DE102011002804A1

DE102011002804A1 - Batteriemodul mit Niederspannungsversorgung

Info

Publication number: DE102011002804A1
Application number: DE102011002804A
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: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Es wird ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen (11, 12) eingeführt. Die Batteriezellen (11, 12) unterteilen sich dabei in eine zwischen einen ersten Pol des Batteriemoduls und einen Verbindungspunkt geschaltete erste Anzahl von ersten Batteriezellen (11) und in eine zwischen den Verbindungspunkt und einen zweiten Pol des Batteriemoduls geschaltete zweite Anzahl von zweiten Batteriezellen (12). Das Batteriemodul weist außerdem eine Betriebsparametermesseinheit (14), welche ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter des Batteriemoduls zu messen und an einen Mikrocontroller (15) zu übermitteln, und eine Niederspannungsversorgung auf, welche ausgebildet ist, den Mikrocontroller (15) mit einer Betriebsspannung zu versorgen. Erfindungsgemäß umfasst die Niederspannungsversorgung einen Spannungskonverter (13), der einen mit dem Verbindungspunkt verbundenen ersten Eingang, einen mit dem zweiten Pol des Batteriemoduls verbundenen zweiten Eingang und einen mit einem Eingang für die Betriebsspannung des Mikrocontrollers (15) verbundenen Ausgang aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriemodul mit einer Niederspannungsversorgung, eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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 stellbarer 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 wie Batterietemperatur und Batteriestrom auch die Spannungen der Batteriezellen regelmäßig gemessen. Für die Parametererfassung werden gewöhnlich elektronische Schaltungselemente wie beispielsweise Sensoren und Mikrocontroller verwendet, die aus einer im Verhältnis zur Batteriespannung niedrigen und insbesondere gegenüber der variablen Batteriespannung stabilen Niederspannungsversorgung versorgt werden sollten. Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Isolierung sämtlicher unmittelbar mit der Batterie verbundenen Teile von deren Umgebung, ist es wünschenswert, diese Niederspannungsversorgung lokal aus der Batterie zu speisen.
Dazu ist es bekannt, einen Linearregler aus der Batterie zu versorgen, also eingangsseitig mit den Plus- und Minuspolen der Batterie zu verbinden, wobei der Linearregler eine geregelte niedrige Versorgungsspannung für die weiteren Schaltungselemente ausgibt. Ein Beispiel hierfür zeigt die 1, in der die seriengeschalteten Batteriezellen 1 einen Linearregler 3 versorgen, welcher wiederum eine beispielhafte Auswahl eines Application Specific Integrated Circuits (ASIC) 4 zur Erfassung von Betriebsparametern der Batterie beziehungsweise der Batteriezellen, eines Mikrocontrollers 5 und einer Kommunikationsschnittstelle 6 zur Kommunikation mit außerhalb der Batterie oder des Batteriemoduls angeordneten Komponenten wie dem Steuergerät versorgt. Dabei ist jedoch problematisch, dass die Verlustleistung eines Linearreglers mit steigender Eingangsspannung auch bei gleichbleibender Ausgangsleistung steigt. Mit einer steigenden Anzahl von Batteriezellen steigt jedoch nicht nur die Batteriespannung beziehungsweise die Batteriemodulspannung, sondern es werden zusätzlich auch noch eine größere Anzahl von Schaltungselemente zur Überwachung der Zellspannungen benötigt, so dass zusätzlich die benötigte Ausgangsleistung des Linearreglers steigt. Die durch diese beiden Effekte steigende Verlustleistung des Linearreglers bringt somit den Nachteil einer überproportional steigenden Erwärmung und Belastung der Batterie mit sich. Abhilfe könnte hier ein DC/DC-Umsetzer bringen, der allerdings kostenintensiv ist und daher für die meisten Anwendungen nicht infrage kommt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen eingeführt. Die Batteriezellen unterteilen sich dabei in eine zwischen einen ersten Pol des Batteriemoduls und einen Verbindungspunkt geschaltete erste Anzahl von ersten Batteriezellen und in eine zwischen den Verbindungspunkt und einen zweiten Pol des Batteriemoduls geschaltete zweite Anzahl von zweiten Batteriezellen. Das Batteriemodul weist außerdem eine Betriebsparametermesseinheit, welche ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter des Batteriemoduls zu messen und an einen Mikrocontroller zu übermitteln, und eine Niederspannungsversorgung auf, welche ausgebildet ist, den Mikrocontroller mit einer Betriebsspannung zu versorgen. Erfindungsgemäß umfasst die Niederspannungsversorgung einen Spannungskonverter, der einen mit dem Verbindungspunkt verbundenen ersten Eingang, einen mit dem zweiten Pol des Batteriemoduls verbundenen zweiten Eingang und einen mit einem Eingang für die Betriebsspannung des Mikrocontrollers verbundenen Ausgang aufweist. Der Spannungskonverter kann beispielsweise ein Linearregler oder auch ein DC/DC-Umsetzer sein.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Eingangsspannung des Spannungskonverters unabhängig von der Spannung des Batteriemoduls wird, wodurch das Problem der steigenden Verlustleistung des Spannungskonverters gelöst wird. Beispiele für zu messende Betriebsparameter des Batteriemoduls sind die Temperatur, die Batteriemodulspannung, der Ausgangsstrom und die Zellspannungen der Batteriezellen des Batteriemoduls.
Besonders bevorzugt beträgt dabei die zweite Anzahl der zwischen den Verbindungspunkt und den zweiten Pol des Batteriemoduls geschalteten Batteriezellen drei oder vier. Insbesondere bei Verwendung von Lithium-Ionen-Batteriezellen ergibt sich eine Eingangsspannung für den Spannungskonverter, die eine niedrige Verlustleistung im Spannungskonverter bedingt, aber auch bei bereits relativ stark entladenen Batteriezellen ausreichend hoch ist und genügend Leistung für die Niederspannungsversorgung bereitstellen kann.
Das Batteriemodul kann eine mit den Batteriezellen verbundene Cell-Balancing-Einheit aufweisen, welche ausgebildet ist, Ladungszustände der Batteriezellen einander anzugleichen. Die Cell-Balancing-Einheit wird dabei bevorzugt aus der Niederspannungsversorgung versorgt. Die Cell-Balancing-Einheit bietet den Vorteil, dass die aufgrund des Spannungskonverters größere Belastung der zweiten Batteriezellen durch das Cell-Balancing, also durch den Ladungsausgleich zwischen den Batteriezellen, ausgeglichen werden kann.
Das Batteriemodul besitzt bevorzugt eine Kaskoden-Schaltung, welche eine dritte Anzahl von Transistoren enthält. Die dritte Anzahl der Transistoren entspricht dabei der ersten Anzahl von Batteriezellen. Eine Steuerelektrode jedes der Transistoren ist mit einem zweiten Pol einer jeweiligen zugeordneten ersten Batteriezelle verbunden. Die Transistoren sind dabei zwischen den ersten Pol des Batteriemoduls und den ersten Eingang des Spannungskonverters in Serie geschaltet.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der erste Eingang des Spannungskonverters nur mittelbar über einen untersten der Transistoren mit dem Verbindungspunkt zwischen den ersten und zweiten Batteriezellen verbunden. Die Kaskode bietet zwei große Vorteile: einerseits wird die Verlustleistung bei der Bereitstellung einer Niederspannungsversorgung auf mehrere Schaltungselemente, namentlich den Spannungskonverter und die Transistoren der Kaskode, aufgeteilt, andererseits wird auch die Belastung des Batteriemoduls durch den Spannungskonverter gleichmäßig auf alle Batteriezellen verteilt.
Die Steuerelektrode eines untersten Transistors der Mehrzahl von Transistoren ist dabei bevorzugt mit dem Verbindungspunkt und der Emitter oder die Source des untersten Transistors mit dem ersten Anschluss des Spannungskonverters verbunden. Außerdem kann der Kollektor oder die Drain eines obersten Transistors der Mehrzahl von Transistoren mit dem ersten Pol des Batteriemoduls verbunden sein.
Bevorzugt ist dabei der Emitter oder die Source eines jeweiligen verbleibenden Transistors der Mehrzahl von Transistoren mit dem Kollektor oder der Drain eines benachbarten verbleibenden Transistors oder des untersten Transistors verbunden. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform bevorzugt der Kollektor oder die Drain eines jeweiligen verbleibenden Transistors der Mehrzahl von Transistoren mit dem Emitter oder der Source eines benachbarten verbleibenden Transistors oder des obersten Transistors verbunden.
Besonders bevorzugt sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen eine verhältnismäßig hohe Zellspannung, so dass das Problem der erhöhten Verlustleistung in dem Spannungskonverter bei Verwendung solcher Batteriezellen besonders ausgeprägt ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein, bei dem die Mikrocontroller jedes der Batteriemodule über einen Kommunikationsbus miteinander verbunden und ausgebildet sind, die von der Betriebsparametermesseinheit des jeweiligen Batteriemoduls gemessenen Betriebsparameter des Batteriemoduls über den Kommunikationsbus zu senden.
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 Beispiel eines Batteriemoduls mit einer Niederspannungsversorgung gemäß dem Stand der Technik,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellen sind hier in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in eine Gruppe erster Batteriezellen 11 und eine Gruppe zweiter Batteriezellen 12, welche durch einen Verbindungspunkt verbunden sind. Ein Spannungskonverter 13 zur Bereitstellung einer Niederspannungsversorgung ist zwischen den Verbindungspunkt und den Minuspol der Batterie geschaltet. Selbstredend wäre es aber auch möglich, den Spannungskonverter 13 zwischen den Verbindungspunkt und den Pluspol der Batterie zu schalten, was jedoch die Masseführung für die von dem Spannungskonverter 13 versorgten Komponenten schwierig machen würde. Die Anzahl der zweiten Batteriezellen 12 ist bevorzugt drei oder vier, was eine ausreichend hohe Eingangsspannung für den Spannungskonverter 13 bereitstellt. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann der Spannungskonverter 13 beispielsweise als Linearregler oder als DC/DC-Umsetzer ausgeführt sein.
Beispielhaft für vom Spannungskonverter 13 versorgte Schaltungselemente sind in 2 ein ASIC 14, ein Mikrocontroller 15 und eine Kommunikationsschnittstelle 16 gezeigt, die funktional denjenigen des Beispiels des Standes der Technik in 1 entsprechen. Der ASIC 14 kann beispielsweise mit den Batteriezellen 11 und 12 verbunden und als Betriebsparametermesseinheit ausgebildet sein, die Zellspannungen der Batteriezellen 11 und 12 zu erfassen. Zu diesem Zweck kann auch eine Mehrzahl von ASICs 14 vorgesehen sein. Das erste Ausführungsbeispiel besitzt den Vorteil, dass bei gleichbleibender Anzahl von Batteriezellen 11 und 12 in dem Batteriemodul aufgrund der geringeren Spannungsdifferenz zwischen dem Verbindungspunkt und dem Bezugspotential (Masse) einerseits und der Ausgangsspannung des Spannungskonverters 13 andererseits eine geringere Verlustleistung im Spannungskonverter 13 anfällt.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Kaskode von Transistoren 17-1 bis 17-n vorgesehen, wobei vorzugsweise genauso viele Transistoren 17-1 bis 17-n wie erste Batteriezellen 11 vorgesehen sind. 3 zeigt die. Transistoren 17-1 bis 17-n als Bipolartransistoren, es können jedoch auch Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen. Die Kaskode besitzt den Vorteil, dass der vom Spannungskonverter aufgenommene Strom (abgesehen von Basisströmen der Transistoren 17-1 bis 17-n) von der Serienschaltung aller Batteriezellen 11 und 12 gespeist wird, so dass die durch den Spannungskonverter 13 und die beispielhaft gezeigten Schaltungselemente 14, 15 und 16 (siehe Beschreibung der entsprechenden Schaltungselemente zur 2) entstehende Last auf alle Batteriezellen 11 und 12 verteilt wird. Außerdem wird die hierbei aufgrund der Verlustleistung entstehende Wärme auch räumlich besser verteilt. Hierzu werden die Transistoren 17-1 bis 17-n der Kaskode bevorzugt in räumlicher Nähe der ihnen jeweils zugeordneten Batteriezelle 11 beziehungsweise 12 angeordnet.

Claims

Ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen (11, 12), die sich in eine zwischen einen ersten Pol des Batteriemoduls und einen Verbindungspunkt geschaltete erste Anzahl von ersten Batteriezellen (11) und in eine zwischen den Verbindungspunkt und einen zweiten Pol des Batteriemoduls geschaltete zweite Anzahl von zweiten Batteriezellen (12) unterteilen, einer Betriebsparametermesseinheit (14), welche ausgebildet ist, wenigstens einen Betriebsparameter des Batteriemoduls zu messen und an einen Mikrocontroller (15) zu übermitteln, und einer Niederspannungsversorgung, welche ausgebildet ist, den Mikrocontroller (15) mit einer Betriebsspannung zu versorgen, gekennzeichnet dadurch, dass die Niederspannungsversorgung einen Spannungskonverter (13) umfasst, der einen mit dem Verbindungspunkt verbundenen ersten Eingang, einen mit dem zweiten Pol des Batteriemoduls verbundenen zweiten Eingang und einen mit einem Eingang für die Betriebsspannung des Mikrocontrollers (15) verbundenen Ausgang aufweist.
Das Batteriemodul gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Anzahl drei oder vier beträgt.
Das Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einer mit den Batteriezellen (11, 12) verbundenen Cell-Balancing-Einheit, welche ausgebildet ist, Ladungszustände der Batteriezellen (11, 12) einander anzugleichen.
Das Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kaskoden-Schaltung, welche eine dritte Anzahl von Transistoren (17-1, ..., 17-n) enthält, die der ersten Anzahl entspricht, wobei eine Steuerelektrode jedes der Transistoren (17-1, ..., 17-n) mit einem zweiten Pol einer jeweiligen zugeordneten ersten Batteriezelle (11) verbunden ist, und wobei die Transistoren (17-1, ..., 17-n) zwischen den ersten Pol des Batteriemoduls und den ersten Eingang des Spannungskonverters (13) in Serie geschaltet sind.
Das Batteriemodul gemäß Anspruch 4, bei dem die Steuerelektrode eines untersten Transistors (17-1) der Mehrzahl von Transistoren (17-1, ..., 17-n) mit dem Verbindungspunkt und der Emitter oder die Source des untersten Transistors (17-1) mit dem ersten Eingang des Spannungskonverters (13) verbunden sind.
Das Batteriemodul gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der Kollektor oder die Drain eines obersten Transistors (17-n) der Mehrzahl von Transistoren (17-1, ..., 17-n) mit dem ersten Pol des Batteriemoduls verbunden ist.
Das Batteriemodul gemäß den Ansprüchen 5 und 6, bei dem der Emitter oder die Source eines jeweiligen verbleibenden Transistors (17-2, ..., 17-n-1) der Mehrzahl von Transistoren (17-1, ..., 17-n) mit dem Kollektor oder der Drain eines benachbarten verbleibenden Transistors (17-2, ..., 17-n-1) oder des untersten Transistors (17-1) verbunden ist und bei dem der Kollektor oder die Drain eines jeweiligen verbleibenden Transistors (17-2, ..., 17-n-1) der Mehrzahl von Transistoren (17-1, ..., 17-n) mit dem Emitter oder der Source eines benachbarten verbleibenden Transistors (17-2, ..., 17-n-1) oder des obersten Transistors (17-n) verbunden ist.
Das Batteriemodul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Batteriezellen (11, 12) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
Eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mikrocontroller (15) jedes der Batteriemodule über einen Kommunikationsbus (16) miteinander verbunden und ausgebildet sind, die von der Betriebsparametermesseinheit (14) des jeweiligen Batteriemoduls gemessenen Betriebsparameter des Batteriemoduls über den Kommunikationsbus (16) zu senden.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch.