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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer elektrischen Zellenspannung einer einzelnen Batteriezelle einer Reihenschaltung von Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie, mit einem ersten Zellenanschluss zum elektrischen Koppeln mit einem positiven elektrischen Potential der Batteriezelle, einem zweiten Zellenanschluss zum elektrischen Koppeln mit einem negativen elektrischen Potential der Batteriezelle, einem elektrischen Kondensator, der mit einem ersten Kondensatoranschluss am ersten Zellenanschluss angeschlossen ist, einem zwei Verstärkereingangsanschlüsse aufweisenden elektronischen Differenzverstärker, wobei einer der Verstärkereingangsanschlüsse mit einem zweiten Kondensatoranschluss des elektrischen Kondensators und einer der Verstärkereingangsanschlüsse mit dem zweiten Zellenanschluss elektrisch gekoppelt ist, und einem Verstärkerausgangsanschluss des elektronischen Differenzverstärkers zum elektrischen Koppeln einer Auswerteeinheit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Zellenmessgerät für eine Reihenschaltung einer vorgegebenen Anzahl von Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie, mit jeweils einer Schaltungsanordnung für eine jeweilige der Batteriezellen der Reihenschaltung, wobei jede der Schaltungsanordnungen Zellenanschlüsse zum elektrischen Koppeln mit elektrischen Potentialen der jeweiligen Batteriezelle aufweist, um eine elektrische Zellenspannung der jeweiligen der Batteriezellen zu erfassen, sowie einer an die Schaltungsanordnungen angeschlossen Auswerteschaltung zum Auswerten der mit den Schaltungsanordnungen erfassten Zellenspannungen. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erfassen einer elektrischen Zellenspannung einer einzelnen Batteriezelle einer Reihenschaltung von Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie mittels einer Schaltungsanordnung, wobei ein erster Zellenanschluss der Schaltungsanordnung mit einem positiven elektrischen Potential der Batteriezelle elektrisch gekoppelt wird, ein zweiter Zellenanschluss der Schaltungsanordnung mit einem negativen elektrischen Potential der Batteriezelle elektrisch gekoppelt wird, wobei erste Zellenanschluss an einem ersten Kondensatoranschluss eines elektrischen Kondensators der Schaltungsanordnung angeschlossen ist, wobei jeweils ein Verstärkereingangsanschluss eines zwei Verstärkereingangsanschlüsse aufweisenden elektronischen Differenzverstärkers der Schaltungsanordnung mit einem zweiten Kondensatoranschluss des elektrischen Kondensators und mit dem zweiten Zellenanschluss elektrisch gekoppelt wird, und ein Verstärkerausgangsanschluss des elektronischen Differenzverstärkers mit einer Auswerteeinheit elektrisch gekoppelt wird.
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Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen, Zellenmessgeräte sowie Verfahren sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es diesbezüglich eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises dem Grunde nach nicht bedarf. Sie dienen insbesondere dazu, Zellenspannungen von in Reihe geschalteten Batteriezellen von Fahrzeugbatterien, insbesondere zeitgleich, vorzugsweise in einem Messzyklus, zu erfassen, um diese mittels einer Auswerteeinheit auswerten zu können. Im Rahmen des Auswertens durch die Auswerteeinheit können spezifische Zelleneigenschaften bestimmt werden, beispielsweise ein Alterungszustand, ein Betriebszustand, eine Zellenimpedanz, weitere Zustandsparameter und/oder dergleichen. Beim Erfassen der Zellenspannung einer jeweiligen der Batteriezellen erweist sich deren Anordnung in der Reihenschaltung als Herausforderung. Aufgrund der in Reihe geschalteten Batteriezellen sind die elektrischen Potentiale einer jeweiligen der Batteriezellen paarweise für jede der Batteriezellen abweichend. Zwei jeweils unmittelbar miteinander elektrisch verbundene Batteriezellen weisen an der elektrischen Verbindung ein gemeinsames elektrisches Potential auf. Dies ergibt sich zwangsläufig durch die Reihenschaltung. Daher ist es für das Erfassen der jeweiligen Zellenspannung, die einer jeweiligen Potentialdifferenz zwischen einem jeweiligen positiven und einem jeweiligen negativen Potential einer jeweiligen der Batteriezellen entspricht, zu berücksichtigen, dass für die Schaltungsanordnungen, die an die elektrischen Potentiale der jeweiligen Zelle angeschlossen sind, abweichende elektrische Potentiale vorliegen.
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Die Schaltungsanordnungen sind daher so auszulegen, dass sie die unterschiedlichen elektrischen Potentiale der in Reihe geschalteten Batteriezellen beim Erfassen berücksichtigen können. Eine Schaltungsanordnung, die zum Erfassen einer Zellenspannung geeignet ist, offenbart zum Beispiel die
WO 2015/075357 A1 , die ein Verfahren zum Schätzen eines Werts einer Charakteristik einer elektrochemischen Zelle offenbart. Auch wenn sich diese Lehre bewährt hat, so zeigen sich dennoch Nachteile. Eine genaue Messung der Zellenspannung kann hiermit nicht erreicht werden. Besonders wenn für das Bestimmen von Eigenschaften von Batteriezellen eine Impedanzspektroskopie eingesetzt werden soll, erweist sich die Schaltungsanordnung der
WO 2015/075357 A1 als problematisch. Ein wichtiges Problem tritt bei dieser Schaltungsanordnung unter anderem dadurch auf, dass die Eingangsimpedanzen der Zellenanschlüsse der dort offenbarten Schaltungsanordnung stark voneinander abweichen. Dies erweist sich für die weitere Signalverarbeitung, insbesondere bei einer Impedanzspektroskopie, als problematisch. Darüber hinaus erfordert die Schaltungsanordnung der
WO 2015/075357 A1 eine Mehrzahl von eine Phasenlage des Messsignals beeinflussenden elektronischen Gliedern. Für eine Impedanzspektroskopie einer Batteriezelle erweist sich dies ebenfalls als nachteilig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung, ein Zellenmessgerät sowie eine ein entsprechendes Verfahren dahingehend zu verbessern, dass das Erfassen von Zellenspannungen, insbesondere in Bezug auf eine Impedanzspektroskopie, verbessert werden kann.
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Als Lösung werden mit der Erfindung eine Schaltungsanordnung, ein Zellenmessgerät sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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In Bezug auf eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung eine Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung zum elektrischen Koppeln der jeweiligen Verstärkereingangsanschlüsse mit dem zweiten Zellenanschluss und dem zweiten Kondensatoranschluss aufweist, wobei der zweite Zellenanschluss unmittelbar mit der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung elektrisch gekoppelt ist.
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In Bezug auf ein gattungsgemäßes Zellenmessgerät wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung ausgebildet sind.
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In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die jeweiligen Verstärkereingangsanschlüsse über eine Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung mit dem zweiten Zellenanschluss und dem zweiten Kondensatoranschluss elektrisch gekoppelt werden, wobei der zweite Zellenanschluss unmittelbar mit der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung elektrisch gekoppelt wird.
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Eine jeweilige Schaltungsanordnung dient dazu, die Zellenspannung der Batteriezelle, an die die Schaltungsanordnung angeschlossen ist, zu erfassen und ein entsprechendes elektrisches Messsignal für eine weitere Auswertung bereitzustellen. Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch eine Ankopplung der Schaltungsanordnung an die elektrischen Potentiale der Batteriezelle, deren Zellenspannung erfasst werden soll, mittels der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung die im Stand der Technik auftretenden Nachteile, die besonders bei Nutzung der Impedanzspektroskopie auftreten können, weitgehend vermieden, zumindest jedoch reduziert werden können. Mit der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung kann nämlich erreicht werden, dass die Ankopplung der Schaltungsanordnung an die elektrischen Potentiale der Batteriezelle für beide elektrische Potentiale möglichst gleichermäßig realisiert ist. Mit der Erfindung kann es ferner vermieden werden, dass für beide elektrische Potentiale der Batteriezelle eine Ankopplung über einen jeweiligen Kondensator vorgesehen werden muss. Vielmehr reicht es aus, die Schaltungsanordnung lediglich über einen einzigen elektrischen Kondensator mit den elektrischen Potentialen der Batteriezelle zu verbinden. Phasenbeeinflussenden oder amplitudenbeeinflussende elektronische Glieder können weitgehend vermieden werden. Dadurch können unter anderem die im Stand der Technik eingesetzten passiven Schaltungselemente, die beispielsweise Phasenverschiebungen und Gleichtaktprobleme (englisch: common mode) zur Folge haben, weitgehend vermieden werden. Die Schaltungsanordnung der Erfindung ermöglicht es, eine Potentialanpassung zu realisieren und zugleich unter anderem beispielsweise RC-Glieder oder dergleichen, weitgehend zu vermeiden. Dadurch kann besonders für die Nutzung der Impedanzspektroskopie eine Verbesserung erreicht werden, weil die Schaltungsanordnung neben einer guten Gleichtaktunterdrückung über einen weiten Frequenzbereich auch eine Phasen- und/oder Amplitudenbeeinflussung zu vermeiden hilft. Darüber hinaus kann sie zugleich unter Nutzung preiswerter Standard-Bauteile kostengünstig realisiert werden. Die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung kann einen Verstärkungsfaktor von etwa eins aufweisen. Vorzugsweise weist die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung jedoch einen Verstärkungsfaktor größer als eins auf. Dem Grunde nach wäre jedoch auch ein Verstärkungsfaktor kleiner als eins möglich, der jedoch für die hier vorgesehene Anwendung in der Regel nicht in Betracht kommen dürfte. Deshalb ist es mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ferner möglich, am Verstärkerausgangsanschluss ein um einen vorgebbaren Verstärkungsfaktor verstärktes Messsignal bereitzustellen, welches eine hohe Kongruenz mit der ursprünglich zwischen den elektrischen Potentialen der Batteriezelle erfassten Zellenspannung hat. Dies ist für die anschließende zuverlässige weitere Auswertung mittels der Auswerteeinheit nützlich, weil dadurch spezifische Betriebszustände beziehungsweise Zellenparameter besser und genauer bestimmt werden können. Dem Grunde nach kann der elektrische Kondensator anstelle des Anschlusses am ersten Zellenanschluss alternativ auch am zweiten Zellenanschluss angeschlossen sein. Wie der Fachmann erkennt, ändert sich das Funktionsprinzip der Erfindung dadurch nicht.
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Darüber hinaus kann durch die Erfindung ein Zellenmessgerät geschaffen werden, welches vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit einer der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen entsprechenden Anzahl an Schaltungsanordnungen die Zellenspannungen der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie erfassen kann. Dadurch können mit einem einzigen Messvorgang des Zellenmessgeräts an den in Reihe geschalteten Batteriezellen, insbesondere der vorgegebenen Anzahl von Batteriezellen, deren Zellenspannungen genau erfasst werden, damit Betriebsparameter beziehungsweise Zustandsparameter zuverlässig ermittelt werden können.
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Die Schaltungsanordnungen ermöglichen es, das Erfassen der jeweiligen Zellenspannungen der Batteriezellen im Wesentlichen unabhängig von den jeweiligen elektrischen Potentialen der unterschiedlichen Batteriezellen zueinander durchzuführen. Die Schaltungsanordnungen ermöglichen eine entsprechende Anpassung in Bezug auf Potentialabweichungen und erlauben es zugleich, eine zuverlässige Gleichtaktunterdrückung zu realisieren.
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Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn das Zellenmessgerät eine Stromquelleneinheit aufweist, die an die in Reihe geschalteten Batteriezellen angeschlossen werden kann und die die Reihenschaltung der Batteriezelle mit einem vorgegebenen beziehungsweise vorgebbaren Zellenstrom beaufschlagen kann. Vorzugsweise ist der Zellenstrom hinsichtlich einer Amplitude und einer Frequenz in einem weiten Bereich einstellbar. Der Zellenstrom kann auch einen Gleichstromanteil aufweisen. Der Gleichstromanteil kann sowohl positiv als auch negativ sein. Eine Frequenz des Zellenstroms kann zum Beispiel in einem Bereich von etwa 10 mHz bis etwa 10 kHz liegen. Vorzugsweise ist die Stromquelleneinheit ausgebildet, den Zellenstrom hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude besonders bevorzugt kontinuierlich zeitlich zu verändern, beispielsweise um eine Impedanzspektroskopie durchführen zu können. Die Stromquelleneinheit kann jedoch auch ein separates Gerät sein, welches vom Zellenmessgerät getrennt ausgebildet ist. Vorzugsweise können die Stromquelleneinheit und das Zellenmessgerät jedoch einstückig ausgebildet sein, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein oder dergleichen.
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Wird eine Impedanzspektroskopie durchgeführt, kann das Verhalten der Batteriezellen, beispielsweise in Bezug auf eine Zellenimpedanz einer jeweiligen der Batteriezellen oder dergleichen, mittels der Auswerteeinheit bestimmt werden. Die Auswerteeinheit kann ebenfalls eine separate Einheit sein, die an das Zellenmessgerät angeschlossen werden kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit mit dem Zellenmessgerät gemeinsam, das heißt einstückig, ausgebildet ist, wobei das Zellenmessgerät und die Auswerteeinheit beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse oder dergleichen angeordnet sein können. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, jeweilige den erfassten Zellenspannungen der jeweiligen Batteriezellen entsprechende Messsignale zu verarbeiten beziehungsweise auszuwerten. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit eine Hardwareschaltung und/oder eine programmgesteuerte Rechnereinheit aufweisen. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit kommunikationstechnisch auch mit der Stromquelleneinheit gekoppelt, wobei besonders bevorzugt Daten bezüglich des Zellenstroms, wie beispielsweise Amplitude, Frequenz, Gleichstromanteil und/oder dergleichen, von der Stromquelleneinheit an die Auswerteeinheit übermittelt werden können. Darüber hinaus kann alternativ oder ergänzend natürlich auch vorgesehen sein, dass der Zellenstrom, der für alle in Reihe geschalteten Batteriezellen der gleiche ist, mittels eines Stromsensors erfasst wird, der ein entsprechendes Sensorsignal für die Auswerteeinheit bereitstellt. Das Sensorsignal kann an die Auswerteeinheit übermittelt werden und beim Auswerten entsprechend berücksichtigt werden.
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Die Schaltungsanordnungen des Zellenmessgeräts sind vorzugsweise gleich ausgebildet. Eine jeweilige Schaltungsanordnung kann vorzugsweise als Hardwareschaltung mit elektronischen Bauteilen ausgebildet sein. Sie kann zumindest teilweise auch integrierte Schaltungen aufweisen. Die Schaltungsanordnung kann einen Schaltungsträger, zum Beispiel in Form einer elektrischen Leiterplatte oder dergleichen, aufweisen, auf dem die elektronischen Bauelemente der Schaltungsanordnung angeordnet sind. Der Schaltungsträger kann zugleich auch eine entsprechende elektrische Verbindung der auf ihm angeordneten Bauteile bereitstellen.
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Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung den ersten und den zweiten Zellenanschluss auf. Der Zellenanschluss kann als elektrischer Kontakt ausgebildet sein, der beispielsweise als Steckkontakt, Schraubkontakt und/oder dergleichen ausgebildet sein kann. Die Schaltungsanordnung kann ausgebildet sein, unmittelbar an Anschlusskontakte der jeweiligen Batteriezelle angeschlossen zu werden. Zu diesem Zweck können die Zellenanschlüsse entsprechend ausgebildet sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Zellenanschlüsse über entsprechende Anschlusskabel mit den entsprechenden elektrischen Potentialen der Batteriezellen elektrisch verbunden sind.
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Die Schaltungsanordnung weist darüber hinaus vorzugsweise wenigstens zwei Versorgungsanschlüsse auf, die dem Anschluss als eine elektrische Energieversorgung dienen. Die elektrische Energieversorgung kann beispielsweise für alle Schaltungsanordnungen des Zellenmessgeräts die gleiche sein, sodass die Schaltungsanordnungen bezüglich der elektrischen Energieversorgung parallelgeschaltet sein können. Dem Grunde nach kann jede Schaltungsanordnung für sich genommen eine eigene Energieversorgungseinheit aufweisen.
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Die Energieversorgungseinheit für die Schaltungsanordnungen bezieht die elektrische Energie vorzugsweise aus zumindest einem Teil der in Reihe geschalteten Batteriezellen. Dadurch können die Batteriezellen zugleich auch die Energieversorgung für die Schaltungsanordnungen beziehungsweise das Zellenmessgerät während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Messung zur Verfügung stellen. Für die Energieversorgung der Schaltungsanordnungen aus den in Reihe geschalteten Batteriezellen bereitgestellte elektrische Energie kann von der Energiequelleneinheit bei der Bereitstellung des jeweiligen Zellenstroms berücksichtigt werden. Dadurch kann die Energieversorgung für das Zellenmessgerät beispielsweise während des Messvorgangs, insbesondere während der Durchführung einer Spektroskopie, erfolgen.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung einen separaten Bezugspotentialanschluss aufweist, der beispielsweise ein Massepotential oder dergleichen sein kann. Dieser Bezugspotentialanschluss kann mit einem Batteriezellenpotential der Reihenschaltung und/oder der Auswerteeinheit elektrisch gekoppelt sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Bezugspotentialanschluss der Schaltungsanordnung über einen Potentialwandler, der beispielsweise als DC/DC-Wandler oder dergleichen ausgebildet sein kann, mit dem Bezugspotential der Auswerteeinheit beziehungsweise der Reihenschaltung gekoppelt sein kann.
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Der elektrische Kondensator ist vorzugsweise ein elektronischer Kondensator, der einen möglichst kleinen Leckstrom aufweist. Je nach Bedarf kann, um einen Leckstrom zu berücksichtigen, eine Leckstromeinheit vorgesehen sein, die beispielsweise am zweiten Kondensatoranschluss angeschlossen sein kann. Die Leckstromeinheit kann beispielsweise einen oder mehrere Widerstände aufweisen, die hinsichtlich des Widerstandswerts vorzugsweise möglichst groß gewählt sind, sodass in Zusammenwirkung mit dem Kondensator eine möglichst große Zeitkonstante erreicht werden kann, zugleich jedoch einen Widerstandswert aufweisen, der ein zuverlässiges Ableiten des Leckstroms ermöglichen kann. Dem Grunde nach kann der elektrische Kondensator durch einen Keramikkondensator, einen Folienkondensator, einen Elektrolytkondensator, eine Kombination von mehreren, insbesondere unterschiedlichen, Kondensatoren und/oder dergleichen gebildet sein
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Der Differenzverstärker kann ein auf Basis eines oder mehrerer Operationsverstärker ausgebildeten Differenzverstärker sein. Elektronische Differenzverstärker sind zum Beispiel offenbart in Operationsverstärker-Anwendung von Dieter Hirschmann, Franzis-Verlag, 1977 sowie in Lineare Schaltungen mit Operationsverstärkern von N. Fliege, Springer-Verlag, 1979. Die Realisierung und die Funktion eines elektronischen Differenzverstärkers ist dem Fachmann bekannt, weshalb von weiteren Ausführungen hierzu vorliegend abgesehen wird.
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Die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung ist vorzugsweise ebenfalls eine elektronische Schaltung, die durch diskrete Bauelemente unter Nutzung von Transistoren und Widerständen gebildet sein kann. Sie ist insbesondere ausgebildet, an den Zellenanschlüssen eine im Wesentlichen gleiche Eingangsimpedanz bereitzustellen. Beispielsweise weist die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung zwei Operationsverstärker auf, die im nicht-invertierenden Betrieb betrieben werden. Dadurch kann auf einfache Weise eine sehr hohe Impedanz an den Zellenanschlüssen erreicht werden. Dies ist insbesondere auch deshalb möglich, weil der zweite Zellenanschluss unmittelbar mit der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung elektrisch gekoppelt beziehungsweise verbunden ist. Vorzugsweise sind hier keine die elektrische Impedanz wesentlich beeinflussenden Elemente angeschlossen.
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Vorzugsweise weist die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung zwei nicht-invertierende Operationsverstärkerschaltungen auf, wobei ein nicht-invertierender Eingangsanschluss einer der Operationsverstärkerschaltungen unmittelbar mit dem zweiten Kondensatoranschluss und ein nicht-invertierender Eingangsanschluss der anderen der Operationsverstärkerschaltungen unmittelbar mit dem zweiten Zellenanschluss elektrisch verbunden ist. Insbesondere sind die Operationsverstärkerschaltungen galvanisch miteinander gekoppelt. Die Operationsverstärkerschaltungen brauchen insbesondere kein elektrische Potentiale voneinander trennendes Bauteil, wie zum Beispiel einen oder mehrere elektrische Kondensatoren, einen oder mehrere induktive Übertrager oder dergleichen, aufweisen. Vorzugsweise sind die Operationsverstärkerschaltungen zumindest kondensatorlos und/oder induktivitätslos realisiert. Auf diese Weise kann die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung mit wenig Aufwand schaltungstechnisch realisiert werden. Zugleich ist es möglich, die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung für eine Verstärkungsfunktion zu nutzen. Zu diesem Zweck können die nicht-invertierenden Operationsverstärkerschaltungen entsprechend beschaltet sein, sodass eine vorgegebene Verstärkung erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn jeweilige invertierende Eingangsanschlüsse der Operationsverstärkerschaltungen über elektrische Widerstände, die den gleichen Wert aufweisen, mit jeweilige Ausgangsanschlüssen der Operationsverstärkerschaltungen verbunden sind und die beiden invertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärkerschaltungen über einen gemeinsamen elektrischen Widerstand miteinander gekoppelt sind. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, für die beiden Operationsverstärkerschaltungen eine im Wesentlichen gleiche Verstärkung zu erreichen. Dies erweist sich für die weitere Signalverarbeitung als besonders vorteilhaft. Die Operationsverstärkerschaltungen können dem Grunde nach durch diskrete elektronische Bauteile realisiert sein. Besonders vorteilhaft können jedoch integrierte Schaltungen als Operationsverstärkerschaltungen vorgesehen sein.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung als integrierte Einheit ausgebildet ist, die zwei Impedanzwandleranschlüsse zum Anschließen eines elektrischen Widerstands aufweist, der dem gemeinsamen Einstellen einer Verstärkung der Operationsverstärkerschaltungen dient. Dadurch kann nicht nur ein einfach handhabbares Bauteil geschaffen werden, sondern, insbesondere wenn die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung durch einen Halbleiter-Chip gebildet ist, kann erreicht werden, dass die Komponenten, wie zum Beispiel Widerstände oder dergleichen, nahezu identische Eigenschaften aufgrund des gemeinsamen Herstellprozesses aufweisen. Dadurch kann die Genauigkeit und die Funktion der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung weiter verbessert werden. Insbesondere dadurch, dass durch die Impedanzwandleranschlüsse die Möglichkeit geschaffen wird, einen einzigen elektrischen Widerstand dazu zu nutzen, die Verstärkung der beiden Operationsverstärkerschaltungen nahezu identisch einstellen zu können, wird die Funktion der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung und damit auch die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Schaltungsanordnung insgesamt weiter verbessert. Die integrierte Einheit kann ergänzend auch den Elektronischen Differenzverstärker aufweisen. Dadurch können eine sehr kompakte Bauform und ein einfach handzuhabendes Bauteil erreicht werden.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Differenzverstärker als elektrisches Bezugspotential ein elektrisches Bezugspotential der Auswerteeinheit nutzt. Es braucht somit zwischen der Schaltungsanordnung und der Auswerteeinheit keine elektrische Potentialtrennung vorgesehen zu sein. Die Schaltungsanordnung selbst bewirkt eine entsprechende Potentialanpassung, sodass eine galvanische Trennung mit den ungünstigen signaltechnischen Auswirkungen vermieden werden kann. Gleichzeitig kann der Aufwand für die Schaltungsanordnung bei großer Zuverlässigkeit und Dynamik erhöht werden. Das gemeinsame Bezugspotential ist jedoch nicht zwingend für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderlich. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Bezugspotential der Schaltungsanordnung beziehungsweise des Differenzverstärkers und das Bezugspotential der Auswerteeinheit durch eine vorgegebene, fest einstellbare beziehungsweise eingestellte Spannung bestimmt ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Bemessungsspannung des elektrischen Kondensators mindestens um einen Faktor 10 größer als eine im bestimmungsgemäßen Betrieb maximale auftretende Betriebsspannung ist. Dies erlaubt es, parasitäre Eigenschaften des elektrischen Kondensators in Bezug auf die Funktion der Schaltungsanordnung möglichst gering zu halten. Insbesondere kann dies einen Leckstrom betreffen, beispielsweise wenn der elektrische Kondensator einen Elektrolytkondensator aufweist. Dem Grunde nach kann der elektrische Kondensator durch einen Keramikkondensator, einen Folienkondensator, einen Elektrolytkondensator und/oder dergleichen gebildet sein. Der elektrische Kondensator kann natürlich auch mehr als einen einzigen Kondensator als Bauteil aufweisen, beispielsweise indem diese Bauteile parallelgeschaltet und/oder in Reihe geschaltet sind. Insbesondere kann erreicht werden, dass ein Leckstrom des elektrischen Kondensators möglich klein ist und seine Auswirkungen auf den bestimmungsgemäßen Betrieb der Schaltungsanordnung weiter reduziert werden können.
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Vorzugsweise ist zwischen dem zweiten Kondensatoranschluss und dem zweiten Zellenanschluss ein elektrischer Widerstand angeschlossen. Der elektrische Widerstand kann zumindest teilweise als Leckstromeinheit dienen. Mit dem elektrischen Widerstand kann erreicht werden, dass Gleichspannungspotentialdifferenzen, die sich in unerwünschter Weise an Eingangsanschlüssen der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung einstellen können, abgeleitet werden können. Dabei sind die Auslegungskriterien vorzugsweise zu berücksichtigen, wie sie oben in Bezug auf die Leckstromeinheit bereits genannt sind. Mit dem elektrischen Widerstand kann ferner erreicht werden, dass die beiden nicht-invertierenden Anschlüsse der Operationsverstärkerschaltungen der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung im Wesentlichen das gleiche elektrische Potential, welches vorzugsweise durch das elektrische Potential am zweiten Zellenanschluss bestimmt ist, einnehmen.
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In Bezug auf das Zellenmessgerät wird ferner vorgeschlagen, dass das Zellenmessgerät eine Energieversorgungseinheit zum Versorgen der Schaltungsanordnungen mit elektrischer Energie aufweist, wobei die Energieversorgungseinheit mit mehreren Batteriezellen der Reihenschaltung verbunden ist, und zumindest eine Hochsetzstellerschaltung (englisch: Booster) oder eine Tiefsetzstellerschaltung (englisch: Buck) aufweist. Die Energieversorgungseinheit kann mit der Reihenschaltung elektrisch verbunden sein, sodass alle Batteriezellen der Reihenschaltung einen Beitrag zur Energieversorgung leisten. Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass lediglich eine ausgewählte Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen zur Energieversorgung der Schaltungsanordnungen mittels der Energieversorgungseinheit genutzt wird. Die Hochsetzstellerschaltung und/oder die Tiefsetzstellerschaltung kann als DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Durch die Hochsetzstellerschaltung und/oder die Tiefsetzstellerschaltung kann eine weitere Spannungsanpassung erreicht werden, sodass die Schaltungsanordnungen derart mit elektrischer Energie versorgt werden können, dass elektrische Potentiale der Batteriezellen größer als das durch die Energieversorgungseinheit bereitgestellte negative elektrische Potential und kleiner als das durch die Energieversorgungseinheit bereitgestellte positive elektrische Potential sind. Dies gilt insbesondere für eine Energieversorgung, die eine gemeinsame Energieversorgung aller Schaltungsanordnungen mit einer einzigen Energieversorgungseinheit vorsieht, wodurch dann die Spannungsversorgung die Energieversorgungseinheit entsprechend realisiert sein kann. Ist ein Bezugspotential der Schaltungsanordnungen beziehungsweise der jeweiligen Differenzverstärker an einem mittleren elektrischen Potential der in Reihe geschalteten Batteriezellen vorgesehen, können sowohl die Hochsetzstellerschaltung als auch die Tiefsetzstellerschaltung dieses Bezugspotential als gemeinsames Bezugspotential für das Bereitstellen der elektrischen Energie nutzen. Dadurch ist es möglich, insbesondere für den Betrieb von Operationsverstärkerschaltungen, ein negatives Energieversorgungspotential und ein positives Energieversorgungspotential in Bezug auf das Bezugspotential bereitzustellen.
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Dadurch kann der Betrieb der Schaltungsanordnungen, insbesondere der Operationsverstärkerschaltungen und auch der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung weiter verbessert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass eine vorgebbare elektrische Verbindung von zwei unmittelbar miteinander elektrisch verbundenen Batteriezellen der Reihenschaltung ein elektrisches Bezugspotential bereitstellt. Das elektrische Betriebspotential ist vorzugsweise größer als ein durch die Reihenschaltung bereitgestelltes positives elektrisches Potential und kleiner als ein durch die Reihenschaltung bereitgestelltes negatives elektrisches Potential. Die Energieversorgungseinheit kann dieses elektrische Bezugspotential für die Bereitstellung der Energieversorgung nutzen. Insbesondere können die Hochsetzstellerschaltung und/oder die Tiefsetzstellerschaltung das elektrische Bezugspotential für die Bereitstellung von Versorgungsspannungen für die Schaltungsanordnungen nutzen.
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Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten entsprechend auch für das mit den erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen ausgerüstete Zellenmessgerät und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Somit können Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
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Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuervorrichtung für das Zellenmessgerät. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Prozessorschaltung der Prozessoreinrichtung kann z.B. zumindest eine Schaltungsplatine und/oder zumindest ein SoC (System on Chip) aufweisen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Blockschaltbildansicht eines an eine Reihenschaltung von acht Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie angeschlossenen Zellenmessgeräts, welches für jede Batteriezelle eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer jeweiligen Zellenspannung aufweist; und
- 2 eine schematische Schaltbilddarstellung einer der Schaltungsanordnungen in 1.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Blockschaltbildansicht eines an eine Reihenschaltung 12 von acht Batteriezellen 14 einer Fahrzeugbatterie 20 angeschlossenen Zellenmessgeräts 62. Das Zellenmessgerät 62 weist für jede der Batteriezellen 14 eine Schaltungsanordnung 10 zum Erfassen einer jeweiligen Zellenspannung einer jeweiligen der Batteriezellen 14 auf. Auch wenn in der vorliegenden Ausgestaltung die Fahrzeugbatterie 20 mit acht Batteriezellen 14 dargestellt ist, kann in alternativen Ausgestaltungen die Fahrzeugbatterie 20 natürlich auch weniger oder mehr Batteriezellen 14 aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Fahrzeugbatterie 20 eine Reihenschaltung 12 aus mehr als acht Batteriezellen 14 aufweist, von denen zum Beispiel acht unmittelbar miteinander elektrische verbundene Batteriezellen 14 ausgewählt sein können, die mittels des Zellenmessgeräts 62 elektrisch verbunden werden. Die Fahrzeugbatterie 20 dient der elektrischen Energieversorgung eines Bordnetzes eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein, beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein
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Hybridfahrzeug oder dergleichen, an dessen Bordnetz die Fahrzeugbatterie 20 angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnungen 10 dienen dazu, die jeweiligen Zellenspannungen zu erfassen und jeweilige Messsignale bereitzustellen.
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Die Batteriezellen 14 können galvanische Zellen einer beliebigen Zellchemie sein. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Batteriezellen 14 als Lithium-Ion-Zellen ausgebildet sind. Daneben können die Batteriezellen 14 jedoch auch als Nickel-Metallhydrid-Zellen, Nickel-Cadmium-Zellen, Blei-Säure-Zellen oder dergleichen ausgebildet sein. Die Erfindung ist nicht an eine spezifischen Zellchemie und auch nicht an eine spezifische Anzahl von Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, gebunden.
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Das Zellenmessgerät 62 weist für jede der Batteriezellen 14 der Reihenschaltung 12 jeweils eine Schaltungsanordnung 10 auf. Jede der Schaltungsanordnungen 10 weist Zellenanschlüsse 22, 24 (2) zum elektrischen Koppeln mit elektrischen Potentialen 16, 18 der jeweiligen Batteriezelle 14 auf, um die elektrische Zellenspannung der jeweiligen der Batteriezellen 14 zu erfassen. Vorliegend ist vorgesehen, dass bei den an die Batteriezellen 14 mit den Nummern 0 bis 3 angeschlossenen Schaltungsanordnungen 10 jeweils der erste Zellenanschluss 22 dem negativen elektrischen Potenzial 18 der Batteriezelle 14 und der zweite Zellenanschluss 24 dem positiven elektrischen Potenzial 16 der Batteriezelle 14 verbunden ist. Bei den an die Batteriezellen 14 mit den Nummern 4 bis 7 angeschlossenen Schaltungsanordnungen 10 ist jeweils der erste Zellenanschluss 22 dem positiven elektrischen Potenzial 16 der Batteriezelle 14 und der zweite Zellenanschluss 24 dem negativen elektrischen Potenzial 18 der Batteriezelle 14 verbunden.
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An die Schaltungsanordnungen 10 ist ferner eine Auswerteschaltung 60 (2) zum Auswerten der mit den Schaltungsanordnungen 10 erfassten Zellenspannungen angeschlossen. Die Auswerteschaltung 60 verarbeitet die durch die Schaltungsanordnungen 10 bereitgestellten Messsignale. Die Auswerteschaltung 60 kann separat vom Zellenmessgerät 62 ausgebildet sein. Vorliegend ist jedoch vorgesehen, dass die Auswerteschaltung 60 vom Zellenmessgerät 62 umfasst ist und beispielsweise in einem nicht dargestellten Gehäuse zusammen mit dem Zellenmessgerät 62 angeordnet sein kann.
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Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass das Zellenmessgerät 62 eine Energieversorgungseinheit 64 zum Versorgen der Schaltungsanordnungen 10 mit elektrischer Energie aufweist. Vorliegend ist in 1 der Teil der Energieversorgungseinheit 64 dargestellt, der die an die Batteriezellen 14 mit den Nummern 4 bis 7 angeschlossenen Schaltungsanordnungen 10 mit elektrischer Energie versorgt. Die anderen an die Batteriezellen 14 mit den Nummern 0 bis 3 angeschlossenen Schaltungsanordnungen 10 werden von einem nicht dargestellten Teil der Energieversorgungseinheit 64 mit elektrischer Energie versorgt, der entsprechend dem dargestellten Teil in dualer Weise invertiert ausgebildet ist. Die Energieversorgungseinheit 64 ist mit den Batteriezellen 14 der Reihenschaltung 12 elektrisch verbunden und weist für den dargestellten Teil sowie für den nicht dargestellten Teil jeweils eine Hochsetzstellerschaltung 66 und eine Tiefsetzstellerschaltung 68 auf. Die jeweilige Hochsetzstellerschaltung 66 und die jeweilige Tiefsetzstellerschaltung 68 sind an ein gemeinsames elektrisches Bezugspotential 56 angeschlossen, welches mittig an der Reihenschaltung 12 der Batteriezellen 14 angeschlossen ist. In 1 ist der Anschluss des elektrischen Bezugspotentials 56 zwischen den in Reihe geschalteten Batteriezellen 3 und 4 vorgesehen. Der dargestellte Teil der Energieversorgungseinheit 64, der die Schaltungsanordnungen 10 der Batteriezellen 14 mit den Nummern 4 bis 7 versorgt, stellt in Bezug auf der elektrische Bezugspotential 56 eine elektrische Spannung von vorliegend etwa 27 V und eine negative Versorgungsspannung von vorliegend etwa -9 V bereit. Der nicht dargestellte Teil stellt für die anderen Schaltungsanordnungen 10 eine positive Versorgungsspannung von etwa 9 V und eine negative Versorgungsspannung von vorliegend etwa -27 V bereit.
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Die Reihenschaltung 12 weist einen positiven Anschlusspol 70 und einen negativen Anschlusspol 72 auf, zwischen denen durch die Batteriezellen 14 eine elektrische Spannung der Reihenschaltung 12 bereitgestellt wird, die sich aus der Summe der einzelnen Zellenspannungen der Batteriezellen 14 der Reihenschaltung 12 ergibt. An diese Reihenschaltung 12 sind beide Teile der Energieversorgung 64 angeschlossen. Exemplarisch wird der 1 dargestellte Teil weiter erläutert. Die folgenden Ausführungen gelten gleichermaßen auch für den nicht dargestellten Teil entsprechend.
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Die Hochsetzstellerschaltung 66 ist ferner an den positiven Anschlusspol 70 angeschlossen. Die Tiefsetzstellerschaltung 68 ist an den negativen Anschlusspol 72 angeschlossen. An einem Versorgungsanschluss 74 stellt die Hochsetzstellerschaltung 66 eine elektrische Spannung gegenüber dem elektrischen Bezugspotential 56 von vorliegend etwa 28 V bereit. An einem Versorgungsanschluss 76 stellt die Tiefsetzstellerschaltung 68 in der vorliegenden Ausgestaltung eine elektrische Spannung gegenüber dem elektrischen Bezugspotential 56 von vorliegend etwa -10 V bereit. An den Versorgungsanschluss 74 ist ein Linearregler 78 angeschlossen. An einem Versorgungsanschluss 82 stellt der Spannungsregler 78 eine Versorgungsspannung von 27 V bereit. Am Versorgungsanschluss 76 ist ein weiterer Spannungsregler 80 angeschlossen, der an einem Versorgungsanschluss 84 eine elektrische Spannung gegenüber dem elektrischen Bezugspotential 56 von etwa -9 V bereitstellt. An den Versorgungsanschlüssen 82 und 84 sind die Schaltungsanordnungen 10 angeschlossen, sodass sie hierüber mit elektrischer Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb versorgt werden können.
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In 1 nicht dargestellt ist eine Stromquellenschaltung, die an die Reihenschaltung 12 angeschlossen ist und die die Batteriezellen 14 mit einem vorgebbaren elektrischen Zellenstrom beaufschlagen kann. Die Stromquellenschaltung beziehungsweise Stromquelleneinheit kann vom Zellenmessgerät 62 umfasst sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Stromquellenschaltung als separate Schaltung ausgebildet ist und eine eigene Steuerung aufweist. Die Stromquellenschaltung ist unter anderem ausgebildet, die Reihenschaltung 12 der Batteriezellen 14 mit einem Wechselstrom zu beaufschlagen, dem ein Gleichstrom überlagert sein kann. Je nach Bedarf kann die Polarität des Gleichstroms gewechselt werden. Die Stromquellenschaltung ist ferner ausgebildet, die Frequenz des Wechselstroms bedarfsgerecht einstellen beziehungsweise ändern zu können. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Einstellen der Frequenz in geeigneter Weise zum Durchführen einer Impedanzspektroskopie realisiert ist. Zu diesem Zweck ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass die Stromquellenschaltung die Frequenz in einem Bereich von etwa 10 mHz bis etwa 10 kHz kontinuierlich ändert. Die Stromquellenschaltung ist vorliegend ferner ausgebildet, den Zellenstrom mit einer vorgegebenen Amplitude bereitstellen zu können. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Amplitude etwa 5 A beträgt.
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Die Stromquellenschaltung ist ferner in Kommunikationsverbindung mit der Energieversorgungseinheit 64, sodass die für die Schaltungsanordnungen 10 und gegebenenfalls weitere elektronische Einrichtungen des Zellenmessgeräts 62 den Batteriezellen 14 entnommenen Energie bei der Bereitstellung des Zellenstroms berücksichtigt werden kann. Die Stromquellenschaltung ist ferner in Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinheit 60, sodass die von den Schaltungsanordnungen 10 bereitgestellten Signale unter Berücksichtigung des jeweils aktuellen Zellenstroms ausgewertet werden können.
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Die Impedanzspektroskopie für Batteriezellen ist dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass von weiteren detaillierten Erläuterungen vorliegend abgesehen wird.
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Das elektrische Bezugspotenzial 56 wird durch eine vorgegebene elektrische Verbindung von zwei unmittelbar miteinander elektrisch verbundenen Batteriezellen 14 der Reihenschaltung 12 bereitgestellt.
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2 zeigt nun in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine der Schaltungsanordnungen 10 gemäß 1. Die Schaltungsanordnung 10 dient zum Erfassen der elektrischen Zellenspannung der Batteriezelle 14 der Reihenschaltung 12, an die die Schaltungsanordnung 10 angeschlossen ist, und zum Bereitstellen eines entsprechenden Messsignals für die Auswerteschaltung 60. Die Schaltungsanordnung 10 weist einen ersten Zellenanschluss 22 zum elektrischen Koppeln mit dem positiven elektrischen Potenzial 16 der jeweiligen Batteriezelle 14 auf. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 10 einen zweiten Zellenanschluss 24 zum elektrischen Koppeln mit dem negativen elektrischen Potenzial 18 der Batteriezelle 14 auf.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist ferner einen elektrischen Kondensator 26 auf, der mit einem ersten Kondensatoranschluss 28 am ersten Zellenanschluss 22 angeschlossen ist.
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Ferner weist die Schaltungsanordnung 10 einen elektronischen Differenzverstärker 30 auf, der zwei Verstärkereingangsanschlüsse 32, 34 sowie einen Verstärkerausgangsanschluss 36 aufweist. Einer der Verstärkereingangsanschlüsse 32, 34 ist mit einem zweiten Kondensatoranschluss 38 des elektrischen Kondensators und einer der Verstärkereingangsanschlüsse 32, 34 ist mit dem zweiten Zellenanschluss 24 elektrisch gekoppelt. Der Verstärkerausgangsanschluss 36 ist mit der Auswerteeinheit 60 elektrisch gekoppelt.
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Der elektronische Differenzverstärker 30 weist einen Operationsverstärker U3 auf, dessen Verstärkung mittels der Widerstände R1 bis R4 eingestellt ist. Ein Verstärkerausgang des Operationsverstärkers U3 ist mit einem Verstärkerausgangsanschluss 36 elektrisch verbunden.
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Am Verstärkerausgangsanschluss 36 ist ein elektrischer Kondensator C2 mit einem ersten Anschluss angeschlossen, wobei der Kondensator C2 mit seinem zweiten Anschluss an der Auswerteeinheit 60 angeschlossen ist. Der zweite Anschluss ist ferner über einen Widerstand R9 an das elektrische Bezugspotenzial 56 angeschlossen.
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Die Funktion des Differenzverstärkers 30 ist dem Fachmann ebenfalls bekannt, weshalb von detaillierten Erläuterungen vorliegend ebenfalls abgesehen wird. Mittels der elektrischen Widerstände R1 bis R4 wird die Verstärkung eingestellt. Der Widerstand R3 ist mit einem weiteren elektrischen Bezugspotenzial 54 verbunden, welches elektrisch mit dem elektrischen Bezugspotenzial 56 verbunden sein kann. Je nach Ausgestaltung kann aber auch vorgesehen sein, dass zwischen dem elektrischen Bezugspotenzial 54 und dem elektrischen Potenzial 56 eine vorgegebene, festeingestellte elektrische Spannung anliegt.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist ferner eine Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung 40 zum elektrischen Koppeln der jeweiligen Verstärkereingangsanschlüsse 32, 34 mit dem zweiten Zellenanschluss 24 und dem zweiten Kondensatoranschluss 38 auf. Der zweite Zellenanschluss 24 ist unmittelbar mit der Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung 40 elektrisch gekoppelt. Durch die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung 40 kann erreicht werden, dass an den Zellenanschlüssen 22, 24 signaltechnisch eine hohe elektrische Impedanz bereitgestellt wird.
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Dies erreicht die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung 40 dadurch, dass vorliegend zwei nicht-invertierende Operationsverstärkerschaltungen 42, 44 vorgesehen sind, die jeweilige Operationsverstärker U1 und U2 aufweisen. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss 46 der Operationsverstärkerschaltung 42 ist unmittelbar mit dem zweiten Kondensatoranschluss 38 elektrisch verbunden. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss 48 der anderen Operationsverstärkerschaltung 44 ist unmittelbar mit dem zweiten Zellenanschluss 24 elektrisch verbunden. Durch diese Schaltungsstruktur wird erreicht, dass die Operationsverstärker U1 und U2 ihren jeweiligen nicht-invertierenden Eingangsanschlüssen 46, 48 mit den Zellenanschlüssen 22, 24 elektrisch gekoppelt sind. Dadurch kann unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften von Operationsverstärkern die den Operationsverstärkern U1 und U2 eine hohe Impedanz an den Zellenanschlüssen 22, 24 bereitgestellt werden.
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In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Impedanzwandler- und Verstärkerschaltung 40 als integrierte Einheit ausgebildet ist, die zwei Impedanzwandleranschlüsse 50 zum Anschließen eines elektrischen Widerstands 52 aufweist. Der elektrische Widerstand 52 dient dem gemeinsamen Einstellen der Verstärkungen der Operationsverstärkerschaltungen 42, 44. In der vorliegenden Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass invertierende Verstärkereingangsanschlüsse der Operationsverstärker U1 und U2 über jeweilige elektrische Widerstände R5, R6 mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen der Operationsverstärker U1, U2 elektrisch verbunden sind. In Zusammenwirkung mit dem elektrischen Widerstand 52 kann, insbesondere wenn die elektrischen Widerstände R5 und R6 den gleichen Widerstandswert in etwa aufweisen, eine im Wesentlichen gleiche Verstärkung für die Operationsverstärkerschaltungen 42, 44 erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für die weitere Signalverarbeitung.
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Durch die Schaltungsstruktur der Schaltungsanordnung 10 kann eine hohe Gleichtaktunterdrückung erreicht werden. Die Schaltungsanordnungen 10 brauchen unter anderem daher keine galvanische Trennung beim Erfassen der Zellenspannungen bereitzustellen. Vielmehr kann durch die Schaltungsstruktur der Schaltungsanordnungen 10 erreicht werden, dass eine entsprechende Anpassung bei guter Gleichtaktunterdrückung erreicht werden kann. Zugleich ermöglicht es die Schaltungsstruktur der Schaltungsanordnung 10, dass ein weiter Frequenzbereich zuverlässig abgedeckt werden kann, sodass frequenzabhängige Auswirkungen auf die Verstärkung und auf eine Phasenlage in Bezug auf das jeweilige Messsignal weitgehend geringgehalten werden können. Dadurch ermöglicht es die Erfindung auch, dass, insbesondere bei einer Impedanzspektroskopie, ein sehr weiter Frequenzbereich zum Auswerten erreicht werden kann, ohne dass die Schaltungsanordnungen 10 systematische Fehler in signifikanter Weise zur Folge haben.
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Zwischen dem zweiten Kondensatoranschluss 38 und dem zweiten Zellenanschluss 24 ist ein elektrischer Widerstand 58 angeschlossen. Der elektrische Widerstand 58 dient unter anderem dazu, einen etwaigen Leckstrom des Kondensators 26 zumindest teilweise abzuleiten. Dem Grunde nach kann mittels des Widerstands 58 das gleiche auch für einen Eingangsstrom des Operationsverstärkers U1 erreicht werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass das elektrische Potential am Eingang des Operationsverstärkers U1 im Wesentlichen dem elektrischen am Eingang des Operationsverstärkers U2 entspricht, wodurch vermieden werden kann, dass eine ungewollte Differenzspannung verstärkt wird.
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Darüberhinaus ist vorliegend vorgesehen, dass zur Reduzierung eines Leckstroms eine Bemessungsspannung des elektrischen Kondensators 26 vorliegend etwa um einen Faktor 15 größer als eine im bestimmungsgemäßen Betrieb maximal auftretende Betriebsspannung ist. Durch die hohe Bemessungsspannung kann der Leckstrom sehr klein ausfallen. Besonders bei groß gewählten Kapazitätswerten für den elektrischen Kondensator 26 kann vorgesehen sein, dass der elektrische Kondensator 26 durch einen Elektrolytkondensator gebildet ist. Bekanntermaßen weisen Elektrolytkondensatoren gegenüber anderen Kondensatortechnologien, beispielsweise Folienkondensatoren, Keramikkondensatoren oder dergleichen, einen vergleichsweise hohen Leckstrom auf. Um die Auswirkungen des Leckstroms möglichst geringhalten zu können, kann eine entsprechende Bemessungsspannung vorgesehen sein. Dadurch kann die Funktion der Schaltungsanordnung 10 insgesamt weiter verbessert werden.
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Bei der Bestimmung des Widerstandswerts des elektrischen Widerstands 58 ist einerseits zu bedenken, dass der Leckstrom des elektrischen Kondensators 26 zuverlässig abgeleitet werden kann und andererseits eine Beeinflussung der zu messenden elektrischen Zellenspannung aufgrund einer durch den elektrischen Kondensator 26 und dem elektrischen Widerstand 58 gebildeten Zeitkonstante möglichst groß sein sollte. Die Zeitkonstante sollte vorzugsweise derart gewählt werden, dass sie größer ist als die Periodendauer der kleinsten Frequenz bei der Durchführung der Impedanzspektroskopie.
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Die Erfindung ist nicht auf den Anwendung bei Fahrzeugbatterien beschränkt und kann bei beliebigen Batterien zum Einsatz kommen, bei denen Batteriezellen in Reihe geschaltet sind.
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Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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