DE102010063258A1

DE102010063258A1 - Vorrichtung zum Messen einer Zellspannung einer Batterie

Info

Publication number: DE102010063258A1
Application number: DE102010063258A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: DE102010063258B4; WO2012079821A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Messen einer Zellspannung einer Batteriezelle (1) einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen (1) eingeführt. Die Vorrichtung weist eine Regelzelle mit einem Transimpedanzverstärker (2), einem ersten Widerstand (3) und einem Stromventil (4) auf. Der Transimpedanzverstärker (2) besitzt einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang und ist ausgebildet, einen zu einer Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Spannung am ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) und einer zweiten Spannung am zweiten Eingang des Transimpedanzverstarkers (2) proportionalen Strom an eine Steuerelektrode des Stromventils (4) auszugeben. Der erste Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) ist mit einem ersten Anschluss des ersten Widerstandes (3) und einem ersten Anschluss des Stromventils (4) verbunden. Ein erster Eingang der Regelzelle ist mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes (3), ein zweiter Eingang der Regelzelle mit dem zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) und ein Ausgang der Regelzelle mit einem zweiten Anschluss des Stromventils (4) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Zellspannung einer Batteriezelle einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbaren Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Der Ausfall einer Batteriezelle kann wegen der Serienschaltung zum Ausfall der Batterie und dieser wiederum zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, weshalb insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Batterie gestellt werden. Um den Zustand der Batterie und der einzelnen Batteriezellen möglichst genau erfassen und so einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, werden neben anderen Parametern der Batterie beziehungsweise Batteriezellen insbesondere auch die Spannungen der Batteriezellen regelmäßig gemessen. Dabei besteht jedoch das Problem, dass zwar die zu messenden Zellspannungen eher geringe Spannungen darstellen, wegen der Serienschaltung der Batteriezellen aber sehr unterschiedliche Potentiale an den Polen einer jeweiligen Batteriezelle vorliegen können. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn eine einzelne Messvorrchtung zum Messen der Zellspannungen aller Batteriezellen verwendet werden soll, weil diese Messvorrichtung wenigstens ausgangsseitig ein festes Verhältnis zum Massepotential aufweisen wird. Bei einer Anzahl von n seriengeschalteten Batteriezellen wird eine erste Batteriezelle an den Polen der Batteriezelle Potentiale von 0 V und dem Betrag der Zellspannung aufweisen, die n. Batteriezelle jedoch Potentiale von etwa dem (n – 1)-fachen und dem n-fachen einer durchschnittlichen Zellspannung.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Messen einer Zellspannung einer Batteriezelle einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen eingeführt. Die Vorrichtung weist eine Regelzelle mit einem Transimpedanzverstärker, einem ersten Widerstand und einem Stromventil auf. Der Transimpedanzverstärker besitzt einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang und ist ausgebildet, einen zu einer Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Spannung am ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers und einer zweiten Spannung am zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers proportionalen Strom an eine Steuerelektrode des Stromventils auszugeben. Der erste Eingang des Transimpedanzverstärkers ist mit einem ersten Anschluss des ersten Widerstandes und einem ersten Anschluss des Stromventils verbunden. Ein erster Eingang der Regelzelle ist mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes, ein zweiter Eingang der Regelzelle mit dem zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers und ein Ausgang der Regelzelle mit einem zweiten Anschluss des Stromventils verbunden.
Die Vorrichtung der Erfindung erlaubt, eine Spannung über einen hohen Potentialunterschied hinweg zu messen. Dabei wird erfindungsgemäß die zu messende Spannung in einen zu der messenden Spannung proportionalen Strom gewandelt, welcher dann beispielsweise über einen Referenzwiderstand geleistet werden kann, an dem die eigentliche Spannungsmessung mit einem definierten Bezugspotential durchgeführt wird. Um eine ausreichende Genauigkeit bei der Wandlung der zu messenden Spannung in den proportionalen Strom zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß ein Regelkreis aufgebaut, bei dem ein Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers an eine Steuerelektrode eines Stromventils ausgegeben wird, welches wiederum einen Strom durch einen ohmschen Widerstand kontrolliert. Die Spannung über diesem Widerstand wird vom Transimpedanzverstärker mit der Zellspannung verglichen, wodurch eine Gegenkopplung realisiert wird. Ist die Zellspannung an einem Eingang des Transimpedanzverstärkers größer als die Spannung über den ohmschen Widerstand, steigt der Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers und wird die Steuerelektrode des Stromventils entsprechend aufsteuern. Das Stromventil lässt daher einen größeren Strom passieren, wodurch auch die Spannung über den mit dem Stromventil verbundenen ohmschen Widerstand steigt, so dass die beiden Spannungen sich wieder einander angleichen. Der aus dem Stromventil fließende Strom kann nun unabhängig vom Potential der Batteriezelle an eine Messvorrichtung geleitet werden, welche beispielsweise einen Widerstand bekannter Größe und eine Spannungsmessvorrichtung umfassen kann. Naturgemäß kann die Gegenkopplung auch mit jeweils umgekehrten Vorzeichen realisiert werden, so dass der Ausgangsstrom des Transimpedanzverstarkers im oben stehenden Beispielfall abnimmt. Dabei wird dann ein Stromventil verwendet, das eine entsprechend invertierte Kennlinie besitzt, also für sinkende Eingangsströme oder -spannungen höhere Ströme passieren lässt.
Die Vorrichtung kann einen Stromspiegel besitzen, der einen mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers verbundenen Eingang und einen mit der Steuerelektrode des Stromventils verbundenen Ausgang aufweist. Durch den Stromspiegel können die Arbeitspunkte des Transimpedanzverstärkers und des Stromventils unabhängig voneinander eingestellt werden.
Bevorzugt ist der Transimpedanzverstärker als Differenzverstärker ausgebildet, wobei ein erster von zwei Zweigen des Differenzverstärkers mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers verbunden ist und der Differenzverstärker einen Eingang für eine Stromquelle aufweist. Bei dieser Ausführungsform fließt der Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers in einem der beiden Zweige des Differenzverstärkers, während die Rückkopplung durch Ansteuerung des anderen Zweiges des Differenzverstärkers bewirkt wird. In einem stationären Zustand wird idealerweise in jedem Zweig des Differenzverstärkers ein Strom desselben Betrages fließen. Diese Ausführungsform kann besonders vorteilhaft mit einem Stromspiegel gemäß der vorhergehenden Ausführungsform kombiniert werden.
Die Vorrichtung kann eine mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers (beziehungsweise mit der Steuerelektrode des Stromventils) verbundene Sollstromquelle besitzen, welche ausgebildet ist, einen konstanten Sollstrom zu führen. Besonders bevorzugt beträgt deren Stromstärke bei Ausführungsformen, bei denen der Transimpedanzverstärker als Differenzverstärker ausgeführt ist, die Hälfte des Prägestromes des Differenzverstärkers und entspricht somit im eingeschwungenen Zustand dem Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers. Auf diese Weise fließen im eingeschwungenen Zustand Ströme der gleichen Größe auf die Steuerelektrode und von dieser ab, so dass die Spannung an der Steuerelektrode konstant bleibt. Nur wenn das Regelsystem einer Veränderung folgen muss, werden sich entsprechende Unterschiede zwischen den Beträgen der zu- und abfließenden Ströme ergeben, die die Spannung der Steuerelektrode des Stromventils entsprechend nachführen.
Die Vorrichtung weist besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Regelzellen auf, wobei der Eingang für die Stromquelle einer ersten der Regelzellen mit einer Stromquelle und der erste Zweig des Differenzverstärkers einer jeweiligen Regelzelle mit dem Eingang für die Stromquelle einer verbleibenden Regelzelle verbunden sind und wobei die ersten Widerstände der Mehrzahl von Regelzellen in Reihe geschaltet sind. Indem mehrere Regelzellen kaskadiert werden, kann ein Ausgangsstrom erzeugt werden, der von mehreren Zellspannungen von Batteriezellen, die mit den jeweiligen Regelzellen verbunden sind, abhängig ist. Der Strom, der durch einen Zweig des als Differenzverstärker ausgeführten jeweiligen Transimpedanzverstärkers fließt, stellt jeweils den Prägestrom für den Differenzverstärker der darüber liegenden Regelzelle dar. Auf diese Weise braucht nur der Differenzverstärker der untersten Regelzelle der Kaskade an eine Stromquelle angeschlossen zu werden.
Bei einer solchen Vorrichtung kann der erste Zweig des Differenzverstärkers jeder der Mehrzahl von Regelzellen einen ersten Transistor aufweisen, welcher eine mit dem ersten Eingang der jeweiligen Regelzelle verbundene Steuerelektrode besitzt. Diese Ausführungsform stellt einen Ausgangsstrom bereit, der proportional zu einer minimalen Zellspannung der an die einzelnen Regelzellen angeschlossenen Batteriezellen ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann jede der Regelzellen einen zweiten und einen dritten Widerstand umfassen, wobei der erste Zweig des Differenzverstärkers jeder der Mehrzahl von Regelzellen einen zweiten Transistor aufweist, welcher eine mit einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand der jeweiligen Regelzelle verbundene Steuerelektrode besitzt. Diese Ausführungsform stellt einen Ausgangsstrom bereit, der proportional zu einer maximalen Zellspannung der an die einzelnen Regelzellen angeschlossenen Batteriezellen ist. Die jeweils freibleibenden Anschlüsse des zweiten und dritten Widerstandes stellen hierbei den zweiten Eingang der jeweiligen Regelzelle dar und werden im Betrieb mit den beiden Polen einer Batteriezelle verbunden.
Zwischen die Steuerelektrode des Stromventils und den Ausgang des Transimpedanzverstärkers kann ein Differenzverstärker geschaltet sein, der einen mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers verbundenen ersten Eingang, einen mit einem Referenzpotential verbundenen zweiten Eingang und einen mit der Steuerelektrode des Stromventils verbundenen Ausgang besitzt. Diese Ausführungsform erlaubt ein einfaches Einstellen der Schleifenbandweite des Regelkreises und kann einfach stabilisiert werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, und einer mit wenigstens einer der Batteriezellen verbundenen Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein.
Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 eine Teilansicht eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
8 ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein erster Pol einer Batteriezelle 1, welche mit weiteren Batteriezellen zu einem Strang in Reihe geschaltet ist, ist mit einem von zwei Eingängen eines Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Der zweite Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 ist mit einem Anschluss eines Widerstandes 3 verbunden, dessen weiterer Anschluss wiederum mit einem verbleibenden Pol der Batteriezelle 1 verbunden ist. Der Ausgang des Transimpedanzverstärkers 2 ist mit einer Steuerelektrode eines Stromventils 4 verbunden, welcher im gezeigten Beispiel als npn-Transistor ausgeführt ist. Es können jedoch auch andere Transistortypen oder auch komplexere Schaltungen als Stromventil 4 zum Einsatz kommen. Das Stromventil ist zwischen den mit dem Transimpedanzverstärker 2 verbundenen Anschluss des Widerstandes 3 und die eigentliche Spannungsmessvorrichtung, die in allen Ausführungsbeispielen nur beispielhaft gezeigt ist, geschaltet. Diese Spannungsmessvorrichtung kann einen Referenzwiderstand 5 mit einem bekannten Widerstandswert und Voltmeter 6 umfassen, welches die über dem Referenzwiderstand 5 abfallende Spannung misst.
Der Transimpedanzverstärker 2 vergleicht die Zellspannung der Batteriezelle 1 mit der über dem Widerstand 3 abfallenden Spannung und erzeugt einen Ausgangsstrom, dessen Größe proportional zur Differenz der beiden Spannungen ist. Dieser Ausgangsstrom gelangt an die Steuerelektrode des Stromventils 4 und beeinflusst so den Strom, den das Stromventil 4 passieren lässt. Je mehr Strom das Stromventil 4 passieren lässt, desto größer wird die Spannung, die über dem Widerstand 3 abfällt. Dies führt dazu, dass die Spannung an einem Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 ansteigt, woraufhin die Differenz der Eingangsspannungen abnimmt und der Transimpedanzverstärker 2 auch seinen Ausgangsstrom entsprechend verringert. Fließt jedoch zu wenig Strom über den Widerstand 3, wird der Transimpedanzverstärker 2 entsprechend wieder mehr Strom an die Steuerelektrode des Stromventils 4 fließen lassen.
Es ergibt sich eine Rückkopplung, die dazu führt, dass die Spannung über dem Widerstand 3 aufgrund der Regelwirkung der den Transimpedanzverstärker 2, den Widerstand 3 und das Stromventil 4 umfassenden Regelzelle gleich der Zellspannung gehalten wird. Da die Eingänge des Transimpedanzverstarkers 2 idealerweise hochohmig ausgeführt sind, fließt der gesamte Strom, der durch den Widerstand 3 fließt, auch durch das Stromventil 4 und stellt aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Spannung, Widerstand und Strom ein exaktes Maß für die Zellspannung dar. Der vom Stromventil 4 ausgegebene Strom fließt über den Referenzwiderstand 5 und wandelt den Strom so in eine Spannung um, deren Höhe sich direkt aus der Zellspannung ergibt und an ihrer Stelle gemessen werden kann. Hierbei ist gegebenenfalls noch ein Korrekturfaktor, der das Verhältnis des Betrages des Widerstands 3 zu dem des Referenzwiderstandes 5 angibt, zu berücksichtigen. Um eine Verfälschung des vom Stromventil 4 ausgegebenen Stromes durch den Basisstrom des im gezeigten Beispiel als Bipolartransistor ausgeführten Stromventils 4 zu vermeiden, können beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet werden.
Die Erfindung ermöglicht es so, eine Zellspannung einer Batteriezelle 1 unabhängig von ihrem tatsächlichen Potential mit einer Spannungsmessvorrichtung, die an ein festes Bezugspotential angebunden ist, zu messen. Die Versorgungsspannungen für den Transimpedanzverstärker und etwaige andere Komponenten können in Anordnungen mit einer Mehrzahl von Batteriezellen und Transimpedanzverstärkern durch benachbarte Batteriezellen bereitgestellt werden, nur die eigentliche Messung durch die Spannungsmessvorrichtung erfolgt dann bei dem festen Bezugspotential.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Hierbei wird jedoch die Ansteuerung des Stromventils über einen Differenzverstärker 7 vorgenommen, der eine Spannung über einem Widerstand 8, der durch den vom Transimpedanzverstärker 2 ausgegebenen Strom in eine Spannung wandelt, mit einem Referenzpotential vergleicht und eine von der Differenz der beiden genannten Spannungen abhängige Ansteuerspannung für das Stromventil 4 erzeugt. Auch hier gilt, dass andere Arten von Stromventilen 4 eingesetzt werden können.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Differenzverstärker 7 des zweiten Ausführungsbeispiels weggefallen ist. Anstelle des Widerstandes 8 wird hier jedoch eine Stromquelle 9 verwendet, welche einen konstanten Sollstrom führt. Der Knotenregel folgend steigt die Spannung an der Steuerelektrode des Stromventils 4, wenn der vom Transimpedanzverstärker 2 ausgegebene Strom größer als der von der Stromquelle 9 abgeführte Strom ist, und sinkt, wenn der vom Transimpedanzverstärker 2 ausgegebene Strom kleiner als der von der Stromquelle 9 abgeführte Strom ist. Es ergibt sich wiederum eine Rückkopplung, bei der die Spannung über dem Widerstand 3 fortlaufend an diejenige über der Batteriezelle 1 angeglichen wird. Die Stromquelle 9 kann auch im zweiten Ausführungsbeispiel an die Stelle des Widerstandes 8 treten. Außerdem kann auch im dritten Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Differenzverstärker 7 wie in 2 gezeigt eingesetzt werden.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Transimpedanzverstärker 2 als Differenzverstärker ausgeführt ist. Der Transimpedanzverstärker 2 besitzt einen Anschluss für eine Stromquelle 10, welche einen Strom in den Differenzverstärker einprägt. Abhängig davon, welcher der beiden Transistoren 2-1 und 2-2 der beiden Zweige des Differenzverstärkers die größere Eingangsspannung erhält, wird der Strom der Stromquelle 10 entweder durch den einen Transistor oder den anderen fließen.
Der durch den Transistor 2-1 fließende Strom wird über einen Stromspiegel, der die Transistoren 2-3 und 2-4 umfasst, gespiegelt und ausgegeben. Da die Funktionsweise von Differenzverstärkern im Stand der Technik wohlbekannt ist, wird hier nicht weiter darauf eingegangen. Als Besonderheit der gezeigten Ausführungsform wird ein als pnp-Transistor ausgeführtes Stromventil 4 ähnlich wie bei der Ausführungsform von 2 über einen Differenzverstärker 7 angesteuert. Der Differenzverstärker erzeugt abhängig von der über einer Stromquelle 9 anliegenden Spannung (siehe die Erläuterungen zur 3) eine Ausgangsspannung zur Ansteuerung des Stromventils 4. Das Stromventil 4 senkt wiederum einen Strom, der ein Maß für die Zellspannung der Batteriezelle 1 liefert.
Auch die Transimpedanzverstärker 2 der anderen gezeigten Ausführungsbeispiele können wie in 4 gezeigt als Differenzverstärker ausgeführt sein. Dabei können selbstredend andere bekannte Schaltungsanordnungen für Differenzverstärker zum Einsatz kommen. Die Stormquelle 9 führt vorzugsweise einen Strom, der der Hälfte des Stromes der Stromquelle 10 entspricht. Im eingeschwungenen Zustand der Regelzelle wird sich der Strom der Stromquelle 10 idealerweise zu gleichen Teilen auf die beiden Zweige des Differenzverstärkers aufteilen. In diesem Fall wird auch der Transistor 2-4 einen Strom ausgeben, der der Hälfte des Stromes der Stromquelle 10 entspricht, so dass die Spannung an dem mit der Stromquelle 9 verbundenen Eingang des Differenzverstärkers 7 konstant bleibt. Anstelle der Stromquelle 9 könnte jedoch auch hier ein einfacher Widerstand, wie in 2 gezeigt, zum Einsatz kommen.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Transimpedanzverstärker 2 wiederum als Differenzverstärker ausgeführt ist. Als Besonderheit sind hier jedoch die Stromquellen 9 und 10 als Stromspiegel ausgeführt, bei dem das Verhältnis ihrer Stromstärken über die in den beiden Hälften des Stromspiegels jeweils enthaltenen Widerstände eingestellt wird. Um den Strom der Stromquelle 10 zu begrenzen, ist bei dieser Ausführungsform außerdem ein mit Kollektor und Basis des Transistors verbundener Widerstand vorgesehen. Es können jedoch auch beliebige andere bekannte Realisationsformen von Stromquellen 9 und 10 verwendet werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn sich die Potentiale an der Basis des Transistors 2-1 und des Bezugspotentials der Stromquelle 10 zu stark voneinander unterscheiden.
Das Stromventil 4 ist hier wiederum als pnp-Transistor ausgeführt, könnte aber – wie auch beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel – auch als npn-Transistor ausgeführt sein. In diesem Fall würde beispielsweise der Transistor 2-3 einfach in den anderen Zweig des Differenzverstärkers geschaltet (zwischen den Pluspol der Batteriezelle 1 und den Transistor 2-2).
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere Regelzellen aufgebaut und kaskadiert. Die Transimpedanzverstärker 2 sind wiederum als Differenzverstärker aufgebaut, wobei jedoch der durch einen Zweig eines jeweiligen Differenzverstärkers fließende Strom als Stromquelle für den übergeordneten Differenzverstärker dient. Nur der unterste Differenzverstärker ist mit einer Stromquelle 10 verbunden, welche beispielsweise, wie schon in 5 gezeigt, gemeinsam mit der Stromquelle 9 als Stromspiegel aufgebaut sein kann. Allerdings sind selbstredend auch andere Realisationformen der Stromquellen 9 und 10 möglich.
Außer den Transimpedanzverstärkern 2 sind auch die Widerstände 3 kaskadiert. Da die Kaskade von Transimpedanzverstärkern aber nur einen einzigen Ausgangsstrom ausgibt, ist weiterhin nur ein Stromventil 4 vorgesehen, das als Transistor oder in einer anderen der gezeigten Arten realisiert sein kann.
Um das Potential oberhalb jedes der Widerstände 3 an dasjenige des Pluspols der jeweils zugeordneten Batteriezelle 1 anzugleichen, ohne den Stromfluss durch die Widerstände 3 zu beeinflussen, wird außerdem bei den unteren Regelzellen ein Paar von komplementären Transistoren 12 und 13 vorgesehen. Um dabei den Strom durch die kaskadierten Transistoren 13 zu begrenzen, wird außerdem ein Widerstand 11 vorgesehen. Anstelle der Transistoren 12 und 13 sowie des Widerstandes 11 können jedoch auch andere Schaltungen vorgesehen werden, die das Potential an den Widerständen 3 demjenigen an den Pluspolen der Batteriezellen 1 angleichen.
Der mit den Batteriezellen 1 verbundene Eingang der Differenzverstärker weist zudem einen aus Widerständen 2-7 und 2-8 gebildeten Spannungsteiler auf, da andernfalls für den obersten Differenzverstärker kein ausreichend hohes Potential an den Kollektoren beziehungsweise für den untersten Differenzverstärker an den Emittern der Transistoren 2-1 und 2-2 mehr zur Verfügung stünde.
Das Ausführungsbeispiel besitzt die besondere Eigenschaft, dass die Zellspannungen von mehreren Batteriezellen 1 gleichzeitig gemessen werden können, wobei jedoch nur die minimale Zellspannung aller Batteriezellen 1 gemessen wird. Das heißt, dass der von der Kaskade der Differenzverstärker ausgegebene Strom bei dem Ausführungsbeispiel der 6 proportional zu der kleinsten aller Zellspannungen ist. Das Ausführungsbeispiel der 6 kann dabei auch für nur zwei Batteriezellen 1 oder eine größere Zahl von Batteriezellen ausgeführt werden.
Indem die niedrigste aller Zellspannungen gemessen wird, unabhängig davon, welche Batteriezelle 1 diese niedrigste Zellspannung aufweist, kann beispielsweise ein Sicherheitsmechanismus für die Batterie, die die Serienschaltung der Batteriezellen 1 umfasst, realisiert werden. Sinkt die niedrigste Zellspannung unter einen kritischen Wert, kann beispielsweise die Batterie außer Betrieb genommen werden, um eine Tiefentladung einer der Batteriezellen 1 zu verhindern.
7 zeigt eine Teilansicht eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Hierbei wird ein zusätzlicher Differenzverstärker 2-9 vorgesehen, welcher eingangsseitig mit dem Mittenabgriff des Spannungsteilers (Widerstände 2-7 und 2-8) und einem der Eingänge des als Differenzverstärker ausgeführten Transimpedanzverstärkers 2 und ausgangsseitig mit dem jeweils anderen Eingang des als Differenzverstärker ausgeführten Transimpedanzverstärkers 2 verbunden ist. Hierdurch kann die Steilheit der Regelfunktion beeinflusst werden, da sich aufgrund der Verstärkung des zusätzlichen Differenzverstärkers 2-9 minimale Unterschiede zwischen den Eingangsspannungen des Transimpedanzverstärkers 2 entsprechend stärker und schneller auswirken werden. Naturgemäß sollten jedoch ausreichende Maßnahmen zur Stabilisierung des Regelkreises getroffen werden. Ein zusätzlicher Differenzverstärker 2-9 kann auch in den anderen gezeigten Ausführungsbeispielen eingesetzt werden.
8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dem Ausführungsbeispiel der 6 ähnelt, so dass das dort Gesagte auch auf das achte Ausführungsbeispiel anzuwenden ist. Als wesentlicher Unterschied sind hier jedoch die jeweils anderen Zweige der als Differenzverstärker ausgeführten Transimpedanzverstärker 2 mit dem Eingang für eine Stromquelle des jeweils übergeordneten Differenzverstärkers verbunden. Dadurch ist der vom obersten Transimpedanzverstärker 2 ausgegebene Strom proportional zu der maximalen Zellspannung aller Batteriezellen 1. Ähnlich zu der Ausführung von 6 kann die Bestimmung der maximalen Zellspannung vorteilhaft verwendet werden, indem beispielsweise ein Überladungsschutz aktiviert wird, wenn die Zellspannung einer der Batteriezellen 1 über einen maximalen zulässigen Wert steigt.

Claims

Eine Vorrichtung zum Messen einer Zellspannung einer Batteriezelle (1) einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen (1), die Vorrichtung gekennzeichnet durch eine Regelzelle mit einem Transimpedanzverstärker (2), einem ersten Widerstand (3) und einem Stromventil (4), wobei der Transimpedanzverstärker (2) einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist und ausgebildet ist, einen zu einer Spannungsdifferenz zwischen einer ersten Spannung am ersten Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) und einer zweiten Spannung am zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) proportionalen Strom an eine Steuerelektrode des Stromventils (4) auszugeben, wobei der erste Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) mit einem ersten Anschluss des ersten Widerstandes (3) und einem ersten Anschluss des Stromventils (4) verbunden ist, und wobei ein erster Eingang der Regelzelle mit einem zweiten Anschluss des ersten Widerstandes (3), ein zweiter Eingang der Regelzelle mit dem zweiten Eingang des Transimpedanzverstärkers (2) und ein Ausgang der Regelzelle mit einem zweiten Anschluss des Stromventils (4) verbunden sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, mit einem Stromspiegel (2-3, 2-4), der einen mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers (2) verbundenen Eingang und einen mit der Steuerelektrode des Stromventils (4) verbundenen Ausgang aufweist.
Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Transimpedanzverstärker (2) als Differenzverstärker ausgebildet ist, wobei ein erster von zwei Zweigen des Differenzverstärkers mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers (2) verbunden ist und der Differenzverstärker einen Eingang für eine Stromquelle (10) aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3, mit einer Mehrzahl von Regelzellen, wobei der Eingang für die Stromquelle (10) einer ersten der Regelzellen mit einer Stromquelle (10) und der erste Zweig des Differenzverstärkers einer jeweiligen Regelzelle mit dem Eingang für die Stromquelle (10) einer verbleibenden Regelzelle verbunden sind und wobei die ersten Widerstände (3) der Mehrzahl von Regelzellen in Reihe geschaltet sind.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der der erste Zweig des Differenzverstärkers jeder der Mehrzahl von Regelzellen einen ersten Transistor (2-2) aufweist, welcher eine mit dem ersten Eingang der jeweiligen Regelzelle verbundene Steuerelektrode besitzt.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der jede der Regelzellen einen zweiten und einen dritten Widerstand (2-7, 2-8) umfasst und bei der der erste Zweig des Differenzverstärkers jeder der Mehrzahl von Regelzellen einen zweiten Transistor (2-1) aufweist, welcher eine mit einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand (2-7, 2-8) der jeweiligen Regelzelle verbundene Steuerelektrode besitzt.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers (2) verbundenen Sollstromquelle (9), welche ausgebildet ist, einen konstanten Sollstrom zu führen.
Die Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen die Steuerelektrode des Stromventils (4) und den Ausgang des Transimpedanzverstärkers (2) ein Differenzverstärker geschaltet ist, der einen mit dem Ausgang des Transimpedanzverstärkers (2) verbundenen ersten Eingang, einen mit einem Referenzpotential verbundenen zweiten Eingang und einen mit der Steuerelektrode des Stromventils (4) verbundenen Ausgang besitzt.
Eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (1) und einer mit wenigstens einer der Batteriezellen (1) verbundenen Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.