-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladezustandsausgleich von Batteriezellen eines Batteriesystems mit einer Entladeeinrichtung, welche ein erstes steuerbares Schaltelement mit einem Steuereingang aufweist und über das erste steuerbare Schaltelement an eine der Batteriezellen zum Entladen der Batteriezelle anschließbar ist, und mit einer Messeinrichtung, welche ein zweites steuerbares Schaltelement aufweist und über das zweite steuerbare Schaltelement zum Messen einer Batteriezellenspannung an die Batteriezellen anschließbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug.
-
Batteriesysteme bzw. Batterien sind in Kraftfahrzeugen zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgesehen. In der Regel umfassen die Batterien eine Vielzahl von Batteriezellen. Fertigungsbedingt gibt es Schwankungen in der Kapazität dieser Batteriezellen. Dies führt dazu, dass die Batteriezellen unterschiedlich entladen und geladen werden und somit kritische Ladezustände einnehmen können. Diese unterschiedlichen Ladezustände können üblicherweise über die Spannung an den einzelnen Batteriezellen, also über die Batteriezellspannungen, ermittelt werden. Dazu wird die Batteriezelle in der Regel über eine Messleitung an einen Messwiderstand angeschlossen, wobei die über dem Messwiderstand abfallende Spannung als die Batteriezellenspannung erfasst wird. Ist die Spannung an der Batteriezelle zu hoch, kann die Zelle gezielt über einen Lastwiderstand entladen werden. Dieser Lastwiderstand kann über einen Lastschalter zugeschaltet werden, wobei zum Schalten des Lastschalters eine Potentialdifferenz zwischen dem Messwiderstand und einem Vorwiderstand abgegriffen wird.
-
Eine solche Schaltung zum Messen der Batteriezellenspannung und zum gezielten Entladen der Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik weist jedoch den Nachteil auf, dass bei einer Bauteildimensionierung, insbesondere bei der Dimensionierung der Widerstände, ein Konflikt zwischen Messgenauigkeit und verfügbarer Potentialdifferenz zum Schalten des Lastschalters besteht. Daher muss ein Kompromiss zwischen Messgenauigkeit und Potentialdifferenz zum Schalten des Lastschalters gefunden werden.
-
In der
KR20130021975 wird eine Spannungsausgleichsschaltung vorgeschlagen, um eine gleichmäßige Spannung an den einzelnen Batteriezellen zu gewährleisten. Die Spannungsausgleichsschaltung umfasst eine Messschaltung zur Messung einer Durchschnittsspannung eines Batteriemoduls und eine Ausgleichsschaltung, welche die Batteriezellen des Batteriemoduls in Abhängigkeit von einer Batteriezellspannung und der Durchschnittsspannung ausgleicht bzw. balanciert. Um ein kontrolliertes Laden einer Vielzahl von Batterien zu gewährleisten, offenbart die
US 2013/0241471 A1 eine Ladekontrollschaltung.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie Batteriezellenspannungen genauer erfasst werden können und wie die Batteriezellen gezielter und zuverlässiger entladen werden können.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Ladezustandsausgleich von Batteriezellen eines Batteriesystems. Die Vorrichtung umfasst eine Entladeeinrichtung, welche ein erstes steuerbares Schaltelement mit einem Steuereingang aufweist und über das erste steuerbare Schaltelement an eine der Batteriezellen zum Entladen der Batteriezelle anschließbar ist, und eine Messeinrichtung, welche ein zweites steuerbares Schaltelement aufweist und über das zweite steuerbare Schaltelement zum Messen einer Batteriezellenspannung an die Batteriezellen anschließbar ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Schwellwertschaltung, welche mit dem Steuereingang des ersten steuerbaren Schaltelements elektrisch verbunden ist, und ein Stabilisierungselement zum Stabilisieren der Batteriezellenspannung auf, wobei die Schwellwertschaltung bei geschlossenem zweiten steuerbaren Schaltelement dazu ausgelegt ist, das erste steuerbare Schaltelement zum Schließen anzusteuern, falls die stabilisierte Batteriezellenspannung einen vorgegebenen Schwellwert der Schwellwertschaltung überschreitet.
-
Die Entladeeinrichtung kann einen Entladewiderstand aufweisen und über eine elektrische Leitung an die Batteriezelle angeschlossen werden, sodass bei geschlossenem erstem Schaltelement ein erster geschlossener Stromkreis entsteht, welcher die Batteriezelle und die Entladeeinrichtung umfasst. Über die elektrische Leitung kann außerdem die Messeinrichtung mit der Batteriezelle verbunden werden, sodass bei geschlossenem zweitem Schaltelement ein zweiter geschlossener Stromkreis entsteht, welcher die Batteriezelle und die Messeinrichtung umfasst. Die Messeinrichtung kann einen Messwiderstand aufweisen, über welchen im unbelasteten Fall der anschließbaren Batteriezelle bei geschlossenem zweitem Schaltelement die Batteriezellenspannung der anschließbaren Batteriezelle messbar ist.
-
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass über das zweite steuerbare Schaltelement eine Schwellwertschaltung bzw. ein Schwellwertschalter an die elektrische Leitung anschließbar ist. Ein Schwellenwertschalter ist insbesondere ein elektronisches Bauelement, das die Funktion eines Sensors mit einer Schaltfunktion kombiniert. Der Schaltvorgang wird ausgelöst, wenn die vom Sensor gemessene physikalische Größe einen Schwellwert bzw. einen voreingestellten Grenzwert über- oder unterschreitet. Der Schwellwertschalter kann also dann eine Schaltfunktion auslösen, wenn die an dem Schwellwertschalter anliegende elektrische Spannung, welche im vorliegenden Fall der Batteriezellenspannung entspricht, einen Schwellwert bzw. eine Einschaltschwelle überschreitet. Die ausgelöste Schaltfunktion besteht hier darin, das erste steuerbare Schaltelement zum Schließen anzusteuern. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Schwellwertschaltung dazu ausgelegt ist, bei geschlossenem zweitem Schaltelement das erste steuerbare Schaltelement zum Schließen anzusteuern, falls eine an der Schwellwertschaltung anliegenden Spannung den vorgegebenen Schwellwert der Schwellwertschaltung überschreitet. Dazu ist ein Ausgang des Schwellwertschalters mit dem Steuereingang des ersten steuerbaren Schaltelementes gekoppelt. Der Schwellwert ist über eine Dimensionierung der Bauteile des Schwellwertschalters frei wählbar und damit insbesondere unabhängig von einer Dimensionierung des Messwiderstandes. Somit kann der Messwiderstand in vorteilhafter Weise so angepasst werden, dass bei aktiviertem zweitem steuerbarem Schaltelement ein genügend großer Spannungsmessbereich an dem Messwiderstand entsteht. Dies hat zur Folge, dass eine Batteriezellenspannung wesentlich genauer erfasst werden kann.
-
Da sich die Batteriezellenspannung über den Verlauf der Zeit ändern kann und sich mit der Änderung der Batteriezellenspannung auch ein Arbeitspunkt der Schwellwertschaltung ändern bzw. verschieben kann, ist erfindungsgemäß zusätzlich das Stabilisierungselement vorgesehen. Das Stabilisierungselement ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung des Arbeitspunktes zu verhindern und die Batteriezellenspannung für die Schwellwertschaltung zu stabilisieren. Somit kann durch das Stabilisieren des Arbeitspunktes eine Schaltschwelle des Schwellwertschalters und damit ein Einschaltpunkt und/oder ein Ausschaltpunkt des ersten steuerbaren Schaltelements bei variabler Batteriezellspannung konstant gehalten werden.
-
Besonders bevorzugt weist die Messeinrichtung eine Steuereinheit zum Ansteuern des zweiten steuerbaren Schaltelements auf. Durch Ansteuern des zweiten steuerbaren Schaltelementes zum Schließen des Schaltelementes kann die Batteriezellenspannung über den Messwiderstand der Messeinrichtung erfasst werden. Außerdem kann über das zweite steuerbare Schaltelement der Schwellwertschalter elektrisch mit der elektrischen Leitung verbunden werden, sodass bei einer Batteriezellenspannung, welche den Schwellwert überschreitet, gezielt ein Entladevorgang durch Schließen des ersten steuerbaren Schaltelementes gestartet werden kann. Sobald die Batteriezellenspannung den Schwellwert wieder unterschreitet, kann der Entladevorgang gestoppt werden, indem der Schwellwertschalter das erste steuerbare Schaltelement zum Öffnen ansteuert und damit die Entladeeinrichtung galvanisch von der Batteriezelle trennt.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das erste steuerbare Schaltelement als ein spannungsgesteuertes Schaltelement ausgeführt ist. Ein solches steuerbares Schaltelement kann beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT sein. Somit kann die Vorrichtung auf besonders einfache Weise gestaltet werden.
-
Vorzugsweise ist die Schwellwertschaltung dazu ausgelegt, dem Steuereingang des ersten steuerbaren Schaltelements bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes die Batteriezellenspannung bereitzustellen. Somit steht für das erste steuerbare Schaltelement die gesamte Batteriezellspannung zum Schalten bereit. Dies hat den Vorteil, dass als erstes steuerbares Schaltelement elektronische Lastschalter eingesetzt werden können, welche bei einer höheren Stromtragfähigkeit gleichzeitig kostengünstiger sind. Durch die höhere Stromtragfähigkeit des elektronischen Lastschalters ist auch ein höherer Entladestrom zum Ladungsausgleich möglich, welcher beispielsweise als eine Heizleistung bereitgestellt werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schwellwertschaltung als ein Schmitt-Trigger ausgestaltet. Der Schmitt-Trigger ist eine elektronische Komparatorschaltung bzw. Vergleicherschaltung, bei der eine Einschaltschwelle, also ein Schwellwert zum Auslösen des Schaltvorgangs, und eine Ausschaltschwelle, also ein Schwellwert zum Stoppen des Schaltvorgangs, nicht zusammenfallen, sondern um eine bestimmte Spannung, eine sogenannte Schalthysterese, gegeneinander versetzt sind. Ein Schmitt-Trigger umfasst in der Regel einen Operationsverstärker und zwei Widerstände, wobei der Schwellwert auf besonders einfache Weise über eine Dimensionierung der Widerstände eingestellt werden kann.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Stabilisierungselement als eine Zener-Diode ausgestaltet ist. Die Zener-Diode kann ein Verschieben des Arbeitspunktes der Schwellwertschaltung auf besonders zuverlässige Weise verhindern.
-
Zur Erfindung gehört außerdem ein Batteriesystem aufweisend eine Reihenschaltung von zumindest zwei Batteriezellen und zumindest zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen, wobei jede der zumindest zwei Batteriezellen mit einer der zumindest zwei Vorrichtungen elektrisch verbunden ist. Das Batteriesystem ist insbesondere als ein Hochvoltbatteriesystem ausgebildet. Zwischen den seriell verschalteten Batteriezellen können Spannungsabgriffe vorgesehen sein, über welche die jeweilige Batteriezelle mit jeweils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbindbar ist.
-
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Batteriesystem. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftfahrzeug ausgebildet.
-
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Batteriesystem sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems.
-
Die Figur zeigt ein Batteriesystem 10, welches hier eine Reihenschaltung von drei Batteriezellen 12 umfasst. An jeder der Batteriezellen 12 liegt eine Batteriezellenspannung UBZ an. Die Anordnung sowie die Anzahl der hier gezeigten Batteriezellen 12 sind beispielhaft und nicht abschließend. An jede der Batteriezellen 12 ist jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung 14 anschließbar. Die Komponenten sowie die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 14 sind hier exemplarisch anhand derjenigen Vorrichtung 14 gezeigt, welche an die erste bzw. die obere Batteriezelle 12 angeschlossen ist.
-
Die Vorrichtung 14 umfasst eine Entladeeinrichtung 16 mit einem Entladewiderstand R1 und einem ersten steuerbaren Schaltelement S1, welches einen Steuereingang 18 aufweist. Das erste steuerbare Schaltelement S1 kann als ein spannungsgesteuertes Schaltelement, beispielsweise als ein MOSFET ausgeführt sein. Ein MOSFET schaltet in der Regel dann, wenn eine bestimmte Spannung an dem Steuereingang 18 anliegt. Diese Spannung an dem Steuereingang 18 entspricht bei einem MOSFET einer bestimmten Potentialdifferenz zwischen einem Gate-Eingang und einem Source-Eingang. Die Entladeeinrichtung 16 ist über das erste steuerbare Schaltelement S1 mit der Batteriezelle 12 elektrisch verbindbar und/oder galvanisch von der Batteriezelle 12 trennbar. Außerdem umfasst die Vorrichtung 14 eine Messeinrichtung 20, welche ein zweites steuerbares Schaltelement S2, einen Messwiderstand R2 und eine Steuereinheit μC zum Öffnen und/oder Schließen des zweiten steuerbaren Schaltelementes S2 aufweist. Die Messeinrichtung 20 ist über das zweite steuerbare Schaltelement S2 mit der Batteriezelle 12 elektrisch verbindbar und/oder galvanisch von der Batteriezelle 12 trennbar.
-
Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 14 eine Schwellwertschaltung bzw. einen Schwellwertschalter 22, welcher dazu ausgelegt ist, einen Schaltvorgang auszulösen, wenn eine an dem Schwellwertschalter 22 anliegenden Eingangspannung eine Schaltschwelle bzw. einen Schwellwert überschreitet. Der Schwellwertschalter 22 ist hier als ein Schmitt-Trigger ausgeführt. Der Schmitt-Trigger weist einen Operationsverstärker 24 auf, welcher mit einem Widerstand R3 mitgekoppelt wird. Zusätzlich weist der einen Operationsverstärker 24 eingangsseitig einen weiteren Widerstand R4 auf. Die Schaltschwelle bzw. der Schwellwert ist über eine Dimensionierung der Widerstände R3 und R4, insbesondere über einen Wert des Widerstandes R4, frei wählbar bzw. einstellbar. Damit kann auch die Potentialdifferenz zum Schalten des ersten steuerbaren Schaltelementes S1 frei gewählt werden. Zum Stabilisieren der Eingangsspannung und damit zum Stabilisieren eines Arbeitspunktes der Schwellwertschaltung 22 weist die Vorrichtung 14 außerdem ein Stabilisierungselement 26 auf, welches hier als eine Zener-Diode ausgestaltet ist. Außerdem umfasst die Vorrichtung 14 hier einen Vorwiderstand R5.
-
Zum Messen der Batteriezellenspannung UBZ, insbesondere im unbelasteten Zustand der Batteriezelle 12, kann die Steuereinheit μC das zweite steuerbare Schaltelement S2 zum Schließen ansteuern. Nach Schließen des zweiten steuerbaren Schaltelementes S2 liegt die Batteriezellenspannung UBZ an dem Messwiderstand R2 an. Die Steuereinrichtung μC kann dazu ausgelegt ein, einen Spannungswert der Batteriezellenspannung UBZ zu erfassen.
-
Zusätzlich wird durch das Schließen des zweiten steuerbaren Schaltelements S2 der Operationsverstärker 24 und damit der Schwellwertschalter 22 mit der Batteriezelle 12 elektrisch verbunden. Die Batteriezellenspannung UBZ, welche von dem Stabilisierungselement 26 stabilisiert wird, liegt nun ebenfalls als Eingangsspannung am Eingang des Schwellwertschalters 22 an. Der Schwellerstschalter 22 vergleicht die anliegende Batteriezellenspannung UBZ mit einem vorgegebenen, durch die Widerstände R3 und R4 einstellbaren Schwellwert, einer sogenannten Einschaltschwelle. Bei Überschreiten des Schwellwerts löst der Schwellwertschalter 22 einen Schaltvorgang aus, welcher derart gestaltet ist, dass bei Überschreiten des Schwellwerts die Batteriezellenspannung UBZ an dem ersten steuerbaren Schaltelement S1 anliegt, welches dadurch schließt. Durch das Schließen des ersten steuerbaren Schaltelementes S1 wird der Entladewiderstand R1 mit der Batteriezelle 12 verbunden, wodurch ein Entladestrom aus der Batteriezelle 12 über den Entladewiderstand R1 fließt und die Batteriezelle 12 damit entlädt. Durch das Entladen der Batteriezelle 12 sinkt die Batteriezellenspannung UBZ wieder. Sobald die Batteriezellenspannung UBZ einen vorgegebenen Schwellwert, eine sogenannte Ausschaltschwelle, unterschreitet, stoppt die Schwellwertschaltung 22 den Schaltvorgang wieder, wodurch das erste steuerbare Schaltelement S1 wieder öffnet und damit den Entladewiderstand R1 galvanisch von der Batteriezelle 12 trennt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Batteriesystem
- 12
- Batteriezelle
- 14
- Vorrichtung
- 16
- Entladeeinrichtung
- 18
- Steuereingang
- 20
- Messeinrichtung
- 22
- Schwellwertschaltung
- 24
- Operationsverstärker
- 26
- Stabilisierungselement
- R1
- Entladewiderstand
- R2
- Messwiderstand
- R3, R4, R5
- Widerstände
- S1
- erstes steuerbares Schaltelement
- S2
- zweites steuerbares Schaltelement
- μC
- Steuereinheit
- UBZ
- Batteriezellenspannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- KR 20130021975 [0004]
- US 2013/0241471 A1 [0004]
