WO2013113438A1 - Ladungsausgleich fuer zellen einer batterie - Google Patents

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WO2013113438A1
WO2013113438A1 PCT/EP2012/075066 EP2012075066W WO2013113438A1 WO 2013113438 A1 WO2013113438 A1 WO 2013113438A1 EP 2012075066 W EP2012075066 W EP 2012075066W WO 2013113438 A1 WO2013113438 A1 WO 2013113438A1
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transistor
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pulse width
modulated signal
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PCT/EP2012/075066
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Stefan Butzmann
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method and a corresponding device for charge compensation of the battery cells of a battery.
  • the invention relates to a method and a device for charge equalization of at least one battery module comprising at least one battery cell of a battery.
  • the invention also relates to a battery with the device according to the invention.
  • the invention relates to a vehicle having a device according to the invention
  • a plurality of series-connected battery modules each comprising at least one battery cell, wherein the battery modules for
  • the battery module 40 shown in FIG. 1 comprises a single battery cell 50.
  • a transistor 20 is actuated for the purpose of balancing, which then has a resistance
  • the balancing circuit 10 comprises a control device 70 which is designed to detect the battery cell voltage and to turn on the transistor 20 based on the detected battery cell voltage in order to partially discharge the battery cell 50 via the resistor 30 for the purpose of charge equalization.
  • the transistor 20 at its base terminal (not
  • Control device 70 connected.
  • the controller 70 includes an analog-to-digital converter (not shown) configured to convert the input voltage applied to the controller 70 into digital data
  • the balancing circuit 10 further comprises a capacitor 60 connected between a second and a third terminal (not marked) of FIG.
  • the balancing circuit 10 also comprises two further resistors 31, 32.
  • the further resistor 31 is connected between the terminal (not marked) of the resistor 30, at which the resistor 30 is connected to one pole of the battery cell 50, and a terminal (not marked). of the capacitor 60 connected.
  • the other additional resistor 32 is connected between the emitter terminal of the transistor 20 and the other terminal (not labeled) of the capacitor 60.
  • the signal S is for turning on the transistor
  • the temperature T of the balancing resistor 30 after switching on the transistor 20 is shown as a function of the time t.
  • the document DE 10 2009 028 977 A1 discloses a battery system which comprises at least two DC / DC converters and at least two battery modules, wherein a battery module is connected to a respective first input of a DC / DC converter and wherein the at least two battery modules via an electrical connection for the purpose of charge equalization between the
  • a battery module includes a single battery cell or a circuit of multiple battery cells.
  • the DC / DC converters make it possible to input a large number of
  • Battery modules that is, in the balanced state of charge, however, flow no compensation currents.
  • the electrical connection can therefore remain in the case of the balanced state.
  • the electrical connection between the battery modules may comprise an additional resistance element or be formed by means of a simple wire. Again, a power loss is generated during the discharge of the battery cell 50. Again, for the life of the electrical connection in particular the amount of power loss, which is generated for example by a contact resistance or the additional resistance element, is important.
  • a method for charge equalization of battery cells of a battery by switching a discharge current or by switching discharge currents is described.
  • a discharge current flows or
  • the discharge current is switched by means of a transistor associated with the battery module, wherein the transistor is switched on and off according to a pulse width modulated signal.
  • a method for charge equalization of at least one battery module comprising at least one battery cell, wherein for discharging the battery module, a transistor associated with the battery module, which switches a battery module associated resistor in parallel to the battery module is switched on in the on state.
  • the transistor is switched on and off by means of a pulse width modulated signal of the battery module.
  • the method according to the invention can also be advantageously used during a discharging process of the battery or during a charging process of the battery.
  • a device for the charge balance of at least one battery module comprising at least one battery cell.
  • the device according to the invention comprises a
  • Control device which is adapted to detect the battery module voltage and for discharging the battery module or for charge compensation, a transistor associated with the battery module, which in the on state, a battery module associated resistance with the
  • Control device further aligned during the
  • a battery which comprises at least one battery module comprising at least one battery cell
  • Battery module associated transistor, a battery module associated resistance and the inventive device for charge compensation of the battery module comprises.
  • the transistor is switched on and off by means of the pulse-width-modulated signal, which has an increasing pulse duration.
  • the gradient of the temperature rise of that resistor is reduced, which is connected in parallel to the battery module for partially discharging or for equalizing the charge of a battery module of a battery by means of a transistor (balancing transistor).
  • the balancing transistors are switched on or controlled in a pulse-width-modulated manner, wherein in an advantageous embodiment of the invention the pulse duration or the duty cycle (duty cycle) of the
  • Pulse width modulation is selected increasing. The rise of
  • the controlled by the pulse width modulation switching on and off of the balancing transistor leads to a reduction of the temperature gradient of Balancingwiderstandes and correspondingly to smaller temperature strokes.
  • the transistor is switched on and off by means of the pulse-width-modulated signal, which has a frequency exceeding at least one predetermined threshold.
  • Balancingtransistors can be made in particular software controlled.
  • Another aspect of the invention relates to a device for charge equalization of at least one battery module, in which the control device a
  • Pulse width modulation unit which is adapted to the inventive pulse width modulated signal for switching on and off of the transistor to generate and the transistor by means of the generated
  • Control device of the device according to the invention designed as an integrated circuit in which in particular the pulse width modulation unit is implemented.
  • Balancing-ASIC circuit of the battery module of the battery is implemented.
  • the pulse width modulation unit may also be implemented in the integrated circuit (IC) for detecting the battery module voltage.
  • Temperature gradient of the Balancingwiderstandes of the integrated circuit in which the pulse width modulation unit is integrated, can be controlled autonomously.
  • the pulse width modulation unit implemented in this way can also be used to determine the magnitude of the
  • the device according to the invention can be used in its entirety in the
  • a vehicle in particular an electric or hybrid vehicle, comprising a battery with at least one battery module comprising at least one battery cell, a transistor associated with the battery module, a resistor associated with the battery module and a device for compensating the charge
  • Battery module or a battery according to the invention comprises.
  • the battery comprising the at least one battery module can, according to a preferred embodiment, be a lithium-ion battery.
  • FIG. 1 shows a battery module with a battery cell and a device for charge compensation of the battery module according to the prior art
  • Figure 2 is a known from the prior art and shown in dependence on the time course of a signal for switching on of the
  • FIG. 1 comprising a balancing transistor
  • FIG. 3 shows a curve of the temperature of a balancing resistor encompassed by the device from FIG. 1, which is known from the prior art and is shown as a function of time, which is parallel to the battery module from FIG. 1 through the balancing transistor switched on by means of the signal from FIG is switched
  • FIG. 4 shows a battery module with a battery cell and a device for charge compensation of the battery module according to a first embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a function of time shown course of a
  • FIG. 6 shows a course of the temperature, as a function of time, of a balancing resistance encompassed by the device according to the first embodiment of the invention, which is determined by means of the
  • signal 5 switched balancing transistor is connected in parallel to the battery module of Figure 4.
  • FIG 4 is a device 10 for charge compensation of a
  • Battery module 40 shown according to a first embodiment of the invention.
  • the battery module 40 comprises a single one as shown
  • Battery cell 50 may also include two or more battery cells. By means of the vertically marked points it is pointed out that further battery modules can be present in the same battery (not marked).
  • a transistor (balancing transistor) 20 assigned to the battery cell 50 which in the switched-on state switches a resistance (balancing resistor) 30 assigned to the battery cell 50 in parallel to the battery cell 50, by means of a pulse width modulated signal at least during a discharge process of the battery cell 50 - and off.
  • the device 10 comprises a control device 70, which the
  • the control device 70 generates the pulse width modulated signal, by means of which the balancing transistor 20 at least during a
  • Discharge process of the battery cell 50 is turned on and off.
  • the balancing transistor 20 via its emitter or collector terminal
  • the control device 70 comprises an integrated circuit 71, which is in particular designed to detect the battery cell voltage.
  • the integrated circuit 71 is preferably a pulse width modulation unit 72nd
  • Balancing transistor 20 by means of the generated pulse-width modulated signal on and off.
  • a capacitor 60 is connected between a second and a third terminal (not marked) of the control device 70. Furthermore, the
  • Capacitor 60 with one of its terminals also with the at a pole (not marked) of the battery cell 50 coupled terminal (not
  • FIG. 5 shows the profile of the signal S according to the invention for switching on a balancing transistor 20 comprised by the device according to the first embodiment of the invention as a function of time t.
  • the signal S is pulse width modulated and in particular has an increasing pulse duration or an increasing duty cycle (duty cycle) ID.
  • ID the number of pulse durations identified by ID.
  • FIG. 6 shows a profile of the temperature T of a balancing resistor 30 comprised by the device 10 according to the first embodiment of the invention as a function of the time t.
  • the balancing resistor 30 is connected in parallel to the battery cell 50 from FIG. 4 by the balancing transistor 20 which is switched on by means of the pulse-width-modulated signal S from FIG.
  • H is an example of a temperature H.
  • the increase in the temperature T of the balancing resistor 30 is proportional to the pulse duration ID of the pulse width modulated signal S.
  • the height of the temperature H of the balancing 30 can be significantly reduced by the frequency of the pulse width modulated signal S is set as high as possible.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batteriezellen (50) einer Batterie durch Schalten von Entladeströmen beschrieben. Ein Entladestrom fließt jeweils über einen mit einem Batteriemodul (40), das mindestens eine Batteriezelle (50) aufweist, parallel geschalteten Widerstand (30) und wird mittels eines dem Batteriemodul (40) zugeordneten Transistors(20) geschaltet. Dabei wird der Transistor (20) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals ein-und ausgeschaltet. Ferner werden eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens, eine Batterie mit der Vorrichtung (10), sowie ein Fahrzeug, das die Vorrichtung (10) oder die Batterie aufweist, offenbart.

Description

Beschreibung
Titel
LADUNGSAUSGLEICH FUER ZELLEN EINER BATTERIE Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Ladungsausgleich der Batteriezellen einer Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls einer Batterie. Auch betrifft die Erfindung eine Batterie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden
Batterie.
Stand der Technik Lithium-Ionen-Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge umfassen
typischerweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen, die jeweils mindestens eine Batteriezelle umfassen, wobei die Batteriemodule zum
Zwecke des Ladungsausgleichs (Balancing) jeweils mit einer
Ladungsausgleichsschaltung (Balancingschaltung) versehen sind.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 10 zum
Ladungsausgleich eines Batteriemoduls 40 ist in der Figur 1 dargestellt. Das in der Figur 1 dargestellte Batteriemodul 40 umfasst eine einzelne Batteriezelle 50.
Mittels der vertikal eingezeichneten Punkte wird darauf hingewiesen, dass in derselben Batterie weitere Batteriemodule vorhanden sein können.
Bei der in der Figur 1 dargestellten Balancingschaltung 10 wird zum Zwecke des Balancings ein Transistor 20 angesteuert, der dann einen Widerstand
(Balancingwiderstand) 30 parallel zu der zu entlandenden Batteriezelle 50
schaltet. Bei der in der Figur 1 dargestellten Balancingschaltung 10 ist der
Widerstand 30 zwischen einem Pol (nicht gekennzeichnet) der Batteriezelle 50 und dem Kollektoranschluss (nicht gekennzeichnet) des Transistors 20 geschaltet, der wiederum an seinem Emitteranschluss (nicht gekennzeichnet) mit dem anderen Pol (nicht gekennzeichnet) der Batteriezelle 50 verbunden ist. Die Balancingschaltung 10 umfasst eine Steuereinrichtung 70, die dazu ausgebildet ist, die Batteriezellenspannung zu erfassen und anhand der erfassten Batteriezellenspannung den Transistor 20 einzuschalten, um die Batteriezelle 50 über den Widerstand 30 zwecks Ladungsausgleichs teilweise zu entladen. Dazu ist der Transistor 20 an seinem Basisanschluss (nicht
gekennzeichnet) mit einem ersten Anschluss (nicht gekennzeichnet) der
Steuereinrichtung 70 verbunden. Die Steuereinrichtung 70 umfasst einen Analog-Digital-Wandler (nicht dargestellt), der dazu ausgerichtet ist, die an der Steuereinrichtung 70 anliegende Eingangsspannung in digitale Daten
umzusetzen, die mittels der Steuereinrichtung 70 zur Erfassung der
Batteriezellspannung ausgewertet werden.
Die Balancingschaltung 10 umfasst ferner einen Kondensator 60, der zwischen einem zweiten und einem dritten Anschluss (nicht gekennzeichnet) der
Steuereinrichtung 70 geschaltet ist. Die Balancingschaltung 10 umfasst auch zwei weitere Widerstände 31 , 32. Dabei ist der weitere Widerstand 31 zwischen dem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des Widerstandes 30, an dem der Widerstand 30 mit einem Pol der Batteriezelle 50 verbunden ist, und einem Anschluss (nicht gekennzeichnet) des Kondensators 60 geschaltet. Ferner ist der andere weitere Widerstand 32 zwischen dem Emitteranschluss des Transistors 20 und dem anderen Anschluss (nicht gekennzeichnet) des Kondensators 60 geschaltet.
Nachdem der Transistor 20 eingeschaltet wurde, wird während einer Entladung der Batteriezelle 50 eine Verlustleistung im Balancingwiderstand 30 erzeugt, die diesen erwärmt. In der Figur 2 ist das Signal S zum Einschalten des Transistors
20 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. In der Figur 3 ist die Temperatur T des Balancingwiderstandes 30 nach dem Einschalten des Transistors 20 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Für die Lebensdauer des Widerstandes 30 sind neben der Höhe der Verlustleistung und damit des Temperaturhubes H auch die Anzahl der Balancingvorgänge und der Gradient des
Temperaturanstiegs von Bedeutung. Aus dem Dokument DE 10 2009 028 977 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, das mindestens zwei DC/DC-Wandler und mindestens zwei Batteriemodule umfasst, wobei an jeweils einem ersten Eingang eines DC/DC-Wandlers ein Batteriemodul angeschlossen ist und wobei die mindestens zwei Batteriemodule über eine elektrische Verbindung zwecks Ladungsausgleichs zwischen den
Batteriemodulen miteinander verbunden sind. Ein Batteriemodul umfasst eine einzelne Batteriezelle oder eine Schaltung von mehreren Batteriezellen.
Die DC/DC-Wandler ermöglichen es, eingangsseitig eine Vielzahl von
Batteriemodulen parallel und/oder in Reihe zu schalten.
Bei einer Spannungsdifferenz zwischen den Batteriemodulen fließen durch die elektrische Verbindung Ausgleichsströme, die die Spannung zwischen den Batteriemodulen aneinander angleichen. Bei gleicher Spannung aller
Batteriemodule, das heißt, im ausgeglichenen Ladungszustand, fließen hingegen keine Ausgleichsströme. Die elektrische Verbindung kann daher im Falle des ausgeglichenen Zustandes bestehen bleiben. Die elektrische Verbindung zwischen den Batteriemodulen kann ein zusätzliches Widerstandselement umfassen oder mittels eines einfachen Drahtes ausgebildet sein. Auch hier wird während der Entladung der Batteriezelle 50 eine Verlustleistung erzeugt. Auch hier ist für die Lebensdauer der elektrischen Verbindung insbesondere die Höhe der Verlustleistung, die beispielsweise durch einen Kontaktwiderstand oder das zusätzliche Widerstandselement erzeugt wird, von Bedeutung.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich von Batteriezellen einer Batterie durch Schalten eines Entladestroms bzw. durch Schalten von Entladeströmen beschrieben. Dabei fließt ein Entladestrom bzw.
Ladungsausgleichsstrom jeweils über einen mit einem Batteriemodul, das mindestens eine Batteriezelle aufweist, parallel geschalteten Widerstand. Der Entladestrom wird mittels eines dem Batteriemodul zugeordneten Transistors geschaltet, wobei der Transistor gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal ein- und ausgeschaltet wird. Anschaulich gesagt, es wird ein Verfahren zum Ladungsausgleich mindestens eines, zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls bereitgestellt, bei dem zum Entladen des Batteriemoduls ein dem Batteriemodul zugeordneter Transistor, der im eingeschalteten Zustand einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand parallel zu dem Batteriemodul schaltet, eingeschaltet wird. Erfindungsgemäß wird der Transistor mittels eines pulsweitenmodulierten Signals des Batteriemoduls ein- und ausgeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch während eines Entladevorganges der Batterie oder während eines Ladevorganges der Batterie vorteilhaft angewandt werden.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemoduls bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine
Steuereinrichtung, die dazu ausgerichtet ist, die Batteriemodulspannung zu erfassen und zum Entladen des Batteriemoduls bzw. zum Ladungsausgleich einen dem Batteriemodul zugeordneten Transistor, der im eingeschalteten Zustand einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand mit dem
Batteriemodul parallel schaltet, einzuschalten. Erfindungsgemäß ist die
Steuereinrichtung weiter dazu ausgerichtet, während des
Ladungsausgleichsvorganges des Batteriemoduls ein pulsweitenmoduliertes Signal zu erzeugen und den Transistor mittels des erzeugten
pulsweitenmodulierten Signals ein- und auszuschalten.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Batterie bereitgestellt, die mindestens ein, zumindest eine Batteriezelle umfassendes Batteriemodul, einen dem
Batteriemodul zugeordneten Transistor, einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls umfasst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Transistor mittels des pulsweitenmodulierten Signals, das eine ansteigende Impulsdauer aufweist, ein- und ausgeschaltet.
Vorteilhaft kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst erreicht werden, dass der Gradient des Temperaturanstiegs desjenigen Widerstandes (Balancingwiderstand) verringert wird, der zum teilweisen Entladen bzw. zum Ladungsausgleich eines Batteriemoduls einer Batterie mittels eines Transistors (Balancingtransistor) zu dem Batteriemodul parallel geschaltet wird. Dazu werden, wie vorhin erläutert, die Balancingtransistoren pulsweitenmoduliert eingeschaltet bzw. angesteuert, wobei in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Impulsdauer bzw. der Tastgrad (Duty Cycle) der
Pulsweitenmodulation (PWM) ansteigend gewählt wird. Der Anstieg der
Temperatur des Balancingwiderstandes ist dabei proportional zu dem Anstieg der Impulsdauer der Pulsmodulation.
Das mittels der Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors führt zu einer Reduzierung des Temperaturgradienten des Balancingwiderstandes und entsprechend auch zu kleineren Temperaturhüben.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Transistor mittels des pulsweitenmodulierten Signals, das eine mindestens einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitende Frequenz aufweist, ein- und ausgeschaltet.
Dadurch, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation möglichst hoch gewählt wird, kann die Höhe der Temperaturhübe des Balancingwiderstandes weiterhin erheblich reduziert werden. Das gemäß einer Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des
Balancingtransistors kann insbesondere softwaregesteuert vorgenommen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ladungsausgleich mindestens eines Batteriemoduls, bei der die Steuereinrichtung eine
Pulsweitenmodulationseinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße pulsweitenmodulierte Signal zum Ein- und Ausschalten des Transistors zu erzeugen und den Transistor mittels des erzeugten
pulsweitenmodulierten Signals ein- und auszuschalten.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als integrierte Schaltung ausgebildet, in der insbesondere die Pulsweitenmodulationseinheit implementiert ist.
Somit kann vorteilhaft das mittels der Pulsweitenmodulation gesteuerte Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors mittels einer Pulsweitenmodulationseinheit erfolgen, die vorzugsweise in einer anwendungsspezifischen integrierten
Schaltung zum Ladungsausgleich (Balancing-ASIC) des Batteriemoduls der Batterie implementiert ist. Insbesondere kann die Pulsweitenmodulationseinheit auch in der integrierten Schaltung (IC) zur Erfassung der Batteriemodulspannung implementiert sein. Somit wird erfindungsgemäß ermöglicht, dass der
Temperaturgradient des Balancingwiderstandes von der integrierten Schaltung, in welcher die Pulsweitenmodulationseinheit integriert ist, autonom gesteuert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die so implementierte Pulsweitenmodulationseinheit auch dazu genutzt werden, die Höhe der
Temperaturhübe des Balancingwiderstandes einzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in ihrer Gesamtheit in der
erfindungsgemäßen Batterie integriert sein.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bereitgestellt, das eine Batterie mit mindestens einem, zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodul, einen dem Batteriemodul zugeordneten Transistor, einen dem Batteriemodul zugeordneten Widerstand und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ladungsausgleich des
Batteriemoduls oder einer erfindungsgemäßen Batterie umfasst. Die das mindestens eine Batteriemodul umfassende Batterie kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Batteriemodul mit einer Batteriezelle und einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein aus dem Stand der Technik bekannter und in Abhängigkeit von der Zeit dargestellter Verlauf eines Signals zum Einschalten eines von der
Vorrichtung aus der Figur 1 umfassten Balancingtransistors,
Figur 3 ein aus dem Stand der Technik bekannter und in Abhängigkeit von der Zeit dargestellter Verlauf der Temperatur eines von der Vorrichtung aus der Figur 1 umfassten Balancingwiderstandes, der durch den mittels des Signals aus der Figur 2 eingeschalteten Balancingtransistor parallel zu dem Batteriemodul aus der Figur 1 geschaltet wird,
Figur 4 ein Batteriemodul mit einer Batteriezelle und einer Vorrichtung zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 ein in Abhängigkeit von der Zeit dargestellter Verlauf eines
erfindungsgemäßen Signals zum Einschalten eines von der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfassten Balancingtransistors, und
Figur 6 ein in Abhängigkeit von der Zeit dargestellter Verlauf der Temperatur eines von der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfassten Balancingwiderstandes, der durch den mittels des
erfindungsgemäßen Signals aus der Figur 5 eingeschalteten Balancingtransistors parallel zu dem Batteriemodul aus der Figur 4 geschaltet wird. Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 4 ist eine Vorrichtung 10 zum Ladungsausgleich eines
Batteriemoduls 40 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Batteriemodul 40 umfasst gemäß der gezeigten Darstellung eine einzelne
Batteriezelle 50, kann aber auch zwei oder mehr Batteriezellen umfassen. Mittels der vertikal eingezeichneten Punkte wird darauf hingewiesen, dass weitere Batteriemodule in derselben Batterie (nicht gekennzeichnet) vorhanden sein können.
Zur Entladung der Batteriezelle 50 wird ein der Batteriezelle 50 zugeordneter Transistor (Balancingtransistor) 20, der im eingeschalteten Zustand einen der Batteriezelle 50 zugeordneten Widerstand (Balancingwiderstand) 30 parallel zu der Batteriezelle 50 schaltet, mittels eines pulsweitenmodulierten Signals zumindest während eines Entladungsvorganges der Batteriezelle 50 ein- und ausgeschaltet.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Steuereinrichtung 70, die die
Batteriezellenspannung erfasst und anhand der erfassten
Batteriezellenspannung den Balancingtransistor 20 ein- und ausschaltet.
Die Steuereinrichtung 70 erzeugt das pulsweitenmodulierte Signal, mittels dessen der Balancingtransistor 20 zumindest während eines
Entladungsvorganges der Batteriezelle 50 ein- und ausgeschaltet wird. Dabei ist der Balancingtransistor 20 über seinen Emitter- oder Kollektoranschluss
(nicht gekennzeichnet) mit dem Balancingwiderstand 30 in Reihe geschaltet und über seinen Basisanschluss (nicht gekennzeichnet) mit einem ersten Anschluss (nicht gekennzeichnet) der Steuereinrichtung 70 verbunden. Die Steuervorrichtung 70 umfasst eine integrierte Schaltung 71 , die insbesondere dazu ausgebildet ist, die Batteriezellenspannung zu erfassen. In der integrierten Schaltung 71 ist vorzugsweise eine Pulsweitenmodulationseinheit 72
implementiert, die dazu ausgebildet ist, das pulsweitenmodulierte Signal zum Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors 20 zu erzeugen und den
Balancingtransistor 20 mittels des erzeugten pulsweitenmodulierten Signals ein- und auszuschalten. Zwischen einem zweiten und einem dritten Anschluss (nicht gekennzeichnet) der Steuervorrichtung 70 ist ein Kondensator 60 geschaltet. Ferner ist der
Kondensator 60 mit einem seiner Anschlüsse auch mit dem an einem Pol (nicht gekennzeichnet) der Batteriezelle 50 gekoppelten Anschluss (nicht
gekennzeichnet) des Balancingwiderstandes 30 und mit seinem anderen Anschluss mit dem an dem anderen Pol (nicht gekennzeichnet) der Batteriezelle 50 gekoppelten Emitteranschluss des Balancingtransistors 20 jeweils über einen weiteren Widerstand 31 , 32 verbunden.
In der Figur 5 ist der Verlauf des erfindungsgemäßen Signals S zum Einschalten eines von der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfassten Balancingtransistors 20 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Das Signal S ist pulsweitenmoduliert und weist insbesondere eine ansteigende Impulsdauer bzw. einen ansteigenden Tastgrad (Duty Cycle) ID auf. In der Figur 5 ist beispielhaft nur eine einzige Impulsdauer mit ID gekennzeichnet.
In der Figur 6 ist ein Verlauf der Temperatur T eines von der Vorrichtung 10 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung umfassten Balancingwiderstandes 30 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Der Balancingwiderstand 30 wird durch den mittels des pulsweitenmodulierten Signals S aus der Figur 5 eingeschalteten Balancingtransistor 20 parallel zu der Batteriezelle 50 aus der Figur 4 geschaltet.
Die Verwendung des pulsweitenmodulierten Signals S zum Ein- und Ausschalten des Balancingtransistors 20 führt zunächst zu einer Reduzierung des Gradienten des Anstiegs der Balancingwiderstandstemperatur T, aber auch zu vielen kleineren Hüben H der Balancingwiderstandstemperatur T. In der Figur 6 ist beispielhaft ein Temperaturhub mit H gekennzeichnet.
Der Anstieg der Temperatur T des Balancingwiderstandes 30 ist dabei proportional zu der Impulsdauer ID des pulsweitenmodulierten Signals S. Die Höhe der Temperaturhübe H des Balancingwiderstandes 30 kann erheblich reduziert werden, indem die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals S möglichst hoch gewählt wird.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Ladungsausgleich von Batteriezellen (50) einer Batterie
durch Schalten eines Entladestroms, der über einen mit einem Batteriemodul (40), das mindestens eine Batteriezelle (50) aufweist, parallel geschalteten Widerstand (30) fließt und mittels eines dem Batteriemodul (40)
zugeordneten Transistors (20) geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (20) gemäß einem pulsweitenmodulierten Signal (S) ein- und ausgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das pulsweitenmodulierte Signal (S) eine ansteigende Impulsdauer (ID) aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das
pulsweitenmodulierte Signal (S) eine einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitende Frequenz aufweist.
4. Vorrichtung (10) zum Ladungsausgleich von Batteriezellen (50) einer
Batterie, die eine Steuereinrichtung (70) umfasst, die dazu ausgerichtet ist, eine Batteriemodulspannung zu erfassen und einen dem Batteriemodul (40) zugeordneten Transistor (20), der im eingeschalteten Zustand einen dem
Batteriemodul (40) zugeordneten Widerstand (30) mit dem Batteriemodul (40) parallel schaltet, zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinrichtung (70) weiter dazu ausgerichtet ist, ein
pulsweitenmoduliertes Signal (S) zu erzeugen und den Transistor (20) mittels des erzeugten pulsweitenmodulierten Signals (S) ein- und
auszuschalten.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (70) dazu ausgerichtet ist, das pulsweitenmodulierte Signal (S) zum Ein- und
Ausschalten des Transistors (20) mit einer Impulsdauer (ID), die während des Ladungsausgleichsvorganges ansteigt, zu erzeugen. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die
Steuereinrichtung (70) dazu ausgerichtet ist, das pulsweitenmodulierte Signal (S) zum Ein- und Ausschalten des Transistors (20) mit einer einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigenden Frequenz zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die
Steuereinrichtung (70) eine Pulsweitenmodulationseinheit (72) umfasst, die dazu ausgebildet ist, das pulsweitenmodulierte Signal (S) zum Ein- und Ausschalten des Transistors (20) zu erzeugen und den Transistor (20) mittels des erzeugten pulsweitenmodulierten Signals (S) ein- und auszuschalten.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die
Steuereinrichtung (70) als integrierte Schaltung (71 ) ausgebildet ist, in der insbesondere die Pulsweitenmodulationseinheit implementiert ist.
Batterie mit mindestens einem zumindest eine Batteriezelle umfassenden Batteriemodul (40), einen dem Batteriemodul (40) zugeordneten Transistor (20), einen dem Batteriemodul (40) zugeordneten Widerstand (30) und eine zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls (40) ausgerichtete Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.
0. Fahrzeug mit einer Batterie mit mindestens einem zumindest eine
Batteriezelle (50) umfassenden Batteriemodul (40), einem dem
Batteriemodul (40) zugeordneten Transistor (20), einem dem Batteriemodul (40) zugeordneten Widerstand (30) und einer zum Ladungsausgleich des Batteriemoduls (40) ausgerichteten Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 oder mit einer Batterie nach Anspruch 9.
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