSFET umfasst.

Eine weitere Anforderung an die elektronische Vorrichtung sind die relativ lange Betriebszeiten. Ein Traktionsumrichter, welcher als Verbraucher mit der elektronischen Vorrichtung elektrisch verbunden wird, wird üblicherweise für ungefähr 8, 000 Betriebsstunden während dessen Lebensdauer von 15 Jahren ausgelegt. Als zentrale Einheit in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entspricht die Betriebszeit der elektronischen Vorrichtung somit der Summe der Betriebszeiten aller Verbraucher und Stromquellen. Ferner wird die elektronische Vorrichtung auch dafür vorgesehen, in ihrem ausgeschalteten Zustand einen Strom zuverlässig zu sperren. Daher steht die elektronische Vorrichtung fast immer unter einer elektrischen Belastung.

Die Lebensdauer einer solchen elektronischen Vorrichtung ist üblicherweise von der Lebensdauer darin enthaltener Transistoren abhängig. Dies hängt wiederum von einer Gate-Spannung des Transistors ab. Je höher die Gate-Spannung gewählt wird und je länger die Gate-Spannung an den Transistor angelegt wird, desto kürzer ist die voraussichtliche Lebensdauer des Transistors.

Offenbarung der Erfindung

Diesbezüglich werden gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät und eine Schaltungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt. Die Vorrichtung zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät entspricht bezüglich deren Funktionsweise beispielsweise einer vorbeschriebenen elektronischen Vorrichtung in Form einer Battery Disconnect Unit (BDU) und umfasst zumindest einen Transistor. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Gate-Spannung des zumindest einen Transistors abhängig von einem durch diesen fließenden Strom eingestellt. Alternativ oder zusätzlich wird die Gate-Spannung abhängig von einer Temperatur des zumindest einen Transistors eingestellt.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dadurch, dass die Gate-Spannung des zumindest einen Transistors in verschiedenen Betriebszuständen desselben hinsichtlich des durch diesen fließenden Stroms oder dessen Temperatur angepasst wird. Auf diese Weise können die Durchlassverluste des zumindest einen Transistors reduziert werden, da die Gate-Spannung einen direkten Einfluss auf diese Durchlassverluste hat. Somit wird die Lebensdauer des zumindest einen Transistors verlängert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Vorteilhaft wird die Gate-Spannung erhöht, wenn der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom einen ersten vorbestimmten Wert überschreitet.

Dieser erste vorbestimmte Wert bezieht sich hierbei beispielsweise auf einen Betriebsstrom des zumindest einen Transistors.

Dadurch werden die durch höhere Ströme verursachten Durchlassverluste im Bereich des Transistors und ferner eine dadurch versursachte hohe thermische Belastung des zumindest einen Transistors verringert.

Weiter vorteilhaft wird die Gate-Spannung reduziert, wenn der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom einen zweiten vorbestimmten Wert unterschreitet. Dieser zweite vorbestimmte Wert kann beispielsweise gleich dem ersten vorbestimmten Wert sein und einen Betriebsstrom des zumindest einen Transistors repräsentieren.

Da der durch den Transistor fließende Strom in diesem zweiten Fall relativ niedrig ist und daher keine kritischen Durchlassverluste verursacht, kann die Gate-Spannung reduziert werden und der betroffene Transistor wird somit entlastet.

Weiterhin vorteilhaft wird die Gate-Spannung auf einen negativen Wert für einen vorbestimmten Zeitraum gestellt, sobald die Vorrichtung eingeschaltet worden ist und solange der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom nicht konstant ist.

Auf diese Weise wird das Einschalten des betroffenen Transistors beschleunigt.

Ferner vorteilhaft wird die Gate-Spannung auf einen negativen Wert für einen weiteren vorbestimmten Zeitraum gestellt, sobald die Vorrichtung ausgeschaltet worden ist und solange der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom größer als 0 Ampere (A) ist.

Auf diese Weise wird das Ausschalten des betroffenen Transistors beschleunigt.

Besonders vorteilhaft wird die Gate-Spannung auf 0 Volt (V) gestellt, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet worden ist und sobald der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom gleich 0A ist.

Dadurch wird der betroffene Transistor in einem Sperrzustand gehalten, wenn der betroffene Transistor ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.

Alternativ wird die Gate-Spannung auf einen negativen Wert gestellt, wenn die Vorrichtung ausgeschaltet worden ist und sobald der durch den zumindest einen Transistor fließende Strom gleich 0A ist.

Dadurch wird der betroffene Transistor in einem Sperrzustand gehalten, wenn der betroffene Transistor ein Traktionswechselrichter ist.

Auf diese Weise wird der zumindest eine Transistor in Form eines MOSFET oder eines Traktionswechselrichters zuverlässig in einem Sperrzustand gehalten. Das vorbeschriebe Verfahren lässt sich vorteilhaft zum Steuern einer Vorrichtung zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) anwenden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsvorrichtung umfassend Mittel zum Durchführen eines vorbeschriebenen Verfahrens bereitgestellt. Die Schaltungsvorrichtung kann beispielsweise eine vorbeschriebene Vorrichtung zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät sein. Alternative kann die Schaltungsvorrichtung auch ein USB-Massenspeichergerät sein, in dem Daten zum Durchführen des vorbeschriebenen Verfahrens gespeichert sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Herstellen und

Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät,

Figur 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Gate-

Spannungsverlaufs jeweils bei einer ersten und einer zweiten Temperatur über dem Strom gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren und Figur 3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Strom- bzw. Gate- Spannungsverlaufs über der Zeit gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren.

In Figur 1 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung 10 zum Herstellen und Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher oder einem Ladegerät dargestellt.

Die Vorrichtung 10 umfasst beispielsweise eine Steuereinheit 102 und einen Transistor 104. Der Transistor 104 kann beispielsweise ein p-Kanal MOSFET sein und umfasst drei Anschlüsse 114, 124, 134. Dabei ist der Gate-Anschluss 114 elektronisch mit der Steuereinheit 102 verbunden. Der Drain-Anschluss 124 ist zusätzlich zu der Steuereinheit 102 beispielsweise mit einem Stromsensor 106 elektronisch verbunden. Der Source-Anschluss 134 ist zusätzlich zu der Steuereinheit 102 mit einem Temperatursensor 108 elektronisch verbunden. Die Funktionsweise des Transistors 104 wird durch die Steuereinheit 102 geregelt. Dies kann dadurch erfolgen, dass ein zu erzielender Strom- und Gate- Spannungsverlauf des Transistors 104 in der Steuereinheit 102 gespeichert wird.

In Figur 2 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Gate-Spannungsverlaufs eines Transistors 104 einer Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 über dem Strom jeweils bei einer ersten und einer zweiten Temperatur dargestellt.

Dabei wird eine minimale Gate-Spannung U _m in benötigt, um den Transistor 104 zu aktivieren. Der erste Gate-Spannungsverlauf über dem Strom bei einer ersten Temperatur Ti bzw. der zweite Gate-Spannungsverlauf über dem Strom bei einer zweiten Temperatur T zeigen, dass die Gate-Spannung erhöht wird bei einem Ansteigen des Stroms bei gleichzeitig konstanter Temperatur. Beispielsweise wird die Gate-Spannung des Transistors 104 von Ui auf UT erhöht wenn der durch den Transistor 104 fließende Strom von In auf IT ansteigt während die Temperatur des Transistors 104 bei T konstant gehalten wird. Ferner zeigen die beiden Verläufe, dass die Gate-Spannung erhöht wird bei einem Ansteigen der Temperatur bei gleichzeitig konstantem Strom. Beispielsweise wird die Gate-Spannung des Transistors 104 von Ui2 auf Un erhöht wenn die Temperatur des Transistors 104 von T2 auf Ti steigt während der durch den Transistor 104 fließende Strom bei In konstant gehalten wird.

In Figur 3 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Strom- bzw. eines Spannungsverlaufes eines Transistors 104 einer Vorrichtung 10 gemäß Figur 1 über der Zeit gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

Im unteren Diagramm ist ein Stromverlauf über der Zeit t dargestellt. Ein entsprechender Spannungsverlauf über der Zeit t ist im oberen Diagramm dargestellt.

Bis zum Zeitpunkt ti bleibt der Transistor 104 deaktiviert. Der durch den Transistor 104 fließende Strom während dieses Zeitraums beträgt daher 0A. Zum Zeitpunkt ti wird die Vorrichtung 10 eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird eine negative Gate-Spannung Ui an einem Gate-Anschluss 114 des Transistors 104 für einen ersten Zeitraum von ti bis Ϊ2 angelegt, um den Transistor 104 schnellstmöglich zu aktivieren, da es sich bei dem Transistor 104 um einen p- Kanal MOSFET handelt, welcher mit einer negativen Gate-Spannung aktiviert wird. Bis zum Zeitpunkt Ϊ2 wird die Gate-Spannung auf U2 erhöht, sobald der Transistor 104 aktiviert worden ist.

Nach dem Einschalten der Vorrichtung 10 wird der durch den Transistor 104 fließende Strom während eines zweiten Zeitraums von Ϊ2 bis Ϊ3 immer größer, bis der Strom einen konstanten Wert von li erreicht. Die Gate-Spannung wird während dieses zweiten Zeitraums bspw. unverändert bei einer Spannung U2 gehalten.

Während eines dritten Zeitraums von Ϊ3 bis t4 bleibt der durch den Transistor 104 fließende Strom bspw. unverändert. Dieser Strom liwird auch als Betriebsstrom bezeichnet. Dementsprechend wird die Gate-Spannung während dieses dritten Zeitraums auf U3 reduziert, da der Strom li keinen großen Einfluss auf die Durchlassverluste des Transistors 104 hat.

Der Strom wird bspw. während eines vierten Zeitraums Ϊ4 bis ts größer und überschreitet den Betriebsstrom li, beispielsweise aufgrund einer erhöhten Temperatur des Transistors 104. Um die Durchlassverluste des Transistors 104 zu reduzieren, wird die Gate-Spannung auf U4 erhöht bis zum Zeitpunkt ts _, bei dem der Strom wieder sinkt. Der Rückgang der Stromstärke kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Transistor 104 gekühlt wird.

Während eines fünften Zeitraums von ts bis entspricht der Strom bspw. wieder dem Betriebsstrom li gemäß dem Zeitraum von Ϊ3 bis t4- Dementsprechend wird die Gate-Spannung auf U5 reduziert.

Zum Zeitpunkt ΐb wird die Vorrichtung 10 ausgeschaltet. Um den Transistor 104 schnellstmöglich zu sperren, wird eine negative Spannung an den Gate- Anschluss 114 des Transistors 104 angelegt, bis der durch den Transistor 104 fließende Strom gleich 0A ist. Der Transistor 104 wird ab dem Zeitpunkt Ϊ7 in einem Sperrzustand gehalten. In dem Sperrzustand beträgt die Gate-Spannung 0V.