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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsschaltung für eine (Hochvolt)-Batterie eines stationären Batteriespeichers, Kraftfahrzeugs oder Flugzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Hierbei wird eine bestimmte Zelle der Batterie geladen. Die elektrische Energie hierfür wird durch einen Stromversorgungsschiene mit Minus- und Pluspol zugeführt. Jeder Zellabgriff von seriell miteinander verschalteten Zellen ist über elektronische Schalter, hier zwei komplementär gerichtete serielle MOSFETs, an jeweils einem Pol der Versorgungsschiene verbunden.
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Hochvoltbatterien für stationäre Batterien, Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen in der Regel eine Vielzahl an Batteriezellen auf, die in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Zellen sind hinsichtlich ihrer Spannung und ihrer Temperatur individuell zu überwachen.
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Wird eine zu große Spannungs-, bzw. Ladungsdifferenz detektiert, ist es für die Lebensdauer und die Verfügbarkeit einer Batterie vorteilhaft die Differenz durch Ladungsausgleich wieder anzugleichen. Dies kann durch Entladen (Passives Balancing) der vergleichsweise energiereichen Zellen oder durch das Laden (Aktives Balancing) der schwächsten Zellen realisiert werden. Die Energie für das selektive Laden hierfür kann durch den Zellblock selbst, Umladen von Nachbarzellen oder durch eine äußere Spannungsquelle geschehen. Die hierfür üblichen Ströme sind der Dimension von wenigen mA bis wenigen A.
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Eine bekannte Ausgleichsschaltung wird beispielsweise zum Überwachen und Balancing eines Batterieblocks mit 31 Zellen maximal 4,2 V genutzt, was etwa 130,4 V ergibt. Jede Zelle ist an einer Seite mit einer Minusschiene und an der anderen Seite mit einer Plusschiene verbunden. Die Verbindung wird über gegenläufig geschaltete Dual-MOSFETs erreicht. Diese sperren den Stromfluss in beide Richtungen. Für obigen Batterieblock werden beispielsweise 64 Dual-MOSFETs beziehungsweise 128 Einzel-MOSFETs benötigt. Für das aktive Balancing liegt zwischen den beiden Schienen beispielsweise eine galvanisch getrennte Spannung von 5 bis 6 V an. Spannungsüberhöhungen können notwendig sein, um jede Zelle über 4,2 V zu laden und alle Innenwiderstände zwischen der Spannungsquelle und den Zellabgriffen selbst zu kompensieren. Spannungsabfälle in der Größenordnugen von 1–3 V sind hier typisch.
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Hinsichtlich der Sicherheit ist zu erwähnen, dass die Doppel-MOSFETs zum Sperren in beide Richtungen durch einen elektromagnetischen Impuls direkt oder indirekt geschlossen werden könnten. Dadurch könnte ein unkontrolliertes Laden beziehungsweise Entladen erfolgen. Das Konzept dieser Ausgleichsschaltung ist also unter Umständen nicht sicher genug, um ein gemeinsames Durchsteuern der MOSFETs zu verhindern. Beispielsweise wäre ein Kurzschluss der Zellen die Folge. Ein weiterer Nachteil der oben geschilderten Ausgleichsschaltung besteht darin, dass die hohe Bauteilanzahl ein Platz- und Kostenproblem darstellt.
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Aus der Druckschrift
US 2006/0097287 A1 ist eine Spannungsüberwachung für verbundene Energiespeicherzellen bekannt. Eine Spannungsüberwachungsschaltung dient zum Überwachen von weniger als allen Zellen eines seriellen Blocks von Energiespeicherzellen. Die einzelnen Zellspannungen in dem Block werden mit Hilfe eines Spannungs-Equalizers ausgeglichen, sodass die Spannung jeder einzelnen Zelle oder einer Kombination von ausgewählten Zellen einen Hinweis auf die Spannung jeder individuellen Zelle in dem Block gibt.
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Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
US 2004/0135545 A1 einen bidirektionalen Leistungswandler zum Ausgleich von Ladungszuständen zwischen in Serie verbundenen elektrischen Speichereinheiten. Dabei ist es möglich, eine einzelne Zelle durch Einschalten unidirektionaler MOSFET-Schalter zu entladen. Eine Diode in Serie mit jedem unidirektionalen MOSFET-Schalter wird benötigt, um unerwünschte Leitungspfade zu blockieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sicherheit einer Ausgleichsschaltung zu erhöhen und gleichzeitig die Bauteilkosten und -anzahl zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach z. B. eine Ausgleichsschaltung für eine Hochvoltbatterie mit einer oder mehreren Minusschienen, einer oder mehreren Plusschienen und je Zelle der Hochvoltbatterie einem ersten MOSFET, der an einen Minuspol der jeweiligen Zelle schaltbar ist und einem zweiten MOSFET, der an die Plusschiene geschaltet ist, bereitgestellt. Über die Minusschiene und die Plusschiene wird die Energie zum aktiven Balancing geliefert. Der erste MOSFET ist mit einer ersten Diode in Serie an die Minusschiene geschaltet. Des Weiteren ist der zweite MOSFET mit einer zweiten Diode in Serie an einen Pluspol der jeweiligen Zelle schaltbar.
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Bei einer Batterievorrichtung, bei der die Hochvoltbatterie an die Ausgleichsschaltung angeschlossen ist, ist also der erste MOSFET direkt an den Minuspol der jeweiligen Zelle geschaltet und ebenso der zweite MOSFET über die zweite Diode direkt an den Pluspol der jeweiligen Zelle. Insgesamt ist somit jede Batteriezelle nicht über zwei gegenläufige Dual-MOSFETs, sondern über zwei Serienschaltungen von jeweils MOSFET und Diode an die Minusschiene und die Plusschiene geschaltet. Aus dem Stand der Technik ist jedem Dual-MOSFET je ein Fototkoppler zugeordnet. Erfindungsgemäß ist die Schaltung jedoch so ausgeführt, dass jeder Zelle ist ein Fotokoppler zugeordnet werden kann. Durch diese Schaltungsanordnung kann sowohl der MOSFET des jeweiligen Pluspols, als auch des Minuspols durch einen gemeinsamen Foto-Koppler über eine positive Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source des N-dotierten MOSFETs angesteuert werden. Bei den genannten Schaltungen handelt es sich immer um N-MOSFETs. Für P-MOSFETs ist die jeweilige Schaltung entsprechend abzuwandeln. Ein Fotokoppler besitzt eine Lichtquelle (zum Beispiels LED) und eine Solarzelle. Er liefert also ausgangsseitig Energie, bzw. eine Schaltspannung
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Vorzugsweise verbindet ausschließlich ein Widerstand Gate und Source des ersten MOSFET am Minuspol der jeweiligen Zelle und das Gate dieses ersten MOSFET ist auch an den Fotokoppler angeschlossen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dieser Widerstand abhängig von der Leistung der Spannungsquelle einen Widerstandswert zwischen 100 kOhm und 100 MOhm und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 MOhm besitzt. Durch diese Beschaltung kann ein Fotokoppler für beide MOSFETs verwendet werden. Dadurch wird die Komplexität der Bauteile wiederum reduziert, und es können Kosten eingespart werden.
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In einer Weiterbildung entfällt auch der erste MOSFET an der ersten Zelle der Hochvoltbatterie. Dabei liegt die erste Zelle am Anfang eines Zellblocks beziehungsweise der gesamten Hochvoltbatterie, welche durch eine Serienschaltung von Zellen gebildet werden. Der zweite MOSFET wird praktisch überbrückt, sodass der Minuspol der ersten Zelle direkt mit der Anode der ersten Diode verbunden ist, während die Kathode der ersten Diode direkt mit der Minusschiene verbunden ist. Durch diese Maßnahme lässt sich erneut ein MOSFET einsparen.
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Auch an der Zelle mit dem höchsten Potential der Hochvoltbatterie kann der zweite MOSFET am Pluspol der Zelle entfallen und überbrückt sein. Dabei ist die Plusschiene über die Anode der zweiten Diode direkt mit dem Pluspol der letzten Zelle verbunden. Es lässt sich also auch hier ein MOSFET einsparen.
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Auch an der letzten Zelle der Hochvoltbatterie kann der zweite MOSFET entfallen indem er durch eine Diode ersetzt wird. Dabei ist die Plusschiene über die Anode der zweiten Diode direkt mit dem Pluspol der letzten Zelle verbunden. Der erste Mosfet entfällt, da das Laden der nächst höheren Zelle nicht existiert und kein Strom in die negative Laderichtung fließen kann. Somit lassen sich auch hier zwei MOSFET einsparen.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung beispielhaft wiedergibt.
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Die nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in anderen, technisch sinnvollen Kombinationen oder auch in Alleinstellung realisiert werden können.
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Ziel der Erfindung ist beispielsweise eine Optimierung der Schaltung für das derzeitig verwendete Verfahren des aktiven Balancings in Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wird mit einer potenzialfreien Spannungsquelle über einen Array aus Doppel-MOSFETs gezielt jeweils ausschließlich eine Batteriezelle gleichzeitig geladen. Jedes MOSFET-Paar wird dabei von einem potenzialfreien Fotokoppler getrieben. Die Optimierung besteht aus einer Schaltplananpassung mit Bauteilreduktion. Die Schaltung wird günstiger und gleichzeitig sicherer. Vorher kam es unter bestimmten Umständen (Störpegeln) zu einem unerwünschten Öffnen mehrerer MOSFETs und keinem selbstständigen Schließen, was zur Entladung mehrerer Zellen führen kann.
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In der Figur ist symbolisch eine Batterie mit fünf Einzelzellen 1 dargestellt. Beispielsweise besitzt jede Zellspannung den Wert 4 V. Eine Hochvoltbatterie, deren Spannung über 60 V liegt, besitzt eine entsprechende Anzahl an Einzelzellen.
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Das Balancing erfolgt über einen Lade- und Entladebus, der eine Minusschiene 2 und eine Plusschiene 3 aufweist. Der Minuspol jeder einzelnen Zelle 1 ist separat mit der Minusschiene 2 verbunden. Ebenso ist der Pluspol jeder einzelnen Zelle 1 separat mit der Plus-Schiene 3 verbunden. In allen Verbindungen sorgt jeweils eine Diode dafür, dass Kurzschlüsse zu dem Lade- und Entladebus verhindert werden. Dabei ist in Verbindungen zu der Minus-Schiene 2 jeweils die Kathode der entsprechenden Dioden der Minusschiene 2 zugewandt, während in den Verbindungen zu der Plusschiene 3 jeweils die Anoden der jeweiligen Dioden mit der Plus-Schiene 3 verbunden sind.
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Der Pluspol jeder Zelle 1 ist über einen MOSFET 5 und die jeweilige Diode 4 an die Plus-Schiene 3 gelegt. In gleicher Weise ist jeder Minuspol der einzelnen Zellen 1 über einen MOSFET 5 und die jeweilige Diode 4 an die Minus-Schiene 2 gelegt. Ausnahmen sind lediglich die Verbindung der negativsten Zelle in der Serienschaltung der Zellen mit der Minus-Schiene 2 und die Verbindung der positivsten Zelle in der Serienschaltung der Zellen 1 mit der Plus-Schiene 3. In beiden Verbindungen kann der jeweilige MOSFET entfallen und der dort an sich vorgesehene Transistor ist überbrückt. Diese beiden Verbindungen an der ersten Zelle und an der letzten Zelle weisen also nur eine jeweilige Diode 4 auf.
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Gegenüber herkömmlichen Ausgleichsschaltungen, bei denen sämtliche Verbindungen der Batteriezellen zu den Minus- und Plusschienen jeweils einen Doppel-MOSFET aufweisen, besitzt die erfindungsgemäße Ausgleichsschaltung in jeder Verbindung maximal einen MOSFET. Die Hälfte der MOSFETs ist durch Dioden 4 ersetzt. In dem oben gewählten Beispiel können somit 64 MOSFETs durch 64 Dioden ersetzt werden. Weiterhin kann auf die überflüssigen MOSFETs an den Block-Abschlüssen verzichtet werden, wodurch weitere zwei Stück MOSFETs eingespart werden. Der Platzbedarf der Bauteile reduziert sich dadurch erheblich (im Beispiel etwa 50%).
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Ausgleichsschaltung prinzipiell erläutert. Sowohl im angeschalteten wie auch im abgeschalteten Zustand ist jeder zweite MOSFET in Bezug auf die Stromrichtung durch seine Bulk- beziehungsweise Body-Diode leitend. Die MOSFET-Funktion reduziert lediglich im geschlossenen Zustand die Abfallspannung beziehungsweise den Widerstand. Die Sperrfunktion dieser überbrückten Body-Diode wird erfindungsgemäß mit einer kostengünstigeren Diode ersetzt, wenn der permanente Spannungsabfall vertretbar ist. Zudem ist eine permanent sperrende Diode durch einen elektromagnetischen Impuls nicht leitend, sodass im Störfall kein Strom in Sperrrichtung fließen kann. Der Kurzschluss einer Zelle über eine der Ladeleitungen ist somit unwahrscheinlich.
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An den Enden des Batterieblocks können, wie bereits angedeutet wurde, sämtliche MOSFETs entfallen. Zum Laden einer Zelle muss hier in Abhängigkeit vom Ladestrom (zum Beispiel 0,5 A) und der zugehörigen Abfallspannung (über zwei Dioden etwa 2 × 0,58 V welche zudem stark strom- und temperaturabhängig ist) die Ladespannung beispielsweise 1,2 V über die maximale Zellspannung gesetzt werden, das heißt die Ladeschiene sollte beispielsweise von 5 V auf 6 V erhöht werden.
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Die MOSFETs 5 werden, wie die Figur zeigt, mithilfe von Fotokopplern 6 gesteuert, welche ihrerseits durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung (zum Beispiel Mikrocontroller) angesteuert werden. Dabei ist das Gate eines MOSFET 5 mit dessen Source über den Fotokoppler 6 verbunden. Dies ist in allen Verbindungen des Batteriestrangs mit der Plus-Schiene 3 der Fall. Wie aus der Fig. hervorgeht, kann der Fotokoppler 6 zur Steuerung eines MOSFET 5' in einer Plus-Schienenverbindung auch dazu genutzt werden, den MOSFET 5 in der korrespondierenden Minus-Schienenverbindung zu steuern. Dadurch kann auf jeden zweiten Fotokoppler verzichtet werden. Die Anzahl der Fotokoppler wird dadurch halbiert. In den Minus-Schienenverbindungen ist das Gate des jeweiligen MOSFET 5 hier über einen hochohmigen Widerstand von zum Beispiel 5 bis 10 MOhm an Source des MOSFET angeschlossen.
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Wenn in einem konkreten Beispiel die zweite Zelle 1 von links geladen wird, schaltet der zugehörige Fotokoppler 6, womit die Minus-Schiene 2 auf dem negativen Zellpotenzial (zum Beispiel 4 V) und die Plus-Schiene auf dem positiven Zellpotenzial (zum Beispiel 8 V) liegt. Zwischen beiden Schienen liegt also einfache Zellspannung an. Die zweite Zelle kann so durch eine Spannungsquelle mit Strombegrenzung geladen werden. Der MOSFET schaltet am Pluspol mit 9 V (vom Fotokoppler) und am Minuspol die Differenz von 9 V und der Zellspannung, was etwa 5 V entspricht. Das Potenzial zum Sperren an den Gates wird zum einen über den Widerstand der Fotokoppler und zum anderen über den jeweiligen hochohmigen Widerstand 7 mit 0 V und „0 V Zellpotenzial” hergestellt.
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Die Funktionsweise kann anhand eines beispielhaften Potenzialbezugs auf die niedrigste Zellspannung (hier definiert als 0 V) verdeutlicht werden. Ist kein Fotokoppler 6 aktiv, liegen auf der Minus-Schiene 2 0 V an. Ist einer der Fotokoppler 6 aktiv, dann liegt auf der Minus-Schiene 2 das entsprechende Zellpotenzial an. Das Potenzial ist höher als 0 V. Es fließt also kein Strom zur ersten Zelle. Entsprechendes gilt für die Plus-Schiene 3. Wird ein Fotokoppler geschaltet, liegt auf der Minus-Schiene das Zellpotenzial des negativen Pols der entsprechenden kontaktierten Zelle an. Auf der Plus-Schiene 3 liegt entsprechend das Potenzial plus die Ladespannung. Wird noch dazu der MOSFET 5' am positiven Pol der Zelle geöffnet (geschieht zeitgleich), dann kann Strom von der Plus-Schiene 3 in diese Zelle fließen, aber in keine andere, da die Spannung nicht hoch genug ist, um die Diode zu überbrücken.
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In vorteilhafter Weise sind bei der erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung gegenüber einer reinen MOSFET-Lösung etwa die Hälfte der MOSFETs durch Dioden ersetzt. Der Spannungsabfall an den Dioden kann durch die Wahl einer Stromquelle mit höherer Spannung kompensiert werden. Durch diesen Aufbau können geringere Kosten erreicht werden. Die jeweilige Diode wird in Sperrrichtung durch Störpegel nicht leitfähig.
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Ein zweiter Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung besteht darin, dass nicht jeder MOSFET durch einen separaten Fotokoppler angesteuert werden muss. Vielmehr kann ein Fotokoppler zwei MOSFETs steuern. Um eine Zelle aktiv ausgleichen zu können, muss der Minuspol der Zelle auf den Minuspol der potenzialfreien Spannungsquelle geschaltet werden. Entsprechendes gilt für die Pluspole. Erfindungsgemäß sind dafür nur noch ein einziger Fotokoppler und zwei Einzel-MOSFETs sowie die Dioden notwendig. Der Fotokoppler treibt den einen MOSFET mit seiner Eigenspannung und den anderen mit seiner Eigenspannung plus einer Zellspannung. Durch eine solche Spannung werden weniger Bauteile benötigt und es ergeben sich geringere Kosten. Außerdem ergibt sich eine erhöhte Störfestigkeit, da der MOSFET auf der Plusseite einer Zelle mit negativer Spannung gesperrt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zelle
- 2
- Minus-Schiene
- 3
- Plus-Schiene
- 4
- Diode
- 5, 5'
- MOSFET
- 6
- Fotokoppler
- 7
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0097287 A1 [0006]
- US 2004/0135545 A1 [0007]
