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Die Erfindung betrifft ein System mit einer Steuereinrichtung und einer Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen.
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Derartige Batteriesysteme werden heutzutage verstärkt im Automobilsektor eingesetzt, um für das Fahrzeug einen Puffer für elektrische Energie bereitzustellen, aus dem die benötigte elektrische Energie entnommen und in den ein zeitweise auftretender Überschuss an elektrischer Energie beispielsweise aus Rekuperation eingespeist werden kann. Diese modernen Hochleistungsbatterien müssen zeitweise große Leistungsmengen aufnehmen oder abgeben können. Da sich während des Auf- und Entladebetriebs die Ladezustände verschiedener Batteriezellen unterschiedlich entwickeln können, werden üblicherweise die Batteriezellspannungen gemessen und unterschiedliche Ladezustände ausgeglichen. Dies kann dadurch geschehen, dass Zellen mit zu hohem Ladezustand entladen werden. Für diesen Entladevorgang sind gewöhnlich Lastwiderstände vorgesehen, über welche in den Zellen mit zu hohem Ladezustand enthaltene überschüssige Energie verbraucht werden kann. Diese Lastwiderstände sind üblicherweise auf einer Platine angeordnet, auf der sich auch die Auswerteeinheit der Zellspannungsmessung befindet. Die während eines solchen Entladevorgangs aus den Batteriezellen entnommene Leistung wird als Wärme an der Platine frei und muss von dort abgeführt werden. Dieser Umstand begrenzt den maximal möglichen Entladestrom.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zum Zellspannungsausgleich anzugeben, das einen einfachen und robusten Aufbau bietet und die oben genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße System weist eine Steuereinrichtung und eine Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen auf. Jede der Batteriezellen umfasst zwei Batteriezellpole. Zwischen die beiden Batteriezellpole sind ein elektronischer Lastschalter und ein Lastwiderstand angeordnet, die in Reihe geschaltet sind. Der elektronische Lastschalter verbindet im geschlossenen Zustand die beiden Batteriezellpole, sodass ein Entladestrom von einem Batteriezellpol über den Lastwiderstand zu dem anderen Batteriezellpol fließt. Der elektronische Lastschalter weist einen Steuereingang auf. Liegt an dem Steuereingang eine Steuerspannung an, die größer als eine Schwellenspannung ist, schließt der Lastschalter den Stromkreis zwischen den Batteriezellpolen und der Entladestrom fließt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für jede Batteriezelle genau eine Messleitung vorgesehen ist. Die Messleitung ist über einen Vorwiderstand mit einem der beiden Batteriezellpole und mit der Steuereinrichtung verbunden. Im unbelasteten Zustand der Batteriezelle liegt das Potenzial des Batteriezellpols an der Messleitung an. Die Steuereinrichtung kann so das Potenzial des Batteriezellpols erfassen und so den Ladezustand der Batteriezelle bestimmen.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinrichtung einen elektronischen Steuerschalter aufweist. Ist der elektronische Steuerschalter geschlossen, sind die Messleitungen zweier benachbarter Batteriezellen verbunden. Es verändert sich dadurch das Spannungsniveau am Steuereingang des elektronischen Lastschalters derart, dass die Steuerspannung die Schwellenspannung übersteigt und die Batteriezelle über den Lastwiderstand entladen wird.
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Der Rückschlussstrom im Messkreis, d. h. der über den elektronischen Steuerschalter und die Messleitungen fließende Strom kann gering ausgelegt werden. Der im Lastkreis fließende Strom hingegen, d. h. der über den elektrischen Lastschalter und den Lastwiderstand fließende Strom kann groß ausgelegt werden. Mit nur je einer Messleitung pro Batteriezelle kann neben der Überwachung der Batteriezellenspannung auch das gezielte Entladen einzelner Batteriezellen beispielsweise zum Angleichen der Ladezustände realisiert werden. Die Steuereinrichtung kann sehr einfach gehalten werden, da neben der Spannungsmessung lediglich ein einfacher Schalter, wie etwa ein Transistor, zum Kurzschließen der Messleitungen je Zelle benötigt wird. Da der Stromfluss in dem Messkreis sehr gering ausgelegt werden kann, wird keine nennenswerte Leistung in der Steuereinrichtung als Wärme freigesetzt. Der angesteuerte Entladekreis, d. h. der elektrische Lastschalter mit Lastwiderstand kann hingegen sehr niederohmig ausgelegt werden, sodass sich hohe Entladeströme und damit geringe Ausgleichszeiten erzielen lassen.
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Eine vorteilhafte Ausführung des Systems sieht vor, dass in der Steuereinrichtung ein Messwiderstand in Reihe mit dem elektronischen Steuerschalter geschaltet ist. Das Verhältnis von Messwiderstand zu Vorwiderstand beeinflusst das Wechselspiel zwischen der Messgenauigkeit bei aktiviertem Steuerschalter und der zum Schalten des Lastschalters erforderlichen Potenzialdifferenz. Ein guter Kompromiss wird erzielt, wenn Vorwiderstand und Messwiderstand gleich groß sind.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Verhältnis aus Vorwiderstand zu Lastwiderstand 10 oder größer, bevorzugt 100 oder größer, besonders bevorzugt 1000 oder größer beträgt. Gleiches gilt für das Verhältnis aus Messwiderstand zu Lastwiderstand. Ist das Verhältnis aus Vor-/Messwiderstand zu Lastwiderstand 1000, ist der Messkreis hochohmig und es fließen kleine Ströme in der Steuereinrichtung. Gleichzeitig kann eine schnelle Stromentnahme aus der Speicherzelle über den niederohmigen Lastwiderstand erfolgen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Lastwiderstand so angeordnet ist, dass er zur Beheizung zumindest von Teilen der Batterie, insbesondere der Batteriezelle ausgebildet ist. Üblicherweise werden zur Batterieheizung separate Heizmatten oder Heizpatronen vorgesehen, die das Kühlwasser der Batterie und damit indirekt die Zellen erwärmen. Separate Heizmatten erhöhen das Batteriegewicht und den Bauraumbedarf. Die indirekte Erwärmung über das Kühlwasser ist ineffizient, da der Kühlkreislauf zumindest teilweise mitaufgeheizt werden muss. Mit der vorliegenden Erfindung hingegen kann über je nur eine Messleitung pro Zelle neben der Zellspannungsüberwachung und der Entladung einzelner Zellen gleichzeitig bei Bedarf eine Beheizung der Batteriezellen beispielsweise zur Optimierung des Betriebs bei tiefen Umgebungstemperaturen dargestellt werden. Es bedarf keiner weiteren Einrichtungen in der Steuereinheit neben dem bereits vorhandenen einfachen elektronischen Steuerschalter. Der Lastwiderstand kann beispielsweise als Widerstandsdraht auf die Batteriezelle aufgeklebt sein. Der Lastwiderstand kann alternativ in die Zelle oder das Zellgehäuse eingearbeitet sein. Der Lastwiderstand kann auch in die das Zellgehäuse umschließende Folie eingearbeitet sein. Auf diese Weise kann die Abwärme des Lastwiderstands zum Beheizen der Zelle genutzt werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der elektronische Lastschalter zur Schaltung des Lastwiderstands auf oder innerhalb einer Batteriezelle platziert ist. Das gleiche kann für den Vorwiderstand vorgesehen sein.
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Eine ebenfalls besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich dadurch, dass Lastwiderstand, Vorwiderstand und elektronischer Lastschalter auf oder innerhalb der Batteriezelle angeordnet sind und die Batteriezelle zum Erfassen des Potenzials eines Batteriepols und zum Steuern des Ladezustand der Batteriezelle sowie zum Beheizen der Batteriezelle ausschließlich die Messleitung aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Systems ergibt sich dadurch, dass eine Notfallvorrichtung zur Steuerung der Entladung von Batteriezellen über den Lastwiderstand zusätzlich zu oder anstatt dem regulären Wege vorgesehen ist. Durch die Möglichkeit gezielt relativ hohe Ströme aus den Einzelzellen zu entnehmen, kann die vorliegende Erfindung auch eingesetzt werden, um beschädigte Batterien rasch zu entladen und damit das Gefährdungspotenzial entscheiden zu verringern. In einem Fehlerfall, wenn zum Beispiel der Hauptkreis der Batterie nicht mehr geschlossen werden kann, kann eine Notentladung einzelner oder aller Zellen über den Lastwiderstand auf einen Ladezustand kleiner als 0% erfolgen, wenn der Lastschalter so ausgelegt ist, dass mittels der Notfallvorrichtung eine Entladung bis oder unterhalb von 0% Ladezustand der Batteriezelle möglich ist.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren weiter erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau einer beispielhaften Flachzelle gemäß der Erfindung; und
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2 ein erfindungsgemäßes System.
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1 zeigt den schematischen Aufbau einer Flachzelle 100. Diese Bauform soll lediglich zur Veranschaulichung dienen. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in anderen Bauformen realisiert werden. Die Flachzelle 100 weist einen ersten Zellpol 110 auf. Eine Messleitung 130 ist über einen Widerstand 140 mit einem zweiten Zellpol 120 verbunden. Auf diese Weise liegt die Messleitung 130 im unbelasteten Zustand auf dem Potenzial des Zellpols 120. Zwischen dem ersten Zellpol 110 und dem zweiten Zellpol 120 sind ein elektronischer Lastschalter 150 sowie ein Lastwiderstand 160 in Reihe geschaltet. Der Lastwidertand 160 ist vorliegend als mäanderförmiger Widerstandsdraht ausgeführt. Es können jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar sein wie etwa eine Integration des Widerstands in ein Gehäuse oder eine umschließende Folie. Der elektronische Steuerschalter 150 weist einen Steuereingang 152 auf. Dieser Steuereingang 152 ist mit der Messleitung 130 verbunden. Der elektronische Steuerschalter 150 ist so ausgelegt, dass er, wenn der Batteriezellpol 120 der Pluspol ist, oberhalb einer bestimmten positiven Spannung bzw. unterhalb einer bestimmten negativen Spannung, wenn der Batteriezellpol 120 der Minuspol ist – bezogen auf den mit dem elektronischen Steuerschalter 150 direkt verbundenen zweiten Zellpol 120 den Stromkreis zwischen den beiden Zellpolen 110, 120 über den Lastwiderstand 160 schließt und anderenfalls geöffnet ist.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes System 10. Es sind beispielhaft drei Batteriezellen 100, 200, 300 stellvertretend für eine Batterie dargestellt. Prinzipiell können beliebig viele Zellen in Reihe geschaltet werden. Es kann auch ggf. eine Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen vorgesehen sein. Die Zellen 100, 200, 300 sind weitgehend identisch aufgebaut. Der Aufbau der Zellen 100, 200, 300 entspricht im Wesentlichen denen der 1, gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei gleiche oder ähnliche Elemente. Neben den bereits erläuterten Elementen der Zellen 100, 200, 300 weist das System 10 eine Steuereinheit 12 auf. Die Steuereinheit umfasst einen Mikrocontroller 170. Der Mikrocontroller kann optional eine Notfallvorrichtung 175 umfassen. Der Mikrocontroller 170 steuert einen elektronischen Steuerschalter 180 an. Mit dem elektronischen Steuerschalter 180 ist ein Messwiderstand 190 in Reihe geschaltet. Des Weiteren weist die Steuereinrichtung 12 ein Spannungsmessgerät 195 auf.
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Im unbelasteten Fall liegt zwischen den Messleitungen 130, 230 der Zellen 100, 200 die Spannung der Zelle 100 an. Wird nun der elektronische Steuerschalter 180 in der Steuereinrichtung 12 geschlossen, beispielsweise durch einen Befehl durch den Mikrocontroller 170, fließt ein Strom von dem ersten Pol 110 der Zelle 100 über den Vorwiderstand 140 sowie den Messwiderstand 190 und den Vorwiderstand 240 der Zelle 200 zurück zum zweiten Pol 120 der Zelle 100. Dabei ist das Vorhandensein des Messwiderstands 190 optional. Bevorzugt werden der Vorwiderstand, der Messwiderstand und der Lastwiderstand für alle Zellen 100, 200, 300 jeweils gleichgewählt. Dies ist aber nicht zwingend.
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Durch das Schließen des elektronischen Steuerschalters 180 fließt der folgende Strom: I = U₁ / 2·R₁ + R₃, wobei U1 die Spannung der Zelle 100 darstellt.
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Durch den Strom I kommt es zu einer Änderung des Potenzials am Steuereingang 152 des Lastschalters 150 um ΔU = U1 R₁ / 2·R₁ + R₃
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Liegt ΔU jenseits der Triggerschwelle, also der Schwellenspannung des Lastschalters 150, schaltet der Lastschalter 150 durch und schließt den Stromkreis zwischen den Zellpolen 110, 120 über den Lastwiderstand 160. Der Stromfluss durch den Vorwiderstand 240 der zweiten Zelle 200 wiederum bewirkt eine Potenzialänderung am Steuereingang des Lastschalters 250 der Zelle 200 in gleicher Größe, aber mit umgekehrten Vorzeichen, sodass der Schalter 250 nicht schließt. Wird der elektronische Steuerschalter 180 in der Steuereinheit 12 wieder geöffnet, stellt sich der alte Zustand wieder ein und der Stromfluss über dem Lastwiderstand 160 wird unterbrochen.
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Prinzipbedingt können nicht die Lastkreise über die Widerstände 160, 260 zweier benachbarter Zellen simultan geschaltet werden. Diese Einschränkung wiegt jedoch nicht besonders schwer, da problemlos ein wechselseitiger Betrieb über die Steuereinrichtung 12 vorgenommen werden kann. Beispielsweise können Wechselzellen mit gerader und ungerader Zellnummer entladen werden. Die Lastwiderstände 160, 260 können ggf. entsprechend kleiner gewählt werden, wenn eine bestimmte mittlere Leistung erreicht werden soll.
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Wird der elektronische Steuerschalter 180 in der Steuereinrichtung 12 geschlossen, misst das Spannungsmessgerät 195 die geringere Spannung U1' = U1 R₃ / (2·R₁ + R₃), wobei R1 der Widerstandswert des Vorwiderstands 140, R2 der Widerstandswert des Lastwiderstands 160 und R3 der Widerstandswert des Messwiderstands 190 darstellen.
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Bei bekannten Widerstandswerten R1 und R3 kann daraus die Zellspannung U1 errechnet werden. Umgekehrt erhöht sich die Spannung am Spannungsmessgerät 295 der Zelle 200 um U1R1/(2·R1 + R3) und senkt sich gegebenenfalls zusätzlich um U3R1/(2·R1 + R3) ab, wenn der elektronische Steuerschalter 380 der Zelle 300 ebenfalls geschaltet ist. Beides kann rechnerisch in der Steuereinrichtung 12 kompensiert werden. Wenn die Widerstandswerte nicht hinreichend genau bekannt sind, können diese durch Vergleich unbelastet/belastet ermittelt werden. Es ist auch möglich, im Falle einer erforderlichen Messung der Zellspannung mit hoher Genauigkeit die Schalter 280, 380 vorübergehend zu öffnen.
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Wie stark der Effekt der Spannungsänderung am Spannungsmessgerät 195 ist, hängt maßgeblich vom Verhältnis R1 zu R3 ab. Hier besteht ein Zielkonflikt: Für eine hohe Messgenauigkeit bei geschlossenem elektronischen Steuerschalter 180 ist der Widerstandswert R3 des Messwiderstands 195 möglichst groß im Vergleich zum Widerstandswert R1 des Vorwiderstands 140 zu wählen. Dann wird aber andererseits die zum Schalten des Lastschalters 160 erforderliche Potenzialdifferenz sehr klein. Ein guter Kompromiss stellt die Wahl R1 = R3 dar. In diesem Fall beträgt die Potenzialdifferenz zum Schalten des elektronischen Lastschalters 160 ein Drittel der Zellspannung. Die von dem Spannungsmessgerät 195 gemessene Spannung beträgt ebenfalls ein Drittel bzw. vier Drittel bei der benachbarten Zelle im geschalteten Fall.
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Kann auf die Spannungsmessung während des geschalteten Zustands verzichtet werden, so kann der Messwiderstand 190 entfallen, wodurch sich der Aufbau vereinfacht.
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Für ein Auslegungsbeispiel werden im Folgenden beispielhafte Werte angegeben:
UZelle = 3,600 V
R1 = R3 = 1000 Ω
R2 = 1 Ω
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Beim Schließen des elektronischen Steuerschalters 180 ergeben sich folgende Werte:
Steuerspannung am Steuereingang 152 des Lastschalters 150: 1,200 V (= 1/3 UZelle)
Spannung am Spannungsmessgerät 195: 1,200 V (= 1/3 UZelle)
Spannung am Spannungsmessgerät 295 der Nachbarzelle 200: 4,800 V (= 4/3 UZelle)
Verlustleistung im Widerstand 190 in der Steuereinrichtung 12: 0,00144 W
Verlustleistung im Lastwiderstand 160: 12,96 W
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Zusammenfassend stellt die Erfindung ein System dar, das über eine gemeinsame Mess- und Steuerleitung einer Batteriezelle alle wichtigen zur Steuerung der Zelle benötigten Funktionen ermöglicht, ohne dass ein hoher technischer Aufwand auf Seiten der Steuereinrichtung betrieben werden muss oder hohe elektrische Leistungen in dieser auftreten. Es kann eine Messung und Überwachung der Zellspannung vorgenommen werden. Es kann durch gezieltes Entladen einzelner Zellen mit erhöhter Spannung ein Ladungsausgleich der Zellen (balancing) vorgenommen werden. Es können die Zelle, Teile der Batterie und die ganze Batterie beheizt werden. Im Fehlerfall kann mittels der Notfallvorrichtung 175 eine Notentladung auf den Ladezustand < 0% vorgenommen werden, wenn der Hauptkreis der Batterie nicht mehr geschlossen werden kann. Eine Entladung auf 0 V ist prinzipiell nicht möglich. Bei entsprechender Auslegung des Leistungsschalters 160 jedoch kann eine Entladung bis weit unterhalb der als 0% Ladezustand festgelegten Spannung erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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