(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリシステム（７５０）のためのパワースイッチ（７５０）であって、前記パワースイッチ（１００）は、以下の特徴、即ち、
第１の端子（１０４）、第２の端子（１０６）、及び、駆動信号（１０８）を受信する制御端子（１０２）と、
前記駆動信号（１０８）を利用して、電力スイッチング信号（１１４）及び通信信号（１１６）を決定する素子（１１２）と、
前記電力スイッチング信号（１１４）を利用した前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）との間の電気的接続の切り替えのための少なくとも１つの第１のスイッチ（１２２）を備えた電力部（１１８）と、
前記通信信号（１１６）を利用した前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）との間の電気的接続の切り替えのための少なくとも１つの第２のスイッチ（１２４）を備えた通信部（１２０）と、
を有する、パワースイッチ（１００）。
【請求項２】
前記決定する素子（１１２）は、前記電力スイッチング信号（１１４）を前記駆動信号（１０８）の第１の信号成分として決定し、前記通信信号（１１６）を前記駆動信号（１０８）の第２の信号成分として決定するよう構成される、請求項１に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項３】
前記決定する素子（１１２）は、ローパスフィルタ（４３０）と、ハイパスフィルタ（４３２）と、を有し、前記駆動信号（１０８）の低周波信号成分を含む前記電力スイッチング信号（１１４）を決定するために、前記ローパスフィルタ（４３０）を利用して前記駆動信号（１０８）にフィルタリングを施し、前記駆動信号（１０８）の高周波信号成分を含む前記通信信号（１１６）を決定するために、前記ハイパスフィルタ（４３２）を利用して前記駆動信号（１０８）にフィルタリングを施すよう構成される、請求項１〜２のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項４】
前記電力部（１１８）は、前記電力スイッチング信号（１１４）を利用して駆動可能な複数の第１のスイッチ（１２２）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項５】
前記通信部（１２０）は、前記通信信号（１１６）を利用して駆動可能な複数の第２のスイッチ（１２４）を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項６】
前記電力部（１１８）の前記第１のスイッチ（１２２）の数は、前記通信部（１２０）の前記第２のスイッチ（１２４）の数よりも多い、請求項４〜５のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項７】
前記電力部（１１８）の前記少なくとも１つの第１のスイッチ（１２２）と、前記通信部（１２０）の前記少なくとも１つの第２のスイッチ（１２４）とは、前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）の間に並列に接続される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項８】
前記パワースイッチ（１００）は、半導体素子として実現される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項９】
前記パワースイッチ（１００）は、前記少なくとも１つの第１のスイッチ（１２２）及び前記少なくとも１つの第２のスイッチ（１２４）を利用して、１００ｍアンペアよりも大きい電流を、前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）との間で切り替えるよう構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）。
【請求項１０】
バッテリシステム（７５０）であって、以下の特徴、即ち、
少なくとも１つのバッテリセル（７５６）と、
請求項１〜９のいずれか１項に記載のパワースイッチ（１００）であって、前記パワースイッチ（１００）の前記第１の端子（１０４）は、前記少なくとも１つのバッテリセル（７６５）の端子接点と結合されている、前記パワースイッチ（１００）と、
前記駆動信号（１０８）を前記パワースイッチ（１００）の前記制御端子（１０２）へと提供するよう構成された制御装置（７５２）と、
を有する、バッテリシステム（７５０）。
【請求項１１】
バッテリシステム（７５０）のためのパワースイッチ（１００）を駆動する方法であって、前記パワースイッチ（１００）は、第１の端子（１０４）、第２の端子（１０６）、制御端子（１０２）、少なくとも１つの第１のスイッチ（１２２）を備えた電力部（１１８）、及び、少なくとも１つの第２のスイッチ（１２４）を備えた通信部（１２０）を有し、前記方法は、以下の工程、即ち、
前記制御端子（１０２）に印加された駆動信号（１０８）を利用して、電力スイッチング信号（１１４）及び通信信号（１１６）を決定する工程（６０２）と、
前記電力部（１１８）の前記少なくとも１つの第１のスイッチ（１２２）を利用して前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）との間の電気的接続を切り替えるために、前記電力スイッチング信号（１１４）を利用する工程（６０４）と、
前記通信部（１２０）の前記少なくとも１つの第２のスイッチ（１２４）を利用して前記第１の端子（１０４）と前記第２の端子（１０６）との間の電気的接続を切り替えるために、前記通信信号（１１６）を利用する工程（６０６）と、
を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法の全工程を実行するよう構成されたコンピュータプログラム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のコンピュータプログラムが格納された機械読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリシステムのためのパワースイッチ、バッテリシステムのためのパワースイッチを駆動する方法、及び、対応するバッテリシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
性能、エネルギー効率、及び航続距離の増大と、安全性の更なる向上とは、電気自動車及びハイブリッド自動車用の将来のリチウム（Ｌｉ）イオンバッテリシステムの開発のための決定的な基準である。システムパラメータを監視するため、及び、バッテリ状態を制御するためには、バッテリセル又はバッテリモジュールと、中央のバッテリ制御装置と、の間のデータ通信が必要である。目標は、データ通信のために従来使用されている直流的に絶縁されたケーブル布線を、電力線（Ｐｏｗｅｒｌｉｎｅ）通信を用いたデータ伝送によって置換することである。
【０００３】
欧州特許第２６４２６２９号明細書には、バッテリ装置、バッテリ管理システム、及び、バッテリ管理方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような背景から、本明細書で紹介するアプローチによって、独立請求項に係るバッテリシステムのための改良されたパワースイッチ、さらに、バッテリシステムのためのパワースイッチを駆動するための改良された方法、最後に、上記パワースイッチを利用する対応するバッテリシステムが提示される。有利な構成が、各従属請求項、及び、以下の明細書の記載から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
パワースイッチが、大電流の切り替えとともに、通信信号を伝送するために利用されうる。その際に、パワースイッチのスイッチング特性を、大電流の切り替えに鑑みて及び通信信号の伝送に鑑みて最適化することが有利である。このことは有利に、大電流の切り替えのための、パワースイッチの少なくとも１つのスイッチと、通信信号の伝送のための、パワースイッチの更なる別のスイッチと、が使用されることにより行われうる。
【０００６】
バッテリシステムのためのパワースイッチであって、パワースイッチは、以下の特徴、即ち、
第１の端子、第２の端子、及び、駆動信号を受信する制御端子と、
駆動信号を利用して、電力スイッチング信号及び通信信号を決定する素子と、
電力スイッチング信号を利用した第１の端子と第２の端子との間の電気的接続の切り替えのための少なくとも１つの第１のスイッチを備えた電力部と、
通信信号を利用した第１の端子と第２の端子との間の電気的接続の切り替えのための少なくとも１つの第２のスイッチを備えた通信部と、
を有する、上記パワースイッチが提示される。
【０００７】
パワースイッチは、例えば、インバータ、インバータ回路、又は、１つ以上のバッテリセルを備えたバッテリシステムのためのものとして理解されうる。バッテリシステムは、車両又は原動機付きの乗物のために利用されうる。車両とは、例えば、乗用自動車、オートバイ、トラック、トラクター、バス、作業機械、産業車両、又は、レール車両でありうる。パワースイッチは、３つの端子を有しうる。制御端子は、ゲート端子、又はゲート電極と呼ばれうる。第１の端子とは、ドレイン電極、ドレイン端子、コレクタ、又は、コレクタ端子として理解されうる。第２の端子とは、ソース電極、ソース端子、エミッタ、又は、エミッタ端子として理解されうる。電力部の少なくとも１つの第１のスイッチ、及び、通信部の少なくとも１つの第２のスイッチは、半導体スイッチ、例えばトランジスタとして理解されうる。
【０００８】
上記決定する素子は、電力スイッチング信号を駆動信号の第１の信号成分として決定し、通信信号を駆動信号の第２の信号成分として決定するよう構成されうる。上記信号成分は、駆動信号の様々な周波数範囲によって定義されうる。例えば、第１の信号成分は、駆動信号の低周波の周波数範囲に対応付けられ、第２の信号成分は、駆動信号の高周波信号成分に対応付けられうる。例えば、上記の信号成分は、適切なフィルタ装置によって簡単に駆動信号から抽出されうる。
【０００９】
このために、上記決定する素子は、ローパスフィルタと、ハイパスフィルタと、を有しうる。上記決定する素子は、駆動信号の低周波信号成分を含む電力スイッチング信号を決定するために、ローパスフィルタを利用して駆動信号にフィルタリングを施すよう構成されうる。上記決定する素子は、駆動信号の高周波信号成分を含む通信信号を決定するために、ハイパスフィルタを利用して駆動信号にフィルタリングを施すよう構成されうる。ハイパスフィルタは、ハイパス又は低域遮断フィルタとも呼ばれるが、制限周波数を上回る信号の周波数をほぼ弱めずに通過させ、制限周波数を下回るより低い周波数を減衰させるよう構成されたフィルタとして理解されうる。ローパスフィルタは、ローパスとも呼ばれるが、制限周波数を下回る信号の周波数をほぼ弱めずに通過させ、制限周波数を上回るより高い周波数を減衰させるよう構成されたフィルタとして理解されうる。このようなフィルタは、安価に実現される。
【００１０】
電力部は、電力スイッチング信号を利用して駆動可能な複数の第１のスイッチを有しうる。このようにして、電力部を介して切り替えられる電流が複数のスイッチに分散され、これにより、電力部の過熱が防止されうる。
【００１１】
通信部は、通信信号を利用して駆動可能な複数の第２のスイッチを有しうる。その際に、電力部の第１のスイッチの数は、通信部の第２のスイッチの数よりも多くありうる。例えば、第１のスイッチの数は、第２のスイッチの数の少なくとも１００倍でありうる。
【００１２】
その際に、電力部の複数の第１のスイッチと通信部の複数の第２のスイッチとは、第１の端子と第２の端子の間に並列に接続されうる。従って、パワースイッチのスイッチは、公知のパワースイッチに対応して配置されうる。
【００１３】
パワースイッチは、半導体素子として実現されうる。このような素子は、製造コストが安価で必要な設置空間が小さいことにより卓越している。
【００１４】
パワースイッチは、少なくとも１つの第１のスイッチ及び少なくとも１つの第２のスイッチを利用して、１００ｍアンペアよりも大きい電流を、第１の端子と第２の端子との間で切り替えるよう構成されうる。特に、パワースイッチは、少なくとも５００アンペアの電流を切り替えるよう構成されうる。これにより、例えば個別バッテリセルが１００Ａより大きい電流であるがわずか４Ｖの電圧において接続されうる大電流スイッチが実現可能である。これによりパワースイッチは、車両のバッテリシステム内で発生した電流を切り替えるために適している。
【００１５】
さらに、バッテリシステムであって、以下の特徴、即ち、
少なくとも１つのバッテリセルと、
上記のパワースイッチであって、パワースイッチの第１の端子又は第２の端子は、少なくとも１つのバッテリセルの端子接点と結合されている、上記パワースイッチと、
駆動信号をパワースイッチの制御端子へと提供するよう構成された制御装置と、
を有する、上記バッテリシステムが提示される。
【００１６】
バッテリセルは、例えば、リチウム（Ｌｉ）イオンセルでありうる。バッテリシステムはさらに、１つ以上のバッテリモジュールに纏められる複数のバッテリセルを有しうる。その際に、バッテリモジュールにはパワースイッチが１つずつ割り当てられる。
【００１７】
バッテリシステムのためのパワースイッチを駆動する方法であって、パワースイッチは、第１の端子、第２の端子、制御端子、少なくとも１つの第１のスイッチを備えた電力部、及び、少なくとも１つの第２のスイッチを備えた通信部を有し、上記方法は、以下の工程、即ち、
制御端子に印加された駆動信号を利用して、電力スイッチング信号及び通信信号を決定する工程と、
電力部の少なくとも１つの第１のスイッチを利用して第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、電力スイッチング信号を利用する工程と、
通信部の少なくとも１つの第２のスイッチを利用して第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、通信信号を利用する工程と、
を含む、上記方法が提示される。
【００１８】
本方法によって、電力信号での重畳されたデータ通信が創出されうる。パワースイッチを切り替える方法は、２つの周波数範囲についてのパワースイッチ又はトランジスタのスイッチング挙動の最適化が有利である適用において使用されうる。これは、例えば、パワースイッチ又はトランジスタで電力スイッチング挙動と通信信号伝送とが組み合わされる場合に該当しうる。従って、上記方法は、例えば、電気自動車及びハイブリッド自動車内のバッテリシステム又は高電圧バッテリにおける、同時の駆動及びパワースイッチ構想のために、特に、セル又はモジュールに組み込まれたパワーエレクトロニクスによるインバータ構想において、利用されうる。
【００１９】
本明細書で提示されるアプローチによってさらに、本明細書で提示される方法の変形例の工程を対応する装置で実行し制御し又は実施するよう構成された制御装置が創出される。制御装置の形態による本発明の本変形例によっても、本発明の根底にある課題が、迅速かつ効率良く解決されうる。
【００２０】
制御装置は、本明細書では、センサ信号を処理しこれに従って制御信号及び／又はデータ信号を出力する電気的装置として理解されうる。制御装置は、ハードウェア及び／又はソフトウェアにより構成可能なインタフェースを有しうる。ハードウェアによる構成では、インタフェースは例えば、制御装置の様々な機能を含む所謂システムＡＳＩＣの構成要素でありうる。しかしながら、インタフェースが固有の集積回路であり又は少なくとも部分的に別々の構成要素で構成されるということも可能である。ソフトウェアによる構成では、インタフェースは、例えば他のソフトウェアモジュールと共にマイクロコンピュータ上に存在するソフトウェアモジュールでありうる。
【００２１】
さらに、半導体メモリ、ハードディスク、又は光メモリ等の読み取り可能な担体又は記憶媒体に格納可能なプログラムコードであって、特にプログラム製品又はプログラムがコンピュータ又は装置で実行される場合に上記の実施形態のいずれか１つに記載の方法の工程を実行、実施、及び／又は制御するために利用される上記プログラムコードを含む、コンピュータプログラム製品又はコンピュータプログラムも有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本明細書で提示されるアプローチが、以下では、添付の図面を用いて例示的に詳細に解説される。
【図１】本発明の一実施例に係るパワースイッチのブロック図を示す。
【図２】本発明の一実施例に係るパワースイッチの概略図を示す。
【図３】バッテリシステムのためのパワースイッチの概略図を示す。
【図４】本発明の一実施例に係るバッテリシステムのためのパワースイッチのブロック図を示す。
【図５】バッテリシステムのためのパワースイッチの正規化された信号の簡略化された図を示す。
【図６】本発明の一実施例に係るバッテリシステムのためのパワースイッチを駆動する方法のフロー図を示す。
【図７】本発明の一実施例に係るバッテリシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の有利な実施例についての以下の明細書の記載において、様々な図に示され同じように作用する構成要素については、同一又は類似した符号を利用し、これら構成要素についての重複説明は行わない。
【００２４】
図１は、本発明の一実施例に係るパワースイッチ１００のブロック図を示している。パワースイッチ１００は、３つの端子１０２、１０４、１０６を有する。制御端子１０２は、駆動信号１０８を受信するよう構成される。パワースイッチ１００は、駆動信号１０８に制御されて、第１の端子１０４と第２の端子１０６との間の電気的接続を切り替え又は確立するよう構成されている。パワースイッチ１００は、電力スイッチング信号１１４及び通信信号１１６を決定する素子１１２を有する。上記決定する素子１１２は、駆動信号１０８を利用して、電力スイッチング信号１１４及び通信信号１１６を決定するよう構成されている。パワースイッチ１００は、電力部１１８と、通信部１２０と、を有する。少なくとも１つの第１のスイッチ１２２を備える電力部１１８は、電力スイッチング信号１１４を利用して、第１の端子１０４と第２の端子１０６との間の電気的接続を確立するよう構成されている。少なくとも１つの第２のスイッチ１２４を備える通信部１２０は、通信信号１１６を利用して、第１の端子１０４と第２の端子１０６との間の電気的接続を確立するよう構成されている。
【００２５】
一実施例において、パワースイッチ１００は、図７に示すようなバッテリシステムのための重畳されたデータ通信のために利用される。例えば、バッテリシステムは、電気自動車又はハイブリッド自動車で使用される。
【００２６】
図１では示されない実施例において、上記決定する素子１１２は、ローパスフィルタと、ハイパスフィルタと、を有する。上記決定する素子１１２は、一実施例において、駆動信号１０８の低周波信号成分を含む電力スイッチング信号１１４を決定するために、ローパスフィルタを利用して駆動信号１０８にフィルタリングを施すよう構成される。さらに、上記決定する素子１１２は、駆動信号１０８の高周波信号成分を含む通信信号１１６を決定するために、ハイパスフィルタを利用して駆動信号１０８にフィルタリングを施すよう構成される。
【００２７】
図示されない実施例において、電力部１１８は、電力スイッチング信号１１４を利用して駆動可能な複数の第１のスイッチ１２２を備える。第１のスイッチ１２２は、第１の端子１０４と第２の端子１０６の間に互いに並列に接続される。
【００２８】
通信部１２０は、通信信号１１６を利用して駆動可能な複数の第２のスイッチ１２４を有しうる。その際に、第２のスイッチ１２４は、第１の端子１０４と第２の端子１０６の間に互いに並列に接続される。
【００２９】
その際に、電力部１１８の第１のスイッチ１２２の数は、通信部１２０の第２のスイッチ１２４の数よりも多い。
【００３０】
図２は、本発明の一実施例に係るパワースイッチ１００の概略図を示している。パワースイッチ１００は、制御端子１０２と、第１の端子１０４と、第２の端子１０６と、を有する。ハウジング２２６が、パワースイッチ１００の素子を包囲している。
【００３１】
制御端子１０２は、ゲート端子１０２とも称される。第１の端子１０４は、ドレイン端子１０４、コレクタ１０４、又は、コレクタ端子１０４とも称される。第２の端子１０６は、ソース端子１０６、エミッタ１０６、又はエミッタ端子１０６とも称される。
【００３２】
図２に示すパワースイッチ１００は、図１で示したパワースイッチ１００がハウジング内に配置されている実施例でありうる。変形例において、パワースイッチ１００は、１００アンペアより大きい電流及び１０００Ｖより大きい電圧を切り替えるよう構成された半導体素子である。その際にパワースイッチによって、電力信号に重畳されたデータ通信が創出される。
【００３３】
図３は、バッテリシステムのためのパワースイッチ３００のブロック図を示している。パワースイッチ３００は、制御端子１０２と、第１の端子１０４と、第２の端子１０６と、４つのスイッチ３２２又は個別スイッチ３２２と、を有する。
【００３４】
図３に示す実施例は、個別スイッチ３２２の典型的な配置を示しており、ここでは、４つの個別スイッチ３２２（典型的にはトランジスタ３２２）の並列配置が示されている。Ｎ個の上記個別スイッチ３２２の並列接続によって、個別スイッチ３２２のほぼＮ倍に対応する電流容量が実現される。
【００３５】
トランジスタ３００とも称されるパワースイッチ３００のために、総電流容量Ｉｇｅｓについて近似的に、Ｎ個のトランジスタ３２２全ての個別電流容量Ｉｅｉｎｚｅｌの総和が以下のように得られる。
Ｉｇｅｓ＝Ｎ＊Ｉｅｉｎｚｅｌ                                            （１）
【００３６】
トランジスタ３００の周波数応答特性は、制御入力口１０２での入力容量ＣＧの大きさによって決定的に定められる。その際に、時定数ＴＧは、以下のように、ＣＧと線路抵抗ＲＧとの積から計算される。
ＴＧ＝ＣＧ＊ＲＧ                                                    （２）
【００３７】
個別トランジスタ３２２が並列接続されてトランジスタ３００全体が形成されている際には、以下のように、各個別入力容量ＣＧ  ｅｉｎｚｅｌが足し合わされて、総入力容量ＣＧ＿ｇｅｓとなる。
ＣＧ＿ｇｅｓ＝ＣＧ  ｅｉｎｚｅｌ＊Ｎ                                        （３）
【００３８】
従って、総時定数ＴＧ＿ｇｅｓについて、以下のように、数式（２）及び（３）から獲得される。
ＴＧ＿ｇｅｓ＝ＣＧ  ｅｉｎｚｅｌ＊Ｎ＊ＲＧ                                  （４）
【００３９】
従って、個別容量ＣＧ  ｅｉｎｚｅｌの総和によって、ＴＧ＿ｇｅｓは、個別トランジスタ３２２と比較してＮ倍大きく、これによりスイッチング挙動においてもＮ倍遅くなる。
【００４０】
図４は、本発明の一実施例に係るバッテリシステムのためのパワースイッチ１００のブロック図を示している。パワースイッチ１００は、図１で示したパワースイッチ１００の一実施例でありうる。その際に、電力部１１８は、Ｎ−ｎ個の第１のスイッチ１２２を備え、通信部１２０は、ｎ個の第２のスイッチ１２４を備える。図４では、電力部１１８について、Ｎ−ｎ個の第１のスイッチ１２２のうち２個の第１のスイッチ１２２のみ示されている。通信部１２０は、２個の第２のスイッチ１２４を有する。有利な実施例において、電力部１１８の第１のスイッチ１２２の数は、通信部１２０の第２のスイッチ１２４の数よりも、例えば少なくとも１００倍多い。
【００４１】
パワースイッチ１００はさらに、駆動信号１０８を受信するための制御端子１０２を有する。さらに、パワースイッチ１００は、第１の端子１０４と、第２の端子１０６と、を有する。制御端子１０２は、上記決定する素子１１２と接続されている。上記決定する素子１１２は、ローパスフィルタ４３０と、ハイパスフィルタ４３２と、を備える。ローパスフィルタ４３０は、駆動信号１０８を利用して電力信号１１４を決定するよう構成される。ハイパスフィルタ４３２は、駆動信号１０８を利用して通信信号１１６を決定するよう構成される。電力部１１８の第１のスイッチ１２２と、通信部１２０の第２のスイッチ１２４とは、第１の端子１０４と第２の端子１０６との間に並列に接続されている。
【００４２】
一実施例において、ローパスフィルタ４３０が、駆動信号１０８に応じて電力信号１１４を決定する。ハイパスフィルタ４３２は、駆動信号１０８に応じて通信信号１１６を決定する。
【００４３】
ローパスフィルタ４３０の出力口４３４は、第１の信号線４３６又は低周波信号線４３６を介して、電力部１１８の第１のスイッチ１２２の制御端子４３８と接続されている。ハイパスフィルタ４３２の出力口４４０は、第２の信号線４４２又は高周波信号線４４２を介して、通信部１２０の第２のスイッチ１２４の制御端子１４４と接続されている。電力部１１８の第１のスイッチ１２２の制御端子４３８と、第２の端子１０６と、の間にはそれぞれコンデンサＣＧ＿ＮＦが配置され、制御端子４３８及び第２の端子１０６と電気的に接続されている。通信部１２０の第２のスイッチ１２４の制御端子４４４と、第２の端子１０６と、の間にはそれぞれコンデンサＣＧ＿ＨＦが配置され、制御端子４４４及び第２の端子１０６と電気的に接続されている。
【００４４】
図４に示すパワースイッチ１００は、図３に示したパワースイッチ３００と構造的に類似している。図３に示したパワースイッチ３００も、図４で示すパワースイッチ１００も、Ｎ個のスイッチ３２２（図３）、又は、総数Ｎ個の第１のスイッチ１２２及び第２のスイッチ１２４（図４）を有する。図３では、制御入力口１０２に印加された駆動信号１０８は直接的にスイッチ３２２に導かれるが、図４では、上記決定する素子１１２で、駆動信号１０８から電力信号１１４及び通信信号１１６が決定され、電力信号１１４は、電力部１１８の第１のスイッチ１２２へと導かれ、通信信号１１６は、通信部１２０の第２のスイッチ１２４へと導かれる。
【００４５】
Ｎ個の第１及び第２のスイッチ１２２、１２４のうち、明らかにより小さな数であるｎ個の第２のスイッチ１２４が、別に制御端子１０２と接続されており、高周波信号成分のスイッチング過程のために利用される。これにより、トランジスタ全体の電流容量Ｉｇｅｓについて、Ｎ−ｎ個の第１のスイッチ１２２を介して切り替えられる低周波成分ＩＮＦと、ｎ個の第２のスイッチ１２４を介して切り替えられる高周波成分ＩＨＦと、への分割が以下のように獲得される。
Ｉｇｅｓ＝ＩＮＦ＋ＩＨＦ＝Ｉｅｉｎｚｅｌ＊（Ｎ−ｎ）＋Ｉｅｉｎｚｅｌ＊ｎ        （５）
【００４６】
ｎ＜Ｎであること、即ち、第２のスイッチ１２４の数であるｎが、第１のスイッチ１２２の数であるＮよりも著しく少ないことが前提とされているため、低周波範囲における電流容量ＩＮＦがほぼ損なわれないと見做され、即ち、Ｉｇｅｓは、ほぼＩＮＦであり、低周波信号線４３６に接続されたトランジスタコンデンサＣＧ＿ＮＦに対応する時定数ＴＧ＿ＮＦも、ほぼ時定数ＴＧである。
ＴＧ＿ＮＦ＝ＣＧ＿ＮＦ＊（Ｎ−ｎ）                                      （６）
【００４７】
これに対して、高周波信号線４４２に接続された第２のスイッチ１２４については、以下のように電流容量ＩＨＦが得られる。
ＩＨＦ＝Ｉｅｉｎｚｅｌ＊ｎ                                              （７）
【００４８】
従って、ＩＨＦ＜Ｉｇｅｓである。しかしながら、高周波では通信信号１１６のみが低周波の経路よりも明らかに小さい電力により伝送されるため、この制限は欠点とならない。
【００４９】
有利に、高周波の信号経路での時定数ＴＧ＿ＨＦは以下のように得られる。
ＴＧ＿ＨＦ＝ＣＧ＿ｅｉｎｚｅｌ＊ｎ＊ＲＧ                                    （８）
【００５０】
上記時定数ＴＧ＿ＨＦは、図３で示したパワースイッチ全体、即ちパワースイッチ３００の時定数ＴＧよりもＮ／ｎ倍ほど小さい。従って、切り替えの過渡時間が著しく削減され、従って、このパワースイッチ１００は、高周波信号成分の伝送のためにも適している。パワースイッチ１００の駆動においては、従来のシステムとの相違は生じない（適合のためにコストが掛からない）。というのは、これまでと同様に制御端子１０２のみ存在しており、電力信号１１４への低周波で重畳される駆動信号１０８の信号分割、及び、通信信号１１６への高周波で重畳される駆動信号１０８の信号分割が、パワー半導体素子１００で、又はパワースイッチ１００の内部の上記決定する素子１１２で行われるからである。低周波の電力信号１１４のための最適化されたスイッチング挙動と、高周波のデータ信号１１６のための最適化されたスイッチング挙動と、の組み合わせは、従来技術に対する明らかな改善であり、例えば電気自動車内のメインバッテリで、モジュール又はバッテリセルへの通信信号及びインバータ電流を同時に切り替えるために利用されうる。
【００５１】
有利に、スイッチ１２２、１２４を電力部１１８と通信部１２０とに分けることによって、高周波信号を切り替えるためのパワースイッチ１００の時間的挙動が改善される。
【００５２】
図５は、パワースイッチの正規化された信号１０８、１１４、１１６の簡略化された図を示している。ここでは、駆動信号１０８、電力信号１１４、及び通信信号１１６が上下に重ねて示されている。上記の信号１０８、１１４、１１６はそれぞれ、縦軸に正規化された振幅をとり横軸に正規化された単位時間をとったデカルト座標系で示されている。駆動信号１０８は、ゲート駆動信号１０８とも称されうる。電力信号１１４は、低周波の電力スイッチング信号１１４とも称されうる。通信信号１１６は、高周波の通信信号１１６として理解されうる。信号１１８、１１４、１１６は、交流信号である。その際に、駆動信号１０８は、３つの互いに異なる信号レベルを有し、電力信号１１４及び通信信号１１６は、２つの互いに異なる信号レベルを有する。上記信号の周期は、図５については任意に選択されている。その際に、電力信号１１４の図は、低周波信号を表し、通信信号１１６の図は、高周波信号を表している。示される実施例では、駆動信号１０８は、電力信号１１４と通信信号１１６とを足し合わせたものに相当する。
【００５３】
図６は、本発明の一実施例に係るバッテリシステムのための重畳されたデータ通信のためのパワースイッチを駆動する方法のフロー図を示している。パワースイッチは、例えば図１又は図４で示したパワースイッチ１００の一実施例でありうる。本方法は、パワースイッチの制御端子に印加された駆動信号を利用して、電力スイッチング信号及び通信信号を決定する工程６０２と、電力部の少なくとも１つの第１のスイッチを利用して第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、電力スイッチング信号を利用する工程６０４と、通信部の少なくとも１つの第２のスイッチを利用して第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、通信信号を利用する工程６０６と、を含む。
【００５４】
一実施例において、上記利用する工程６０４において、パワースイッチの電力部が、第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、電力スイッチング信号を利用して駆動され、さらに、上記利用する工程６０６において、パワースイッチの通信部が、第１の端子と第２の端子との間の電気的接続を切り替えるために、通信信号を利用して駆動される。その際に、電気的接続を切り替えるために、工程６０４において電力部の第１のスイッチが駆動され、工程６０６において通信部の第２のスイッチが駆動される。
【００５５】
上記の駆動工程６０４、６０６は、典型的に互いに並行して実行されるが、逐次的に実行することも可能である。
【００５６】
任意の実施例において、上記決定する工程６０２において、電力スイッチング信号及び通信信号が、信号処理仕様書を利用して決定される。その際に、少なくとも１つの信号処理仕様書と、駆動信号と、を利用して、駆動信号の低周波信号成分を含む電力スイッチング信号と、駆動信号の高周波信号成分を含む通信信号と、が決定される。
【００５７】
図６で説明した方法の一観点は、電気的スイッチ、典型的には、１つの構成要素として製造されたパワースイッチが、大電流（電気自動車の場合には数百アンペア）を切り替える特性と、高周波の通信信号を切り替える特性と、を有するということである。有利に、パワーエレクトロニクス（モジュールレベル又はセルレベルでのインバータ）が組み込まれたバッテリセル又はバッテリモジュールは、追加的な通信ドライバ無しで、セル又はモジュールと中央制御装置との間で測定データ及び制御データを交換することが可能である。
【００５８】
図７は、本発明の一実施例に係るバッテリシステム７５０の概略図を示している。バッテリシステム７５０は、リチウム（Ｌｉ）バッテリ７５０でありうる。バッテリシステム７５０は、図示される実施例では、制御装置７５２と、バッテリモジュール７５４と、を備え、バッテリモジュール７５４は、パワースイッチ１００と、２つのバッテリセル７５６と、例えばセンサ７５７と、を有する。
【００５９】
制御装置７５２は、制御線７５８を介してパワースイッチ１００の制御端子１０２と接続されている。バッテリシステム７５０は、第１の端子７６０と、第２の端子７６２と、を有する。第１の端子７６０は、パワースイッチ１００の第１の端子と接続されている。パワースイッチ１００の第２の端子は、バッテリセル７５６の第１の端子及びセンサ７５７の通信接続部と接続されている。バッテリセル７５６の第２の端子は、バッテリシステム７５０の第２の端子７６２と接続されている。
【００６０】
一実施例において、パワートランジスタ１００とも称されるパワースイッチ１００は、例えばリチウム（Ｌｉ）イオンバッテリでの重畳されたデータ通信のための最適化されたスイッチング挙動を有する。
【００６１】
図７に示す実施例で提示されるパワースイッチ１００は、追加的に通信ドライバとして使用される。有利に、ここで記載する、モジュール又はセルに組み込まれたパワースイッチ１００が、通信ドライバとして利用される際には、スイッチング挙動（立ち上がり時間、入力容量…）が、通信周波数に対しても、（典型的に１００ｋＨｚより高い）通信周波数と比べて明らかにより低い、パワースイッチ１００の周波数に対して、即ち、インバータ周波数（典型的に１ｋＨＺ〜１０ｋＨｚ）に対しても適合される。
【００６２】
上述の図に示された実施例は、単に例示的に選択されたものである。様々な実施例を、完全に又は個々の特徴に関して互いに組み合わせることが可能である。さらに、１の実施例は、他の実施例の特徴によって補完されうる。さらに、本明細書で提示した処理工程は、繰り返して実行され、さらに、記載された順番とは異なる順番で実行されうる。
【００６３】
一実施例が、第１の特徴と第２の特徴との間の「及び／又は」という結合を含む場合には、当該実施例が、一実施形態によれば第１の特徴も第２の特徴も有し、他の実施形態によれば第１の特徴又は第２の特徴のみを有すると理解されたい。
【図１】
0006325747.tif 000002
【図２】
0006325747.tif 000003
【図３】
0006325747.tif 000004
【図４】
0006325747.tif 000005
【図５】
0006325747.tif 000006
【図６】
0006325747.tif 000007
【図７】
0006325747.tif 000008