-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines steuerbaren Entladepfads für eine Energiespeicherzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Ladezustandsausgleichssystem für zumindest teilweise in Serie verschaltete Energiespeicherzellen mit zumindest einer ersten und einer zweiten derartigen Schaltungsanordnung. Überdies betrifft die Erfindung eine Energiespeicherzelle mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
-
Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können einen elektrischen Energiespeicher aufweisen, welcher insbesondere bei einer Ausgestaltung als Hochleistungsenergiespeicher eine Vielzahl von einzelnen Energiespeicherzellen aufweisen kann. Üblicherweise werden dabei die einzelnen Energiespeicherzellen innerhalb eines Stranges in Serie verschaltet. Dabei können mehrere Stränge parallel miteinander verschaltet sein. Infolge von unterschiedlichen Parametern der einzelnen Energiespeicherzellen und/oder unterschiedlichen Strombelastungen, beispielsweise durch einen unterschiedlichen Leckstrom, kann es hierbei zu einem Auseinanderdriften der einzelnen Ladezustände kommen. Damit der innerhalb eines Strangs verschaltete Verbund der Energiespeicherzellen möglichst in einem einheitlichen Betriebsbereich betrieben wird, wird üblicherweise ein Ladezustandsausgleich zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen vorgenommen, ein sogenanntes Balancing. Im einfachsten Fall wird hierbei beim Laden einer Energiespeicherzelle über einen steuerbaren Parallelstrompfad ein Bypass-Strom an der Energiespeicherzelle vorbeigeführt. Hierdurch können bereits voll geladene Energiespeicherzellen vor einer Überladung geschützt werden. Innerhalb eines Strangs können auch jeweils mehrere Einzelzellen parallel geschaltet sein. In diesem Fall erfolgt das Balancing für die parallel geschalteten Einzelzellen gemeinsam.
-
In diesem Zusammenhang ist aus der
DE 10 2013 018 412 A1 ein System mit einer Steuereinrichtung und einer Batterie mit mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen bekannt, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriezellpole sowie einen elektronischen Lastschalter und einen Lastwiderstand umfasst, die in Reihe zwischen die beiden Batteriezellpole geschaltet sind, wobei im geschlossenen Zustand des elektronischen Lastschalters ein Entladestrom von einem Batteriezellpol über den Lastwiderstand zu dem anderen Batteriezellpol fließen kann und der elektronische Lastschalter so eingerichtet ist, dass bei Überschreiten einer Schwellenspannung an einem Steuereingang des Lastschalters der Stromkreis zwischen den Batteriezellpolen geschlossen und anderenfalls geöffnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass jede Batteriezelle eine Messleitung umfasst, die über einen Vorwiderstand mit einem der Batteriezellpole und mit der Steuereinrichtung so verbunden ist, dass die Messleitung im unbelasteten Zustand der Batteriezelle auf dem Potential des Batteriezellpols liegt und so ein Erfassen des Potentials durch die Steuereinrichtung ermöglicht, wobei die Steuereinrichtung einen elektronischen Steuerschalter aufweist, der so eingerichtet ist, dass er im geschlossenen Zustand die Messleitungen zweier benachbarter Batteriezellen zum Entladen der Batteriezelle am Lastwiderstand durch Überschreiten der Schwellenspannung am Steuereingang des Lastschalters verbindet.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung, ein Ladezustandsausgleichssystem sowie eine Energiespeicherzelle bereitzustellen, welche eine universellere Verwendbarkeit aufweisen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Ladezustandsausgleichssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 sowie durch eine Energiespeicherzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung geht von einer Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines steuerbaren Entladepfads für eine Energiespeicherzelle aus, mit drei elektrischen Anschlüssen, insbesondere mit genau drei elektrischen Anschlüssen, zum elektrischen Koppeln an externe Komponenten umfassend einen ersten Anschluss, welcher elektrisch mit einem ersten Anschlusspol der Energiespeicherzelle koppelbar ist, einen zweiten Anschluss, welcher elektrisch mit einem zweiten Anschlusspol der Energiespeicherzelle koppelbar ist und einen dritten Anschluss, welcher elektrisch mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Entladepfads koppelbar ist sowie mit einem ersten Widerstandselement, welches elektrisch zwischen den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss geschaltet ist, einem zweiten Widerstandselement und einem elektronischen Schaltelement, wobei das elektronische Schaltelement und das zweite Widerstandselement elektrisch in Reihe zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet sind. Die Schaltungsanordnung weist ein erstes Widerstandselement auf, welches elektrisch zwischen den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss geschaltet ist, ein zweites Widerstandselement und ein elektronisches Schaltelement, wobei das elektronische Schaltelement und das zweite Widerstandselement elektrisch in Reihe zwischen den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss geschaltet sind, und wobei ein Steueranschluss des elektronischen Schaltelements elektrisch mit dem dritten Anschluss gekoppelt ist. Eine derartige Schaltungsanordnung wird gemäß der Erfindung derart weitergebildet, dass das erste Widerstandselement, das zweite Widerstandselement und das elektronische Schaltelement auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgebildet ist. Derartige sogenannte Flex-Leiterplatten (flexible printed circuit, FPC) können sehr dünn ausgebildet sein und beispielsweise auf Basis von Polyimidfolien hergestellt werden. Derartige Leiterplatten können platzsparend durch Falten in engsten Strukturen eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich eine Bauraumoptimierung und Flexibilität hinsichtlich Änderungen einer Geometrie der Energiespeicherzelle oder einer Bauform der Energiespeicherzelle. So ist die Schaltungsanordnung für den Einsatz sowohl mit Flachzellen als auch mit Rundzellen geeignet.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist das zweite Widerstandselement durch eine Leiterbahn der flexiblen Leiterplatte, insbesondere durch eine mäanderförmig gestaltete Leiterbahn, ausgebildet. Hierdurch kann eine großflächige Abfuhr der anfallenden Verlustwärme erfolgen, welche in dem zweiten Widerstandselement umgesetzt wird, wenn der Entladepfad für die Energiespeicherzelle bestromt wird. Dadurch kann eine lokale Überhitzung der Leiterplatte vorteilhaft vermieden werden. Indem die flexible Leiterplatte in einem direkten Kontakt mit einer Oberfläche der Energiespeicherzelle gebracht wird, insbesondere aufgeklebt, kann die entstehende Verlustenergie an die Energiespeicherzelle abgeführt werden und somit in vorteilhafter Weise auch zum Heizen einer kalten Energiespeicherzelle benutzt werden, um diese möglichst rasch in ihren optimalen Temperaturbetriebsbereich zu bringen.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine maximale Höhe von 1,2 mm in einem ungebogenen Zustand, vorzugsweise 1,0 mm, insbesondere 0,8 mm auf. Die maximale Höhe in einem ungebogenen Zustand bedeutet hierbei, dass die Schaltungsanordnung in einen Raum zwischen zwei planen, parallel mit einem entsprechenden Abstand zueinander ausgerichteten Platten eingebracht werden kann. Die maximale Höhe wird hierbei nur in den Bereichen erreicht, in denen auch Bauteile auf die Leiterplatte aufgebracht sind oder entsprechende Anschlusskontaktierungen/Drähte angebracht sind. Somit kann die Schaltungsanordnung derart ausgebildet sein, dass sie über den größten Teil ihrer lateralen Ausdehnung in einen sehr schmalen Spalt, beispielsweise zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen, eingebracht werden kann, und nur ein kleiner Teil mit bestückten Bauteilen aus diesem Spalt herausragt. Zur Erzielung einer geringen Bauhöhe kann das erste Widerstandselement beispielsweise durch einen Chip-Widerstand in der Baugröße 0603 oder 0402 realisiert sein. Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, eine Serien- und/oder Parallelschaltung aus mehreren kleineren Widerstandsbauformen einzusetzen. Auf diese Weise lässt sich die zulässige Verlustleistung des ersten Widerstandselements leicht skalieren (maximale Verlustleistung beispielsweise 0603: 0,1 W, 0402: 0,063 W). Das elektronische Schaltelement kann durch einen Bipolartransistor oder durch einen MOSFET realisiert sein. Hierbei kann vorteilhaft beispielsweise eine Gehäusebauform SOT 23 oder in kleinerer Ausführung SOT 323 zum Einsatz kommen. Noch platzsparendere Ausführungen mit insbesondere geringerer Höhe werden beispielsweise mit sogenannten DFN-Packages erreicht (Dual Flat No–Lead Package). Das elektronische Schaltelement kann durch mehrere, insbesondere parallel geschaltete Einzelbauelemente realisiert sein, beispielsweise durch zwei parallel geschaltete MOSFET. Durch eine Bestückung mehrerer kleinerer Bauelemente anstelle eines einzigen größeren, kann die flexible Leiterplatte größere Freiheitsgrade beim Biegen und Knicken aufweisen, da keine großflächigen Versteifungsbereiche, welche durch darüber bestückte Bauelemente gegeben sind, auftreten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Widerstandselement einen temperaturabhängigen Widerstandswert zur Ermittlung einer Temperatur des ersten Widerstandselements auf. Mittels einer Auswertung des temperaturabhängigen Widerstandswerts kann somit eine Temperaturmessung der Leiterplatte und der in direktem thermischen Kontakt mit dieser befindlichen Energiespeicherzelle erfolgen.
-
Ein erfindungsgemäßes Ladezustandsausgleichssystem für zumindest teilweise in Serie verschaltete Energiespeicherzellen weist zumindest eine erste und eine zweite erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf, wobei der erste Anschluss der ersten Schaltungsanordnung elektrisch mit dem zweiten Anschluss der zweiten Schaltungsanordnung gekoppelt ist, wobei das Ladezustandsausgleichssystem eine Steuereinrichtung umfasst, welche über einen ersten Anschluss mit dem dritten Anschluss der ersten Schaltungsanordnung und über einen zweiten Steueranschluss mit dem dritten Anschluss der zweiten Schaltungsanordnung elektrisch gekoppelt ist. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen steuerbaren Widerstand zwischen dem ersten Steueranschluss und dem zweiten Steueranschluss zur Ansteuerung des elektronischen Schaltelements der ersten Schaltungsanordnung bereitzustellen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Ladezustandsausgleichssystem eine Spannungsmesseinrichtung zur Bereitstellung eines mit einer zwischen den ersten Steueranschluss und dem zweiten Steueranschluss anliegenden elektrischen Spannung korrelierten Spannungsmesswerts. Hierdurch ist eine Überwachung der Spannung einer anschließbaren Energiespeicherzelle möglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ladezustandsausgleichssystems ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den steuerbaren Widerstand in Abhängigkeit von dem Spannungsmesswert zu steuern. Hierdurch kann insbesondere ein Ladezustand der Energiespeicherzelle ermittelt und in Abhängigkeit davon der Ladestrom gegebenenfalls reduziert oder vollständig an der Energiespeicherzelle vorbeigeführt werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Ladezustandsausgleichssystems ist der steuerbare Widerstand durch eine Serienschaltung eines elektronischen Steuerschaltelements mit einem Messwiderstandselement gebildet. Das Steuerschaltelement kann hierbei vorzugsweise Mittel zur Potentialtrennung und/oder Potentialverschiebung aufweisen, beispielsweise einen Levelshifter oder eine galvanische Potentialtrennung zwischen einer Prozessoreinheit der Steuereinrichtung und der jeweiligen Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines steuerbaren Entladepfads. Insbesondere kann hierzu ein Optokoppler vorgesehen sein. Hierdurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass platzintensivere Bauelemente aus dem direkten Anordnungsbereich der Energiespeicherzellen entfernt sind.
-
Bevorzugt kann eine Energiespeicherzelle eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aufweisen, woraus sich eine erfindungsgemäße Energiespeicherzelle ergibt. Bei der Energiespeicherzelle kann es sich um eine Batteriezelle, insbesondere um eine Lithium-Ionen-Zelle oder auch um eine Kondensatorzelle, beispielsweise einen Superkondensator handeln. Dabei kann die Schaltungsanordnung mittels einer Klebeverbindung auf einer Oberfläche der Energiespeicherzelle befestigt sein.
-
Besonders bevorzugt kann die Schaltungsanordnung innerhalb eines Zellgehäuses der Energiespeicherzelle angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich einerseits ein besonders guter thermischer Kontakt der Schaltungsanordnung mit den Elektroden und dem Elektrolyten der Energiespeicherzelle, bei einer Batteriezelle auch als galvanisches Element bezeichnet, und andererseits kann hierdurch ein erhöhter mechanischer Schutz der dünnen flexiblen Leiterplatte mit den darauf aufgebrachten Bauelementen erzielt werden.
-
Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, sowie das erfindungsgemäße Ladezustandsausgleichssystem und die erfindungsgemäße Energiespeicherzelle beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für alle drei Vorrichtungen, soweit anwendbar. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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 zeigen:
-
1 in vereinfachter schematischer Darstellung eine bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Energiespeicherzelle, und
-
2 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auf einer bestückten flexiblen Leiterplatte.
-
Eine Energiespeicherzelle 10, beispielsweise eine Batteriezelle, weist zwei Anschlusspole auf, wobei der erste Anschlusspol mit einem ersten Anschluss 11 und der zweite Anschlusspol mit einem zweiten Anschluss 12 gekoppelt ist. Der zweite Anschluss 12 ist über ein erstes Widerstandselement 14 mit einem dritten Anschluss 13 elektrisch gekoppelt. Zwischen dem ersten Anschluss 11 und dem zweiten Anschluss 12 ist eine Serienschaltung aus einem elektronischen Schaltelement 15 und einem zweiten Widerstandselement 16 geschaltet. Das erste Widerstandselement 14 weist hierbei einen ersten Widerstandswert R1 auf, das zweite Widerstandselement 16 weist hierbei einen zweiten Widerstandswert R2 auf.
-
Das elektronische Schaltelement weist ferner einen Steueranschluss 17 auf, welcher mit dem dritten Anschluss 13 elektrisch gekoppelt ist. Somit weisen das erste Widerstandselement 14 sowie der dritte Anschluss 13 und das elektronische Schaltelement einen gemeinsamen elektrischen Knotenpunkt auf, ebenso ist ein weiterer Knotenpunkt durch den zweiten Anschluss 12 sowie einen Anschluss des ersten Widerstandselements R1 und einen Anschluss des elektronischen Schaltelements 15, bei dem es sich um einen Anschluss einer Arbeitselektrode oder einen Anschluss einer Bezugselektrode des elektronischen Schaltelements 15 handeln kann, gegeben.
-
Eine auf einer gemeinsamen Leiterplatte 18 realisierte Schaltungsanordnung 20 ist in der 2 perspektivisch dargestellt. Auf der flexiblen Leiterplatte 18 ist eine mäanderförmige Leiterbahn als zweites Widerstandselement 16 ausgebildet. An zwei Eckpunkten der flexiblen Leiterplatte 18 sind jeweils der erste Anschluss 11 und der zweite Anschluss 12 angeordnet. Zwischen den beiden Anschlüssen 11 und 12 ist eine Insel mit bestückten Bauteilen angeordnet, nämlich dem ersten Widerstandselement 14 in Form eines SMD-Chip-Widerstands und einem auf der gleichen Leiterbahnseite angeordneten elektronischen Schaltelement 15 in Form eines Transistors, beispielsweise eines Bipolartransistors oder eines MOSFET.
-
Vorzugsweise ist die Leiterbahnführung kreuzungsfrei und ohne Durchkontaktierung ausschließlich auf einer Seite der flexiblen Leiterplatte 18, nämlich einer Bestückungsseite, ausgebildet. Die sichtbare Bestückseite ist somit gleichzeitig auch die Seite, welche die Leiterbahnen inklusive der das zweite Widerstandselement 16 bildenden mäanderförmigen Leiterbahn trägt. Insbesondere kann das zweite Widerstandselement 16 durch mehrere parallel geschaltete Leiterbahnen gebildet sein. Die nicht sichtbare Rückseite der flexiblen Leiterplatte 18 ist vorzugsweise frei von Leiterbahnen.
-
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürliche Anordnungen der Bauelemente, insbesondere des ersten Widerstandselements 14 und des elektronischen Schaltelements 15 sowie des zweiten Widerstandselement 16 beliebig angeordnet sein, wobei das erste Widerstandselement 14 und/oder das zweite Widerstandselement 16 als eine aus einer Serien- und/oder Parallelschaltung einer Vielzahl von Chipwiderständen gebildete Widerstandskette vorliegen können, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
-
Somit wurde voranstehend gezeigt, wie ein Ladezustandsausgleich von Einzelzellen in Hochleistungsbatterien mit einer bevorzugten Schaltungsausführung auf der Basis einer flexiblen Leiterplatte (FPC) realisiert sein kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Energiespeicherzelle
- 11
- erster Anschluss
- 12
- zweiter Anschluss
- 13
- dritter Anschluss
- 14
- erstes Widerstandselement
- 15
- elektronisches Schaltelement
- 16
- zweites Widerstandselement
- 17
- Steueranschluss
- 18
- Leiterplatte
- 20
- Schaltungsanordnung
-
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
-
- DE 102013018412 A1 [0003]
