DE102018009391A1 - Circuit arrangement for a battery - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1, 2.2, 2.3) oder Module. Jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module ist eine Bypass-Diode (D1, D2, D3) parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Minuspol einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) oder desselben Moduls verbunden ist. Alternativ ist jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module ein Halbleiterschalter (F1, F2, F3) parallel geschaltet, wobei jede der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit (5) zur Messung einer Zellspannung (U1, U2, U3) oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit (6) zur Messung eines Stromes (I) durch die Batterie (1) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit (7) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (5) einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) und mit der Strommesseinheit (6) verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den Halbleiterschalter (F1, F2, F3) derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) öffnet, wenn ein Strom (I) fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren Stromschwellwert (I) ist und wenn die jeweilige Zellspannung (U1, U2, U3) beim Fließen des Stroms (I) unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert (U) abfällt oder diesen erreicht.The invention relates to a circuit arrangement for an electric battery (1), comprising a plurality of individual cells (2.1, 2.2, 2.3) or modules electrically connected in series. Each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules has a bypass diode (D1, D2, D3) connected in parallel, such that an anode of the bypass diode (D1, D2, D3) with a negative pole is one of the Cells (2.1, 2.2, 2.3) or one of the modules and a cathode of the same bypass diode (D1, D2, D3) is connected to a positive pole of the same cell (2.1, 2.2, 2.3) or the same module. Alternatively, each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules has a semiconductor switch (F1, F2, F3) connected in parallel, each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules a voltage measuring unit (5) for measurement having a cell voltage (U1, U2, U3) or module voltage, a current measuring unit (6) for measuring a current (I) through the battery (1) being provided, at least one control unit (7) being provided which is connected to the voltage measuring unit ( 5) one of the cells (2.1, 2.2, 2.3) and connected to the current measuring unit (6) and is designed such that it opens the semiconductor switch (F1, F2, F3) of the same cell (2.1, 2.2, 2.3) when a current (I) flows, the absolute value of which is greater than or equal to a predefinable current threshold value (I) and if the respective cell voltage (U1, U2, U3) falls below a predefinable voltage threshold value (U) when the current (I) flows or this reached.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module.The invention relates to a circuit arrangement for an electric battery, comprising a plurality of individual cells or modules electrically connected in series.

Bei Ausfall oder Defekt einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls wird durch erhöhten Innenwiderstand der defekten Batteriezelle die abrufbare Leistung der gesamten Batterie erheblich reduziert. Findet in diesem Zustand keine Abschaltung statt, besteht die Gefahr einer lokal starken Überhitzung innerhalb der Batterie, die ein Sicherheitsproblem darstellen kann.If a battery cell or a battery module fails or is defective, the power that can be called up for the entire battery is considerably reduced due to the increased internal resistance of the defective battery cell. If there is no shutdown in this state, there is a risk of locally severe overheating within the battery, which can pose a safety problem.

Bekannt sind Batterien, die aus mehreren kompletten Teilsträngen inklusive Schützen bestehen. Ein Teilstrang mit einer defekten Zelle oder einem defekten Modul kann über das Schütz stromfrei geschaltet werden. Dabei sind mehrere Teilstränge inklusive Schütz erforderlich. Die abrufbare Leistung sinkt stark ab.Batteries are known which consist of several complete partial strands including contactors. A partial string with a defective cell or a defective module can be switched off via the contactor. Several sub-strands including a contactor are required. The available power drops sharply.

Aus der DE 10 2015 016 980 A1 ist eine Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit

  • - zumindest zwei Batteriesträngen, welche jeweils zumindest eine Batteriezelle und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss der Batterie schaltbar sind,
  • - einem zweiten Batterieanschluss zum Anschließen der Batterie an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss über eine Hauptschalteinrichtung der Batterie mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch koppelbar ist; und
  • - einer Vorladevorrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgelegt ist, wobei die Vorladevorrichtung in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie zum aneinander
Angleichen von Batteriespannungen eines ersten Batteriestranges und zumindest eines zweiten Batteriestranges ausgelegt ist.From the DE 10 2015 016 980 A1 a battery for an electrical system of a motor vehicle is known with
  • at least two battery strings which each have at least one battery cell and a switching element connected in series therewith and which can be connected in parallel to one another to a first battery connection of the battery by means of the respective switching element,
  • a second battery connection for connecting the battery to the vehicle electrical system, the second battery connection being able to be electrically coupled to the first battery connection via a main switching device of the battery; and
  • a precharging device, which is designed in a first operating mode of the battery for precharging an intermediate circuit of the vehicle electrical system, the precharging device in a second operating mode of the battery for one another
Aligning battery voltages of a first battery string and at least one second battery string is designed.

Aus der DE 10 2012 212 374 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches einen Batteriestrang umfasst, der eine Vielzahl dem Batteriestrang in Reihe geschaltete Batteriezellen sowie eine Vielzahl an Sicherungen aufweist, die zu den Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. Das Batteriesystem weist zudem zwei Anschlüsse auf, die jeweils mit einem Ende des Batteriestrangs verbunden sind. Über zwei Schaltmittel ist ein elektrischer Pfad parallel zu einem Abschnitt des Batteriestranges schaltbar, wobei der Abschnitt mindestens eine Batteriezelle sowie mindestens eine Sicherung beinhaltet.From the DE 10 2012 212 374 A1 a battery system is known which comprises a battery string which has a plurality of battery cells connected in series to the battery string and a plurality of fuses which are connected in series with the battery cells. The battery system also has two connections, each of which is connected to one end of the battery string. An electrical path can be connected in parallel to a section of the battery string via two switching means, the section including at least one battery cell and at least one fuse.

Aus der DE 10 2016 015 298 A1 ist eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie bekannt, umfassend einen aus einer Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen gebildeten Zellverbund mit zwei Polanschlusspunkten, mit zwei elektrischen Überbrückungsleitungen, wobei zwischen jeder Überbrückungsleitung und jedem Polanschlusspunkt jeweils eine schaltbare Koppelvorrichtung angeordnet ist. Zwischen jeder Überbrückungsleitung und jeder elektrischen Verbindung zwischen den Einzelzellen ist jeweils eine weitere schaltbare Koppelvorrichtung angeordnet. Weiterhin ist eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung zur Erfassung elektrischer Parameter einer einzelnen Einzelzelle oder mehrerer Einzelzellen des Zellverbunds offenbart.From the DE 10 2016 015 298 A1 A circuit arrangement for an electric battery is known, comprising a cell network formed from a plurality of individual cells that are electrically connected in series with two pole connection points, with two electrical bridging lines, a switchable coupling device being arranged between each bridging line and each pole connection point. A further switchable coupling device is arranged between each bridging line and each electrical connection between the individual cells. Furthermore, the use of such a circuit arrangement for detecting electrical parameters of an individual cell or a plurality of individual cells of the cell network is disclosed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved circuit arrangement for an electric battery.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.The object is achieved according to the invention by a circuit arrangement having the features of claim 1 or claim 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module, jeder der Zellen oder jedem der Module eine Bypass-Diode parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode mit einem Minuspol einer der Zellen oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass-Diode mit einem Pluspol derselben Zelle oder desselben Moduls verbunden ist.According to a first aspect of the present invention, in a circuit arrangement for an electric battery comprising a plurality of individual cells or modules electrically connected in series, each of the cells or each of the modules has a bypass diode connected in parallel such that an anode of the bypass diode is connected to a negative pole of one of the cells or one of the modules and a cathode of the same bypass diode to a positive pole of the same cell or the same module.

Wenn alle Zellen oder Module eine annähernd gleiche Zellspannung und einen annähernd gleichen Innenwiderstand aufweisen, so fließt ein Strom in Entladerichtung ausschließlich über die Zellen oder Module und nicht über die Bypass-Dioden. Sobald jedoch eine der Zellen oder eines der Module infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere Zellspannung oder einen höheren Innenwiderstand aufweist, wird bei dieser Zelle oder diesem Modul der Strom aufgeteilt und es fließt ein Bypass-Strom über die jeweilige Bypass-Diode und ein Zellstrom über die Zelle oder das Modul. Ist der Strom gering, so kann er weiterhin vollständig als Zellstrom über die defekte Zelle oder das defekte Modul fließen. Erst wenn der Spannungsabfall am jeweiligen Innenwiderstand infolge des fließenden Stromes so groß wird, dass die jeweilige Bypass-Diode öffnet, übernimmt die jeweilige Bypass-Diode den zusätzlichen Anteil des Stroms als Bypass-Strom. Ab diesem Punkt bleibt der Anteil des Zellstroms nahezu konstant. Der maximale Zellstrom wird somit begrenzt. Das gleiche gilt auch für die in der defekten Zelle entstehende Abwärme. Hinzu kommt die Abwärme, die an der Bypass-Diode entsteht. In Summe entsteht an der defekten Zelle und der zugehörigen Bypass-Diode weniger Abwärme, als an der defekten Zelle ohne Bypass-Pfad entstehen würde.If all cells or modules have approximately the same cell voltage and approximately the same internal resistance, then a current flows in the discharge direction exclusively via the cells or modules and not via the bypass diodes. However, as soon as one of the cells or one of the modules has a lower cell voltage or a higher internal resistance as a result of a defect or aging, the current is divided in this cell or this module and a bypass current flows through the respective bypass diode and a cell current overflows the cell or module. If the current is low, it can continue to flow completely as a cell current over the defective cell or module. Only when the voltage drop across the respective internal resistance due to the flowing current becomes so great that the respective bypass diode opens does the respective bypass diode take over the additional portion of the current as a bypass stream. From this point on, the proportion of cell current remains almost constant. The maximum cell current is thus limited. The same applies to the waste heat generated in the defective cell. In addition, there is the waste heat that arises at the bypass diode. In total, less waste heat is generated at the defective cell and the associated bypass diode than would be generated at the defective cell without a bypass path.

Folgende Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Bypass-Dioden:

  • • Die Bypass-Dioden sind nicht in Reihe mit den einzelnen Zellen oder Modulen geschaltet. Sie beeinflussen somit bei intakter Batterie nicht den Wirkungsgrad beim Entladen der Batterie (Fahrbetrieb) und haben auch keinen Abwärmeeintrag in die Batterie. Die Dioden werden erst aktiv, sobald eine Zelle oder ein Modul stark gealtert oder defekt ist.
  • • Die Bypass-Dioden sind nur auf die Spannung der jeweils parallel geschalteten Zellen oder Module auszulegen.
  • • Durch die Parallelschaltung der Dioden ist bei gealterten oder defekten Zellen oder Modulen eine Reduzierung der Abwärmeleistung erreichbar. Die benachbarten Zellen oder Module werden vor Überhitzung und beschleunigter Alterung geschützt. Ein Brand der defekten Zelle oder des defekten Moduls kann so vermieden werden.
  • • Die Schaltung mit Bypass-Dioden ist passiv und daher ohne Auswerteelektronik umsetzbar.
The following advantages result when using bypass diodes:
  • • The bypass diodes are not connected in series with the individual cells or modules. With an intact battery, they do not influence the efficiency when discharging the battery (driving mode) and have no heat input into the battery. The diodes only become active as soon as a cell or a module is badly aged or defective.
  • • The bypass diodes should only be designed for the voltage of the cells or modules connected in parallel.
  • • By connecting the diodes in parallel, the waste heat output can be reduced in the case of aged or defective cells or modules. The neighboring cells or modules are protected against overheating and accelerated aging. A fire in the defective cell or module can thus be avoided.
  • • The circuit with bypass diodes is passive and can therefore be implemented without evaluation electronics.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module, jeder der Zellen oder jedem der Module ein Halbleiterschalter parallel geschaltet, wobei jede der Zellen oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit zur Messung einer Zellspannung oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit zur Messung eines Stromes durch die Batterie vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit einer der Zellen und mit der Strommesseinheit verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den Halbleiterschalter derselben Zelle öffnet, wenn ein Strom fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren Stromschwellwert ist und wenn die jeweilige Zellspannung beim Fließen des Stroms unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert abfällt oder diesen erreicht.According to a second aspect of the present invention, in a circuit arrangement for an electric battery, comprising a plurality of individual cells or modules electrically connected in series, each of the cells or each of the modules has a semiconductor switch connected in parallel, each of the cells or each of the modules being a voltage measuring unit Measurement of a cell voltage or module voltage, wherein a current measuring unit is provided for measuring a current through the battery, at least one control unit being provided which is connected to the voltage measuring unit of one of the cells and to the current measuring unit and is designed to be the semiconductor switch of the same cell opens when a current flows that is or whose absolute value is greater than or equal to a predefinable current threshold value and if the respective cell voltage drops below a predefinable voltage threshold value when the current flows or reaches it.

Wenn alle Zellen eine annähernd gleiche Zellspannung und einen annähernd gleichen Innenwiderstand aufweisen, so fließt der Strom in Entladerichtung ausschließlich über die Zellen und nicht über die Halbleiterschalter.If all cells have approximately the same cell voltage and approximately the same internal resistance, the current flows in the discharge direction exclusively via the cells and not via the semiconductor switches.

Das Prinzip der Schaltung aus ist ähnlich dem oben beschriebenen Prinzip mit Bypass-Dioden. Die Bypass-Diode verfügt allerdings über eine feste Schwellspannung (z.B. -0,7V als Klemmenspannung der defekten Zelle). Werden die Bypass-Dioden durch Halbleiterschalter, insbesondere MOSFETs, ersetzt, so ist über eine Ansteuerung der Halbleiterschalter eine beliebige Schaltschwelle einstellbar. Dabei sind Schaltschwellen realisierbar, die deutlich kleiner sind als die Schwellspannung der Bypass-Dioden, wodurch der Maximalstrom einer defekten Zelle auf einen geringeren Wert begrenzt werden kann. Dies ist vor allem beim Einsatz zum Brücken von Batteriemodulen mit einer defekten Zelle von Vorteil. Dadurch, dass der Halbleiterschalter keine intrinsische Schwellwertspannung besitzt, sind die Abwärmeverluste im Halbleiterschalter und auch im Innenwiderstand geringer, da Kommutierung bei einem geringeren Stromwert einsetzt.The principle of the circuit from is similar to the principle described above with bypass diodes. However, the bypass diode has a fixed threshold voltage (e.g. -0.7V as the terminal voltage of the defective cell). If the bypass diodes are replaced by semiconductor switches, in particular MOSFETs, any switching threshold can be set by activating the semiconductor switch. Switching thresholds can be implemented that are significantly lower than the threshold voltage of the bypass diodes, which means that the maximum current of a defective cell can be limited to a lower value. This is particularly advantageous when used to bridge battery modules with a defective cell. The fact that the semiconductor switch has no intrinsic threshold voltage means that the waste heat losses in the semiconductor switch and also in the internal resistance are lower, since commutation starts at a lower current value.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Halbleiterschalter jeweils als ein MOSFET ausgebildet.In one embodiment of the invention, the semiconductor switches are each designed as a MOSFET.

Folgende Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Bypass-Halbleiterschalter (beispielsweise MOSFETs):

  • • Alle Vorteile der Schaltung mit Bypass-Dioden werden erfüllt.
  • • Eine Auslöseschwelle der Halbleiterschalter kann im Gegensatz zum Konzept mit den Bypass-Dioden frei gewählt werden.
  • • Im Vergleich zu den Bypass-Dioden kann die entstehende Abwärmeleistung in den Halbleiterschaltern und vor allem auch in der defekten Zelle nochmals erheblich reduziert werden.
  • • Die Ansteuerschaltung der Bypass- Halbleiterschalter benötigt keine zusätzlichen Messeinrichtungen in der Batterie. Eine Gesamtstrommessung und die Spannungsmessung der Einzelzellen oder Modulen sind häufig ohnehin vorgesehen.
The following advantages result when using bypass semiconductor switches (for example MOSFETs):
  • • All advantages of switching with bypass diodes are fulfilled.
  • • In contrast to the concept with the bypass diodes, a trigger threshold of the semiconductor switches can be freely selected.
  • • Compared to the bypass diodes, the waste heat generated in the semiconductor switches and especially in the defective cell can be significantly reduced again.
  • • The control circuit of the bypass semiconductor switches does not require any additional measuring devices in the battery. A total current measurement and the voltage measurement of the individual cells or modules are often provided anyway.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET, dessen Source mit einem Minuspol einer der Zellen und dessen Drain mit einem Pluspol derselben Zelle verbunden ist. In alternativen Ausführungsformen können auch andere MOSFETs, beispielsweise p-Kanal-MOSFETs oder IGBT vorgesehen sein.In one embodiment of the invention, the MOSFET is an n-channel MOSFET, the source of which is connected to a negative pole of one of the cells and the drain of which is connected to a positive pole of the same cell. In alternative embodiments, other MOSFETs, for example p-channel MOSFETs or IGBT, can also be provided.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit einen ersten Komparator zum Vergleichen des Stroms mit dem vorgebbaren Stromschwellwert. In one embodiment of the invention, the control unit comprises a first comparator for comparing the current with the predefinable current threshold value.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit einen zweiten Komparator zum Vergleichen der Zellspannung mit dem vorgebbaren Spannungsschwellwert.In one embodiment of the invention, the control unit comprises a second comparator for comparing the cell voltage with the predefinable voltage threshold.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit ein UND-Glied, das Ausgänge der Komparatoren logisch verknüpft und mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden ist.In one embodiment of the invention, the control unit comprises an AND gate, which logically links outputs of the comparators and is connected to a control input of the semiconductor switch.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 ein schematisches Schaltbild einer Batterie mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen und diesen parallel geschalteten Bypass-Dioden,
  • 2 einen Verlauf von Strömen und Spannungen an der in 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen,
  • 3 einen Verlauf von Leistungen an den Innenwiderständen der Zellen der in 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen,
  • 4 ein schematisches Schaltbild einer Batterie mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen und diesen parallel geschalteten Halbleiterschaltern,
  • 5 einen Verlauf von Strömen und Spannungen an der in 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen, und
  • 6 einen Verlauf von Leistungen an Innenwiderständen der Zellen der in 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen.
Show:
  • 1 1 shows a schematic circuit diagram of a battery with a number of cells connected in series and these bypass diodes connected in parallel,
  • 2nd a course of currents and voltages on the in 1 circuit shown during discharge and in the event of a fault in one of the cells,
  • 3rd a course of performances on the internal resistances of the cells of the in 1 circuit shown during discharge and in the event of a fault in one of the cells,
  • 4th 1 shows a schematic circuit diagram of a battery with a number of cells connected in series and these semiconductor switches connected in parallel,
  • 5 a course of currents and voltages on the in 4th circuit shown during discharge and in the event of a fault in one of the cells, and
  • 6 a course of performances at internal resistances of the cells of the in 4th circuit shown during discharge and in the event of a fault in one of the cells.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

In den folgenden Ausführungsbeispielen werden elektrische Batterien betrachtet, die aus einzelnen Zellen aufgebaut sind. Die Zellen in jedem der Ausführungsbeispiele können durch Module ersetzt werden. Bei einem Modul handelt es sich um eine Reihenschaltung mehrerer Zellen.The following exemplary embodiments consider electrical batteries which are made up of individual cells. The cells in each of the exemplary embodiments can be replaced by modules. A module is a series connection of several cells.

1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Batterie 1 mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 2.1, 2.2, 2.3. Jede der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 wird durch eine ideale Spannungsquelle 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 mit einer Zellspannung U1, U2, U3 und einen dazu in Reihe geschalteten Innenwiderstand R1, R2, R3 repräsentiert. Jeder der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 ist eine Bypass-Diode D1, D2, D3 parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode D1, D2, D3 mit einem Minuspol einer der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und eine Katode derselben Bypass-Diode D1, D2, D3 mit einem Pluspol derselben Zelle 2.1, 2.2, 2.3 verbunden ist. 1 shows a schematic diagram of a battery 1 with a number of cells connected in series 2.1 , 2.2 , 2.3 . Each of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 is through an ideal voltage source 2.1.1 , 2.2.1 , 2.3.1 with a cell voltage U1 , U2 , U3 and an internal resistance connected in series R1 , R2 , R3 represents. Each of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 is a bypass diode D1 , D2 , D3 connected in parallel such that an anode of the bypass diode D1 , D2 , D3 with a negative pole of one of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and a cathode of the same bypass diode D1 , D2 , D3 with a positive pole of the same cell 2.1 , 2.2 , 2.3 connected is.

An die Batterie 1 ist ein elektrischer Verbraucher 4 angeschlossen, durch den ein Strom I fließt. Der elektrische Verbraucher 4 ist als Stromquelle dargestellt.The battery 1 is an electrical consumer 4th connected through which a current I. flows. The electrical consumer 4th is shown as a power source.

Wenn alle Zellen 2.1, 2.2, 2.3 eine annähernd gleiche Zellspannung U1, U2, U3 und einen annähernd gleichen Innenwiderstand R1, R2, R3 aufweisen, so fließt der Strom I in Entladerichtung der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 ausschließlich über die Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und nicht über die Bypass-Dioden D1, D2, D3. Sobald jedoch eine der Zellen 2.1, 2.2, 2.3, beispielsweise die Zelle 2.2, infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere Zellspannung U1, U2, U3 oder einen höheren Innenwiderstand R1, R2, R3 aufweist, wird bei dieser Zelle 2.1, 2.2, 2.3 der Strom I aufgeteilt und es fließt ein Bypass-Strom IB über die jeweilige Bypass-Dioden D1, D2, D3 und ein Zellstrom IZ über die Zelle 2.1, 2.2, 2.3. Ist der Strom I gering so kann er weiterhin vollständig als Zellstrom IZ über die defekte Zelle 2.1, 2.2, 2.3 fließen. Erst wenn der Spannungsabfall am jeweiligen Innenwiderstand R1, R2, R3 infolge des fließenden Stromes I so groß wird, dass die jeweilige Bypass-Diode D1, D2, D3 öffnet, übernimmt die jeweilige Bypass-Diode D1, D2, D3 den zusätzlichen Anteil des Stroms I als Bypass-Strom IB . Ab diesem Punkt bleibt der Anteil des Zellstroms IZ nahezu konstant.If all cells 2.1 , 2.2 , 2.3 approximately the same cell voltage U1 , U2 , U3 and approximately the same internal resistance R1 , R2 , R3 the current flows I. in the discharge direction of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 exclusively via the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and not through the bypass diodes D1 , D2 , D3 . However, once one of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 , for example the cell 2.2 , a lower cell voltage due to a defect or aging U1 , U2 , U3 or a higher internal resistance R1 , R2 , R3 has in this cell 2.1 , 2.2 , 2.3 The current I. split and a bypass flow flows I B via the respective bypass diodes D1 , D2 , D3 and a cell stream I Z over the cell 2.1 , 2.2 , 2.3 . Is the stream I. low so it can continue completely as a cell stream I Z about the broken cell 2.1 , 2.2 , 2.3 flow. Only when the voltage drop across the respective internal resistance R1 , R2 , R3 due to the flowing current I. becomes so large that the respective bypass diode D1 , D2 , D3 opens, the respective bypass diode takes over D1 , D2 , D3 the additional portion of the electricity I. as a bypass stream I B . From this point on, the proportion of the cell current remains I Z almost constant.

Der maximale Zellstrom IZ wird somit begrenzt. Das gleiche gilt auch für die in der defekten Zelle 2.1, 2.2, 2.3 entstehende Abwärme. Hinzu kommt die Abwärme, die an der Bypass-Diode D1, D2, D3 entsteht. In Summe entsteht an der defekten Zelle 2.1, 2.2, 2.3 und der Bypass-Diode D1, D2, D3 weniger Abwärme, als an der defekten Zelle 2.1, 2.2, 2.3 ohne Bypass-Pfad entstehen würde.The maximum cell current I Z is thus limited. The same applies to those in the defective cell 2.1 , 2.2 , 2.3 generated waste heat. In addition, there is the waste heat from the bypass diode D1 , D2 , D3 arises. In total, the faulty cell is created 2.1 , 2.2 , 2.3 and the bypass diode D1 , D2 , D3 less waste heat than on the defective cell 2.1 , 2.2 , 2.3 would arise without a bypass path.

In 2 ist ein Verlauf von Strömen und Spannungen an der in 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Dargestellt sind von oben nach unten eine Spannung UR1 über dem Innenwiderstand R1, ein Zellstrom IZ1 durch die Zelle 2.1, eine Spannung UD1 über der Bypass-Diode D1, ein Bypass-Strom IB1 durch die Bypass-Diode D1, eine Spannung UR2 über dem Innenwiderstand R2, ein Zellstrom IZ2 durch die Zelle 2.2, eine Spannung UD2 über der Bypass-Diode D2, ein Bypass-Strom IB2 durch die Bypass-Diode D2, eine Spannung UR3 über dem Innenwiderstand R3, ein Zellstrom IZ3 durch die Zelle 2.3, eine Spannung UD3 über der Bypass-Diode D3, ein Bypass-Strom IB3 durch die Bypass-Diode D3 und der Strom I. Die Zelle 2.2 weist einen höheren Innenwiderstand R2 und eine niedrigere Zellspannung U2 auf als die anderen Zellen 2.1, 2.3. Betrachtet wird nur der Entladefall, das heißt der Strom I steigt im Lauf der Simulationszeit von 0A auf -100A an.In 2nd is a course of currents and voltages on the in 1 circuit shown during discharge and in the event of an error in the cell 2.2 shown. A voltage is shown from top to bottom U R1 over the internal resistance R1 , a cell stream I Z1 through the cell 2.1 , a tension U D1 over the bypass diode D1 , a bypass stream I B1 through the bypass diode D1 , a tension U R2 over the internal resistance R2 , a cell stream I Z2 through the cell 2.2 , a tension U D2 over the bypass diode D2 , a bypass stream I B2 through the bypass diode D2 , a tension U R3 over the internal resistance R3 , a cell stream I Z3 through the cell 2.3 , a tension U D3 over the bypass diode D3 , a bypass stream I B3 through the bypass diode D3 and the electricity I. . The cell 2.2 has a higher internal resistance R2 and a lower cell voltage U2 on than the other cells 2.1 , 2.3 . Only the discharge case is considered, i.e. the current I. increases from 0A to -100A in the course of the simulation time.

In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,4s fließt der Strom I durch alle Zellen 2.1, 2.2, 2.3. Über die Bypass-Dioden D1, D2, D3 fließt kein Strom. Infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 wächst der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand R2 stärker an und ist der Zellspannung U2 entgegen gerichtet.The current flows in a first period of 0 to about 0.4s I. through all cells 2.1 , 2.2 , 2.3 . Via the bypass diodes D1 , D2 , D3 no electricity flows. As a result of the increased internal resistance R2 the voltage drop increases over the internal resistance R2 stronger and is the cell voltage U2 directed against.

Nach etwa 0,4s entspricht der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand R2 der Summe der Zellspannung U2, beispielsweise 3V, und einer Schwellwertspannung der Bypass-Diode D2, beispielsweise 1V. Ab diesem Zeitpunkt bleibt der Zellstrom IZ2 durch die Zelle 2.2 auf einem nahezu konstanten Wert. Der Differenzanteil zum weiterhin ansteigenden Strom I durch den Verbraucher wird nun von der Bypass-Diode D2 übernommen.After about 0.4s, the voltage drop across the internal resistance corresponds R2 the sum of the cell voltage U2 , for example 3V, and a threshold voltage of the bypass diode D2 , for example 1V. From this point on, the cell current remains I Z2 through the cell 2.2 at an almost constant value. The difference in proportion to the current that continues to rise I. by the consumer is now bypass diode D2 accepted.

Dadurch, dass bei der Bypass-Diode D2 ebenfalls ein Übergangswiderstand angenommen wurde, erhöht sich der Spannungsabfall an der Bypass-Diode D2 mit steigendem Bypass-Strom IB . Dadurch nimmt auch der Zellstrom IZ durch die defekte Zelle 2.2 geringfügig zu.Because of the bypass diode D2 If a contact resistance was also assumed, the voltage drop across the bypass diode increases D2 with increasing bypass current I B . This also increases the cell current I Z through the broken cell 2.2 slightly too.

Im in 2 dargestellten Beispiel wurden folgende Simulationsparameter verwendet:

  • R1 = R3 = 0,01 Ohm
  • R2 = 10*R1
  • U1 = U3 =4,0V
  • U2 = 3,0V
  • Spannungsabfall Ud=1V über der Bypass-Diode D2
  • Widerstandswert Rd=0.005 Ohm der Bypass Diode D2
  • Strom I durch den Verbraucher 4 (Stromquelle): von 0A bis -100A in 1sek.
In in 2nd The following simulation parameters were used in the example shown:
  • R1 = R3 = 0.01 ohms
  • R2 = 10 * R1
  • U1 = U3 = 4.0V
  • U2 = 3.0V
  • Voltage drop Ud = 1V across the bypass diode D2
  • Resistance value Rd = 0.005 ohms of the bypass diode D2
  • electricity I. by the consumer 4th (Power source): from 0A to -100A in 1sec.

In 3 ist ein Verlauf von Leistungen an den an den Innenwiderständen R1, R2, R3 der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und an der Bypass-Diode D2 der in 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Von oben nach unten sind dargestellt eine Leistung PR1 am Innenwiderstand R1, eine Leistung PR2 am Innenwiderstand R2, eine Leistung PD2 an der Bypass-Diode D2, eine summierte Leistung PD2_R2 an der Bypass-Diode D2 und am Innenwiderstand R2, eine Leistung PR3 am Innenwiderstand R3. Diese Leistungen entsprechen auch der abzuführenden Wärmeleistung für ein Kühlsystem, um ein Überhitzen oder einen Brand zu vermeiden.In 3rd is a curve of the performance at the internal resistances R1 , R2 , R3 of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and on the bypass diode D2 the in 1 circuit shown during discharge and in the event of an error in the cell 2.2 shown. A performance is shown from top to bottom P R1 on the internal resistance R1 , an achievement P R2 on the internal resistance R2 , an achievement P D2 on the bypass diode D2 , an aggregate performance P D2_R2 on the bypass diode D2 and the internal resistance R2 , an achievement P R3 on the internal resistance R3 . These outputs also correspond to the heat output to be dissipated for a cooling system in order to avoid overheating or fire.

In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,4s steigen die Leistungen PR1 , PR2 , PR3 an den Innenwiderständen R1, R2, R3 quadratisch proportional mit dem Strom I an. Die Leistung PR2 ist dabei wesentlich höher, weil hier auch ein wesentlich höherer Innenwiderstand R2 angenommen wurde.In a first period from 0 to about 0.4s, the performance increases P R1 , P R2 , P R3 on the internal resistances R1 , R2 , R3 quadratically proportional to the current I. at. The performance P R2 is much higher because there is also a much higher internal resistance R2 was accepted.

Nach etwa 0,4s steigen die Leistungen PR1 , PR3 an R1 und R3 weiterhin quadratisch proportional an. Die Leistung PR2 an R2 ist (nahezu) konstant, weil der Differenzstrom von nun an durch die Bypass-Diode D2 übernommen wird.The performance increases after about 0.4s P R1 , P R3 at R1 and R3 continue to be proportional to the square. The performance P R2 at R2 is (almost) constant because the differential current from now on through the bypass diode D2 is taken over.

Die Leistung PD2 an der Bypass-Diode D2 wächst nun (nahezu) proportional zum Bypass-Strom IB2 . Die in Summe umgesetzte Leistung PD2_R2 an D2 und R2 beträgt bei -100A ca. 256W. Ohne D2 entspräche die Abwärme an R2 allerdings:

  • 100A*100A*0.1Ohm = 1000W. Die Bypass-Diode D2 stellt also eine geeignete Schutzmaßahme gegen eine lokale Überhitzung aufgrund von gealterten oder defekten Zellen dar.
The performance P D2 on the bypass diode D2 now grows (almost) proportionally to the bypass current I B2 . The total implemented performance P D2_R2 on D2 and R2 at -100A is approx. 256W. Without D2 however, the waste heat at R2 would correspond to:
  • 100A * 100A * 0.1Ohm = 1000W. The bypass diode D2 therefore represents a suitable protective measure against local overheating due to aged or defective cells.

Die Leistung PR2 ist nicht völlig konstant und der Anstieg der Leistung PD2 an der Bypass-Diode D2 nicht völlig proportional zum Bypass-Strom IB2 wegen des Einflusses des Übergangswiderstands der Bypass-Diode D2. Je geringer dieser Übergangswiderstand ist, desto konstanter ist die freiwerdende Leistung PR2 an R2 mit steigendem Strom I.The performance P R2 is not completely constant and the increase in performance P D2 on the bypass diode D2 not completely proportional to the bypass current I B2 because of the influence of the contact resistance of the bypass diode D2 . The lower this contact resistance, the more constant the power that is released P R2 at R2 with increasing current I. .

4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Batterie 1 mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 2.1, 2.2, 2.3. Jede der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 wird durch eine ideale Spannungsquelle 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 mit einer Zellspannung U1, U2, U3 und einen dazu in Reihe geschalteten Innenwiderstand R1, R2, R3 repräsentiert. Jeder der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 ist eine Halbleiterschalter F1, F2, F3, insbesondere ein MOSFET, parallel geschaltet, insbesondere derart, dass bei einem n-Kanal MOSFET Source mit einem Minuspol einer der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und Drain desselben MOSFET mit einem Pluspol derselben Zelle 2.1, 2.2, 2.3 verbunden ist. Jede der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 weist eine Spannungsmesseinheit 5 zur Messung der Zellspannung U1, U2, U3 auf. Dargestellt ist hier nur die Spannungsmesseinheit 5 zur Messung der Zellspannung U2 der Zelle 2.2. 4th shows a schematic diagram of a battery 1 with a number of cells connected in series 2.1 , 2.2 , 2.3 . Each of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 is through an ideal voltage source 2.1.1 , 2.2.1 , 2.3.1 with a cell voltage U1 , U2 , U3 and an internal resistance connected in series R1 , R2 , R3 represents. Each of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 is a semiconductor switch F1 , F2 , F3 , in particular a MOSFET, connected in parallel, in particular in such a way that in the case of an n-channel MOSFET source with one negative pole of one of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and drain the same MOSFET with a positive pole of the same cell 2.1 , 2.2 , 2.3 connected is. Each of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 has a voltage measuring unit 5 for measuring cell voltage U1 , U2 , U3 on. Only the voltage measuring unit is shown here 5 for measuring cell voltage U2 the cell 2.2 .

An die Batterie 1 ist ein elektrischer Verbraucher 4 angeschlossen, durch den ein Strom I fließt. Der elektrische Verbraucher 4 ist als Stromquelle dargestellt. Weiter ist eine Strommesseinheit 6 zur Messung des Stromes I vorgesehen.The battery 1 is an electrical consumer 4th connected through which a current I. flows. The electrical consumer 4th is shown as a power source. There is also a current measuring unit 6 for measuring the current I. intended.

Wenn alle Zellen 2.1, 2.2, 2.3 eine annähernd gleiche Zellspannung U1, U2, U3 und einen annähernd gleichen Innenwiderstand R1, R2, R3 aufweisen, so fließt der Strom I in Entladerichtung der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 ausschließlich über die Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und nicht über die Halbleiterschalter F1, F2, F3. Es soll der Fall betrachtet werden, dass eine der Zellen 2.1, 2.2, 2.3, beispielsweise die Zelle 2.2, infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere Zellspannung U1, U2, U3 oder einen höheren Innenwiderstand R1, R2, R3 aufweist.If all cells 2.1 , 2.2 , 2.3 approximately the same cell voltage U1 , U2 , U3 and one approximately the same internal resistance R1 , R2 , R3 the current flows I. in the discharge direction of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 exclusively via the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and not the semiconductor switch F1 , F2 , F3 . Consider the case that one of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 , for example the cell 2.2 , a lower cell voltage due to a defect or aging U1 , U2 , U3 or a higher internal resistance R1 , R2 , R3 having.

Das Prinzip der Schaltung aus 4 ist ähnlich dem Prinzip aus 1 mit Bypass-Dioden D1, D2, D3. Die Bypass-Diode D1, D2, D3 verfügt allerdings über eine feste Schwellspannung (z.B. -0,7V als Klemmenspannung der defekten Zelle). Werden die Bypass-Dioden D1, D2, D3 durch Halbleiterschalter F1, F2, F3, insbesondere MOSFETs, ersetzt, so ist über eine Ansteuerung der Halbleiterschalter F1, F2, F3 eine beliebige Schaltschwelle einstellbar. Dabei sind Schaltschwellen realisierbar, die deutlich kleiner sind als die Schwellspannung der Bypass-Dioden D1, D2, D3, wodurch der Maximalstrom der defekten Zelle 2.2 auf einen geringeren Wert begrenzt werden kann. Dies ist vor allem beim Einsatz zum Brücken von Batteriemodulen mit einer defekten Zelle von Vorteil.The principle of the circuit 4th is similar to the principle 1 with bypass diodes D1 , D2 , D3 . The bypass diode D1 , D2 , D3 however, has a fixed threshold voltage (eg -0.7V as the terminal voltage of the defective cell). Become the bypass diodes D1 , D2 , D3 by semiconductor switch F1 , F2 , F3 , in particular MOSFETs, is replaced by a control of the semiconductor switch F1 , F2 , F3 any switching threshold can be set. Switching thresholds can be implemented that are significantly lower than the threshold voltage of the bypass diodes D1 , D2 , D3 , causing the maximum current of the defective cell 2.2 can be limited to a lower value. This is particularly advantageous when used to bridge battery modules with a defective cell.

Die Ansteuerung des der defekten Zelle 2.2 zugeordneten Halbleiterschalters F2 erfolgt über eine Steuereinheit 7, die mit der in der Batterie 1 vorhandenen Spannungsmesseinheit 5 und mit der Strommesseinheit 6 zur Messung des durch die Batterie 1 fließenden Stroms I verbunden ist. Dadurch, dass der Halbleiterschalter F2, insbesondere MOSFET, keine intrinsische Schwellwertspannung besitzt, sind die Abwärmeverluste im Halbleiterschalter F2 und auch im Innenwiderstand R2 geringer, da Kommutierung bei einem geringeren Stromwert einsetzt.The control of the defective cell 2.2 assigned semiconductor switch F2 takes place via a control unit 7 that with the in the battery 1 existing voltage measuring unit 5 and with the current measuring unit 6 to measure the through the battery 1 flowing current I. connected is. Because of the semiconductor switch F2 , in particular MOSFET, has no intrinsic threshold voltage, are the waste heat losses in the semiconductor switch F2 and also in internal resistance R2 lower because commutation starts at a lower current value.

In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 7 einen ersten Komparator 7.1 zum Vergleichen des Stroms I mit einem einstellbaren Stromschwellwert ITH , der beispielsweise 0 sein kann. Die Steuereinheit 7 umfasst weiter einen zweiten Komparator 7.2 zum Vergleichen der Zellspannung U2 mit einem einstellbaren Spannungsschwellwert UTH , der beispielsweise 0,1 V sein kann. Die Ausgänge der Komparatoren 7.1, 7.2 sind über ein UND-Glied 7.3 logisch verknüpft und der Ausgang des UND-Gliedes 7.3 steuert den Halbleiterschalter F2 an. Der Ausgang des ersten Komparators 7.1 nimmt beispielsweise den logischen Wert 1 an, wenn der Strom I den Stromschwellwert ITH erreicht und/oder überschreitet bzw. unterschreitet. Der Ausgang des zweiten Komparators 7.2 nimmt beispielsweise den logischen Wert 1 an, wenn die Zellspannung U2 den Spannungsschwellwert UTH erreicht und/oder unterschreitet. Der Halbleiterschalter F2 öffnet also, wenn ein Strom I fließt, der größer als der oder gleich dem Stromschwellwert ITH ist und wenn die Zellspannung U2 infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 beim Fließen des Stroms I unter den Spannungsschwellwert UTH abfällt oder diesen erreicht.In one embodiment, the control unit comprises 7 a first comparator 7.1 to compare the current I. with an adjustable current threshold I TH which can be 0, for example. The control unit 7 further comprises a second comparator 7.2 to compare the cell voltage U2 with an adjustable voltage threshold U TH , which can be 0.1 V, for example. The outputs of the comparators 7.1 , 7.2 are over an AND gate 7.3 logically linked and the output of the AND gate 7.3 controls the semiconductor switch F2 at. The output of the first comparator 7.1 takes the logical value, for example 1 on when the current I. the current threshold I TH reached and / or exceeds or falls below. The output of the second comparator 7.2 takes the logical value, for example 1 when the cell voltage U 2 reaches and / or falls below the voltage threshold UTH. The semiconductor switch F2 so opens when a stream I. flows that is greater than or equal to the current threshold I TH is and if the cell voltage U2 due to the increased internal resistance R2 when the current flows I. falls below or reaches the voltage threshold UTH.

Ähnliche Schaltungen mit dem Vergleich von Modulspannungen und einer daraus abgeleiteten Auslöseschwelle sind ebenfalls denkbar.Similar circuits with the comparison of module voltages and a trigger threshold derived therefrom are also conceivable.

Die übrigen Zellen 2.1, 2.3 der Batterie 1 können in gleicher Weise Spannungsmesseinheiten 5 und Steuereinheiten 7 aufweisen.The remaining cells 2.1 , 2.3 the battery 1 can measure voltage in the same way 5 and control units 7 exhibit.

In 5 ist ein Verlauf von Strömen und Spannungen an der in 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Dargestellt sind von oben nach unten eine Spannung UR1 über dem Innenwiderstand R1, ein Zellstrom IZ1 durch die Zelle 2.1, eine Spannung UF1 über dem Halbleiterschalter F1, ein Bypass-Strom I durch den Halbleiterschalter F1, eine Spannung UR2 über dem Innenwiderstand R2, ein Zellstrom IZ2 durch die Zelle 2.2, eine Spannung UF2 über dem Halbleiterschalter F2, ein Bypass-Strom IB2 durch den Halbleiterschalter F2, eine Spannung UR3 über dem Innenwiderstand R3, ein Zellstrom IZ3 durch die Zelle 2.3, eine Spannung UF3 über dem Halbleiterschalter F3, ein Bypass-Strom IB3 durch den Halbleiterschalter F3 und der Strom I. Die Zelle 2.2 weist einen höheren Innenwiderstand R2 und eine niedrigere Zellspannung U2 auf als die anderen Zellen 2.1, 2.3. Betrachtet wird nur der Entladefall, das heißt der Strom I steigt im Lauf der Simulationszeit von OA auf -100A an.In 5 is a course of currents and voltages on the in 4th circuit shown during discharge and in the event of an error in the cell 2.2 shown. A voltage is shown from top to bottom U R1 over the internal resistance R1 , a cell stream I Z1 through the cell 2.1 , a tension U F1 over the semiconductor switch F1 , a bypass stream I. through the semiconductor switch F1 , a tension U R2 over the internal resistance R2 , a cell stream I Z2 through the cell 2.2 , a tension U F2 over the semiconductor switch F2 , a bypass stream I B2 through the semiconductor switch F2 , a tension U R3 over the internal resistance R3 , a cell stream I Z3 through the cell 2.3 , a tension U F3 over the semiconductor switch F3 , a bypass stream I B3 through the semiconductor switch F3 and the stream I. . The cell 2.2 has a higher internal resistance R2 and a lower cell voltage U2 on than the other cells 2.1 , 2.3 . Only the discharge case is considered, i.e. the current I. increases from OA to -100A in the course of the simulation time.

In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,3s fließt der Strom I durch alle Zellen 2.1, 2.2, 2.3. Über die Halbleiterschalter F1, F2, F3 fließt kein Strom. Infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 wächst der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand R2 stärker an und ist der Zellspannung U2 entgegen gerichtet.The current flows in a first period of 0 to about 0.3 s I. through all cells 2.1 , 2.2 , 2.3 . About the semiconductor switch F1 , F2 , F3 no electricity flows. As a result of the increased internal resistance R2 the voltage drop increases over the internal resistance R2 stronger and is the cell voltage U2 directed against.

Nach etwa 0,3 s entspricht die Spannung über dem Innenwiderstand R2 der Summe der Zellspannung U2, beispielsweise 3V. Ab diesem Zeitpunkt werden die Einschaltbedingungen für den Halbleiterschalter F2 erfüllt: Der durch die Batterie 1 beim Entladen fließende Strom I ist kleiner/gleich 0 und die Zellspannung U2 ist kleiner/gleich 0,1V. Durch das Einschalten des Halbleiterschalters F2 bleibt der Zellstrom IZ2 durch die mittlere Zelle 2.2 auf einem (nahezu) konstanten Wert. Der Differenzanteil zum weiterhin ansteigenden Strom I durch den Verbraucher 4 wird nun vom Halbleiterschalter F2 übernommen.After about 0.3 s, the voltage across the internal resistance corresponds R2 the sum of the cell voltage U2 , for example 3V. From this point on, the switch-on conditions for the semiconductor switch F2 fulfilled: That by the battery 1 current flowing when discharging I. is less than / equal to 0 and the cell voltage U2 is less than or equal to 0.1V. By turning on the semiconductor switch F2 the cell current remains I Z2 through the middle cell 2.2 at an (almost) constant value. The difference in proportion to the current that continues to rise I. by the consumer 4th is now from the semiconductor switch F2 accepted.

Da beim Halbleiterschalter F2 ebenfalls ein Übergangswiderstand angenommen wurde, ergibt sich eine geringe Stromzunahme in R2 mit steigendem Strom I, da sich der Spannungsabfall an F2 mit zunehmendem Strom I in F2 ebenfalls leicht erhöht.As with the semiconductor switch F2 a transition resistance was also assumed, there is a small current increase in R2 with rising current I. , because the voltage drop at F2 increases with increasing current I. in F2 also slightly increased.

Im in 5 dargestellten Beispiel wurden folgende Simulationsparameter verwendet:

  • R1 = R3 = 0,01 Ohm
  • R2 = 10*R1
  • U1 = U3 =4,0V
  • U2 = 3,0V
  • Widerstandswert Rd=0,005 Ohm des Halbleiterschalters F2
  • Strom I: von OA bis -100A in 1sek
In in 5 The following simulation parameters were used in the example shown:
  • R1 = R3 = 0.01 ohms
  • R2 = 10 * R1
  • U1 = U3 = 4.0V
  • U2 = 3.0V
  • Resistance value Rd = 0.005 ohm of the semiconductor switch F2
  • Current I: from OA to -100A in 1sec

In 6 ist ein Verlauf von Leistungen an den an den Innenwiderständen R1, R2, R3 der Zellen 2.1, 2.2, 2.3 und am Halbleiterschalter F2 der in 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Von oben nach unten sind dargestellt eine Leistung PR1 am Innenwiderstand R1, eine Leistung PR2 am Innenwiderstand R2, eine Leistung PF2 am Halbleiterschalter F2, eine summierte Leistung PFF2_R2 am Halbleiterschalter F2 und am Innenwiderstand R2, eine Leistung PR3 am Innenwiderstand R3. Diese Leistungen entsprechen auch der abzuführenden Wärmeleistung für ein Kühlsystem, um ein Überhitzen oder einen Brand zu vermeiden.In 6 is a curve of the performance at the internal resistances R1 , R2 , R3 of the cells 2.1 , 2.2 , 2.3 and on the semiconductor switch F2 the in 4th circuit shown during discharge and in the event of an error in the cell 2.2 shown. A performance is shown from top to bottom P R1 on the internal resistance R1 , an achievement P R2 on the internal resistance R2 , an achievement P F2 on the semiconductor switch F2 , an aggregate performance PF F2_R2 on the semiconductor switch F2 and the internal resistance R2 , an achievement P R3 on the internal resistance R3 . These outputs also correspond to the heat output to be dissipated for a cooling system in order to avoid overheating or fire.

In einem ersten Zeitraum bis etwa 0,3 s steigen die Leistungen PR1 , PR2 , PR3 an den Widerständen R1, R2, R3 quadratisch proportional an mit dem Strom I beim Entladen. Die Leistung PR2 ist dabei wesentlich höher, weil hier ein wesentlich höherer Innenwiderstand R2 angenommen wurde.In an initial period of up to about 0.3 s, the performance increases P R1 , P R2 , P R3 on the resistors R1 , R2 , R3 quadratically proportional to the current I. when discharging. The performance P R2 is much higher because of a much higher internal resistance R2 was accepted.

In einem Zeitraum ab etwa 0,3 s steigen die Leistungen PR1 , PR3 an R1 und R3 weiterhin quadratisch proportional an. Die Leistung PR2 an R2 ist (nahezu) konstant, weil der Differenzstrom von nun an durch F2 übernommen wird.In a period of about 0.3 s, the performance increases P R1 , P R3 at R1 and R3 continue to be proportional to the square. The performance P R2 at R2 is (almost) constant because the differential current is now taken over by F2.

Die Leistung PF2 an F2 wächst nun (nahezu) proportional zum Strom I. Die in Summe umgesetzte Leistung PF2_R2 an F2 und R2 beträgt bei -100A ca. 99W. Ohne F2 entspräche die Leistung PR2 und damit die Abwärme an R2 allerdings: 100A*100A*0.1Ohm = 1000W. Die Leistung PR1 , PR3 an R1 und R3 beträgt je 100W.The performance P F2 at F2 now grows (almost) proportionally to the current I. . The total implemented performance P F2_R2 at F2 and R2 is approx. 99W at -100A. Without F2 would correspond to the performance P R2 and with it the waste heat at R2 however: 100A * 100A * 0.1Ohm = 1000W. The performance P R1 , P R3 at R1 and R3 is 100W each.

Der Halbleiterschalter F2 reduziert die Abwärmeleistung an der defekten Zelle 2.2 (bei hohem Strom I sogar stärker als an den intakten Zellen 2.1, 2.3). Die Abwärmeleistung ist zudem wesentlich geringer als bei Verwendung einer Diode.The semiconductor switch F2 reduces the waste heat output on the defective cell 2.2 (at high current I. even stronger than on the intact cells 2.1 , 2.3 ). The waste heat output is also significantly lower than when using a diode.

Je geringer der Übergangswiderstand des Halbleiterschalters F2 ist, desto konstanter ist die freiwerdende Leistung PR2 an R2 mit steigendem Strom I.The lower the contact resistance of the semiconductor switch F2 is, the more constant is the released performance P R2 at R2 with increasing current I. .

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
Batteriebattery
2.1, 2.2, 2.32.1, 2.2, 2.3
Zellecell
2.1.1, 2.2.1, 2.3.12.1.1, 2.2.1, 2.3.1
SpannungsquelleVoltage source
44th
elektrischer Verbraucherelectrical consumer
55
SpannungsmesseinheitVoltage measuring unit
66
StrommesseinheitCurrent measuring unit
77
SteuereinheitControl unit
7.17.1
erster Komparatorfirst comparator
7.27.2
zweiter Komparatorsecond comparator
7.37.3
UND-GliedAND gate
D1, D2, D3D1, D2, D3
Bypass-DiodeBypass diode
F1, F2, F3F1, F2, F3
HalbleiterschalterSemiconductor switch
II.
Stromelectricity
IB, IB1, IB2, IB3 I B , I B1 , I B2 , I B3
Bypass-StromBypass flow
ITH I TH
StromschwellwertCurrent threshold
IZ, IZ1, IZ2, IZ3 I Z , I Z1 , I Z2 , I Z3
ZellstromCell current
PD2, PF2 P D2 , P F2
Leistungpower
PF2_R2, PD2_R2 P F2_R2 , P D2_R2
summierte Leistungtotal power
PR1, PR2, PR3 P R1 , P R2 , P R3
Leistungpower
R1, R2, R3R1, R2, R3
InnenwiderstandInternal resistance
U1, U2, U3U1, U2, U3
ZellspannungCell voltage
UD1, UD2, UD3 U D1 , U D2 , U D3
Spannungtension
UF1, UF2, UF3 U F1 , U F2 , U F3
Spannungtension
UR1, UR2, UR3 U R1 , U R2 , U R3
Spannungtension
UTH U TH
SpannungsschwellwertVoltage threshold

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (7)

Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1, 2.2, 2.3) oder Module, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module eine Bypass-Diode (D1, D2, D3) parallel geschaltet ist, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Minuspol einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) oder desselben Moduls verbunden ist.Circuit arrangement for an electric battery (1), comprising a plurality of individual cells (2.1, 2.2, 2.3) or modules electrically connected in series, characterized in that each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules has a bypass diode ( D1, D2, D3) is connected in parallel such that an anode of the bypass diode (D1, D2, D3) with a negative pole of one of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or one of the modules and a cathode of the same bypass diode (D1, D2, D3) is connected to a positive pole of the same cell (2.1, 2.2, 2.3) or of the same module. Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1, 2.2, 2.3) oder Module, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module ein Halbleiterschalter (F1, F2, F3) parallel geschaltet ist, wobei jede der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit (5) zur Messung einer Zellspannung (U1, U2, U3) oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit (6) zur Messung eines Stromes (I) durch die Batterie (1) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit (7) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (5) einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) und mit der Strommesseinheit (6) verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den Halbleiterschalter (F1, F2, F3) derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) öffnet, wenn ein Strom (I) fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren Stromschwellwert (ITH) ist und wenn die jeweilige Zellspannung (U1, U2, U3) beim Fließen des Stroms (I) unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert (UTH) abfällt oder diesen erreicht.Circuit arrangement for an electric battery (1), comprising a plurality of individual cells (2.1, 2.2, 2.3) or modules electrically connected in series, characterized in that each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules has a semiconductor switch (F1, F2, F3) is connected in parallel, each of the cells (2.1, 2.2, 2.3) or each of the modules having a voltage measuring unit (5) for measuring a cell voltage (U1, U2, U3) or module voltage, with a current measuring unit (6) for Measurement of a current (I) by the battery (1) is provided, at least one control unit (7) being provided, which is connected to the voltage measurement unit (5) of one of the cells (2.1, 2.2, 2.3) and to the current measurement unit (6) and is designed such that it opens the semiconductor switch (F1, F2, F3) of the same cell (2.1, 2.2, 2.3) when a current flows (I) whose absolute value is greater than or equal to a predefinable current threshold value (I TH ) and if the respective cell sp (U1, U2, U3) falls below or reaches a predefinable voltage threshold (U TH ) when the current (I) flows. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (F1, F2, F3) jeweils als ein MOSFET ausgebildet sind.Circuit arrangement after Claim 2 , characterized in that the semiconductor switches (F1, F2, F3) are each designed as a MOSFET. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET ist, dessen Source mit einem Minuspol einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) und dessen Drain mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) verbunden ist.Circuit arrangement after Claim 3 , characterized in that the MOSFET is an n-channel MOSFET, the source of which is connected to a negative pole of one of the cells (2.1, 2.2, 2.3) and the drain of which is connected to a positive pole of the same cell (2.1, 2.2, 2.3). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen ersten Komparator (7.1) zum Vergleichen des Stroms (I) mit dem vorgebbaren Stromschwellwert (ITH) umfasst.Circuit arrangement according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the control unit (7) comprises a first comparator (7.1) for comparing the current (I) with the predefinable current threshold value (I TH ). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) einen zweiten Komparator (7.2) zum Vergleichen der Zellspannung (U1, U2, U3) mit dem vorgebbaren Spannungsschwellwert (UTH) umfasst.Circuit arrangement according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the control unit (7) comprises a second comparator (7.2) for comparing the cell voltage (U1, U2, U3) with the predefinable voltage threshold value (U TH ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) ein UND-Glied (7.3) umfasst, das Ausgänge der Komparatoren (7.1, 7.2) logisch verknüpft und mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters (F1, F2, F3) verbunden ist.Circuit arrangement after Claim 5 and 6 , characterized in that the control unit (7) comprises an AND gate (7.3) which logically links the outputs of the comparators (7.1, 7.2) and is connected to a control input of the semiconductor switch (F1, F2, F3).
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