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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung
zum Schutz der einzelnen Batteriezellen vor Überspannung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bekannte
Batterien, wie z. B. NiMH-Batterien, Li-Ionen-Batterien oder DLC-Batterien
(DLC: Doppelschichtkondensator). bestehen aus mehreren in Reihe
geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Spannung von wenigen
Volt, z. B. 3,6 V (bei Li-Ionen-Batterien) erzeugen. Die Anzahl
der Zellen bestimmt damit die Nennspannung der Batterie, die z. B.
12 V oder 36 V betragen kann.
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Aufgrund
fertigungstechnischer Toleranzen und anderer Einflüsse
(insbesondere Temperatur) ist die Kapazität bzw. der Innenwiderstand
der einzelnen Zellen unterschiedlich groß. Diese Unterschiede können
durch Alterungsprozesse im Lebenszyklus des Batteriesystems zunehmen.
Daher driftet der Ladezustand der Zellen im Laufe der Zeit immer
weiter auseinander. Beim Aufladen der Batterie erreichen stärkere
Zellen ihre maximale Lade-Endspannung früher als schwächere
Zellen. Wird die Batterie in diesem Zustand weiter geladen, kann
es zum Überladen und somit zur Schädigung einzelner
Zellen kommen. Umgekehrt besteht beim Entladen des Batteriepacks die
Gefahr, dass einzelne Zellen bei Erreichen der Entlade-Endspannung
unter ihre minimal zulässige Zellenspannung entladen und
dadurch ebenfalls geschädigt werden. Dies ist besonders
kritisch, da der Ausfall einer einzigen Zelle zum Ausfall der gesamten
Batterie führt.
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Um
einzelne Zellen oder Zellengruppen im Ladebetrieb vor Überspannung
zu schützen, ist es bekannt, die Zellen bzw. -Gruppen mit
Hilfe von Z-Dioden vor Überspannung zu schützen.
Eine Batterie mit einer Schutzschaltung aus Z-Dioden ist beispielsweise
aus der
US 2005/0225291
A1 bekannt. Darin werden einzelne Zellen mittels einer
Z-Diode überbrückt. Wenn die Spannung der Zelle(n) über
die Z-Spannung der Diode steigt, beginnt die Diode in Sperrrichtung
zu leiten und begrenzt somit die Spannung der Zelle bzw. -gruppe.
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Z-Dioden
mit einer Z-Spannung von weniger als etwa 5 V haben den Nachteil,
dass sie (konstruktionsbedingt) einen negativen Temperaturgang haben.
Das heißt, wenn sie in Sperrrichtung leiten und durch den
Strom erhitzt werden, nimmt ihre Z-Spannung weiter ab. Der Stromfluss
nimmt daher zu. Dies kann sehr schnell zur Zerstörung der
Z-Diode führen. Z-Dioden mit einer Z-Spannung von mehr
als etwa 5 V haben dagegen einen positiven Temperaturgang, d. h.,
sie werden bei einem Stromfluss in Sperrrichtung hochohmiger und
schützen sich daher selbst vor Überlastung. Es
werden daher bevorzugt mehrere Batteriezellen mit einer Z-Diode
parallel geschaltet, die ein N-faches einer maximalen Zellenspannung,
z. B. N mal 4,3 V, als Z-Spannung aufweist. Die Parallelschaltung
einer Z-Diode zu mehreren Zellen behebt zwar das Problem des negativen
Temperaturgangs, hat jedoch den Nachteil, dass die einzelnen Zellenspannungen
der Batteriezellen einer Gruppe voneinander abweichen können.
Dadurch kann es wiederum zum Überladen bzw. Tiefentladen
einzelner Zellen der Gruppe kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie
mit einer Abgleich- bzw. Schutzschaltung zu schaffen, mittels derer
die einzelnen Zellen möglichst genau abgeglichen und ein Überladen
bzw. Tiefentladen wirksam verhindert werden kann. Die Schaltung
sollte außerdem möglichst zuverlässig
und ausfallsicher sein.
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Gelöst
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, mehrere Spannungsbegrenzungseinrichtungen,
vorzugsweise Z-Dioden, vorzusehen, die jeweils einer Gruppe aus
mehreren Zellen zugeordnet sind, und die Spannungsbegrenzungseinrichtungen so
mit den Zellen zu verschalten, dass die Maximalspannung jeder einzelnen
Zelle eindeutig bestimmt ist. Dadurch, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtungen
jeweils mehreren Zellen zugeordnet sind, haben sie eine Z-Spannung
von mehr als 5 V und somit einen positiven Temperaturgang. Durch
die spezielle Verschaltung der Z-Dioden mit den Batteriezellen lässt
sich außerdem erreichen, dass die Lade-Endspannung jeder
einzelnen Zelle eindeutig bestimmt ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Spannungsbegrenzungseinrichtungen
so angeordnet, dass zwei benachbarte Zellengruppen wenigstens eine
Zelle gemeinsam haben, d. h. die benachbarten Zellengruppen überlappen
sich um wenigstens ein Element.
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Bei
einer Batterie mit einer Anzahl von N Zellen sind vorzugsweise insgesamt
N + 1 Spannungsbegrenzungseinrichtungen vorgesehen. Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen
umfassen vorzugsweise N – 1 passive, insbesondere Z-Dioden,
und zwei aktive Spannungsbegrenzungseinrichtungen.
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An
jedem Anschluss zwischen zwei Zellen ist vorzugsweise mindestens
eine Spannungsbegrenzungseinrichtung angeschlossen.
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Die
passiven Spannungsbegrenzungseinrichtungen, bzw. zumindest ein Teil
davon, umfassen vorzugsweise eine Z-Diode und ggf. weitere Bauelemente,
wie z. B. einen Widerstand.
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Die
Z-Dioden sind vorzugsweise jeweils einer Gruppe von zwei oder mehr
Zellen zugeordnet. Die Zenerspannung der Z-Dioden beträgt
abhängig von der Anzahl M der zugehörigen Zellen
vorzugsweise ein M-faches der Lade-Endspannung einer einzelnen Zelle.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens
eine der Spannungsbegrenzungseinrichtungen als Spannungsregler realisiert.
Der Spannungsregler kann beispielsweise ein Zweipunktregler sein,
der einen Komparator mit Hysterese und eine Referenzspannungsquelle,
sowie einen Schalttransistor und einen Leistungswiderstand enthält.
Sobald die Zellspannung den durch die Referenzspannung vorgegebenen
Wert übersteigt, wird ein Teil des Ladestromes der Zelle über
den Leistungswiderstand und den Schalttransistor an der Zelle vorbei
geleitet.
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Die
Höhe dieses Stromes ergibt sich aus der Zellspannung und
dem Leistungswiderstand.
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Im
Strompfad der Spannungsbegrenzungseinrichtungen kann auch ein Widerstand,
vorzugsweise ein PTC-Widerstand in Serie geschaltet sein. PTC-Widerstände
haben die Eigenschaft, dass der Widerstand mit steigender Temperatur
ebenfalls steigt. Im Falle eines Durchbruchs der Z-Diode begrenzt
der PTC-Widerstand den Strom durch die Z-Diode und schützt
diese somit vor Zerstörung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Batterie mit einer Schaltung zur
Begrenzung der Lade-Endspannung der einzelnen Zellen gemäß einer ersten
Ausführungsform der Erfindung mit N – 1 Z-Dioden
und 2 aktiven Begrenzungsschaltungen.
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2 eine
Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls mit N – 1
Z-Dioden und 2 aktiven Begrenzungsschaltungen;
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3 eine
Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung entsprechend 1,
jedoch ohne PTC Widerstände. Eine mögliche Ausführung der
aktiven Schaltungen zur Spannungsbegrenzung ist dargestellt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
eine Batterie 1 mit insgesamt N = 9 Zellen 2a bis 2i,
die jeweils eine Teilspannung von mehreren Volt erzeugen. Bei der
Batterie 1 kann es sich grundsätzlich um jeden
beliebigen Batterietyp, wie z. B. eine NiMH- oder eine Li-Ionen-Batterie
handeln. Im vorliegenden Beispiel wird von einer Li-Ionen-Batterie
ausgegangen.
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Zum
Laden der Batterie 1 wird an den Batterieklemmen (Anschlüsse
+/–) eine Ladespannung angelegt, die dem N-fachen der Zellen-Endspannung (z.
B. 4,1 V) entspricht. Wenn der Stromfluss durch die Batterie 1 einen
vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, ist der Ladevorgang beendet.
Um zu verhindern, dass eine Zellenspannung Uz im
Ladebetrieb einen maximal zulässigen Wert überschreitet,
ist hier eine Überlade-Schutzschaltung aus mehreren Z-Dioden 3a bis 3h und
zwei Spannungsbegrenzungs-Schaltungen 4a, 4b vorgesehen,
die die Zellenspannung Uz der einzelnen
Zellen begrenzt.
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Im
Falle einer Li-Ionen-Batterie 1 dürfen die einzelnen
Zellen 2 maximal auf eine Spannung von 4,0 V bis 4,5 V
geladen werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich
beispielhaft auf eine Entladeschlussspannung von 4,1 V.
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Im
dargestellten Schaltbild ist jeweils zwei Zellen 2a bis 2i eine
Z-Diode 3a bis 3h zugeordnet, wobei die Z-Dioden
parallel mit der zugehörigen Zellengruppe verschaltet sind.
Um die Zellen vor dem Überladen zu schützen, wird
für jede Gruppe aus zwei Zellen, z. B. [2a, 2b]
oder [2b, 2c], eine Z-Diode 3a bis 3h mit
einer Z-Spannung von 8,2 V = 2·4,1 V eingesetzt (im Folgenden
als 2er-Dioden bezeichnet). Wenn die 2er-Dioden 3a bis 3g in
Sperrrichtung zu leiten beginnen, werden sie durch den Strom erhitzt.
Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten steigt die Z-Spannung
an und kann z. B. einen Wert von 8,7 V bei einer Temperatur von
150°C erreichen. Diese Spannung ist größer
als 2·4,3 V = 8,6 V, so dass die Z-Dioden 3a bis 3g thermisch
nicht überlastet werden können.
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Die
Spannungsregler 4a und 4b sind zwischen dem positiven
Batterieanschluss (+) und dem Anschlussknoten zwischen den ersten
beiden Zellen 2a, 2b, bzw. dem negativen Batterieanschluss
(–) und den letzten Zellen 2h und 2i angeschlossen.
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Die
Z-Dioden 3a bis 3h sind außerdem so angeordnet,
dass zwei zugehörige, benachbarte Zellengruppen, z. B.
[2a, 2b] und [2b, 2c], jeweils
wenigstens eine Zelle 2 (z. B. 2b) gemeinsam haben.
D. h. zwei benachbarte Zellengruppen [2a, 2b],
[2b, 2c], [2c, 2d] ... überlappen
sich jeweils um wenigstens ein Element. Dadurch ergibt sich für
jede der Zellen 2a bis 2h eine eindeutige Maximalspannung,
wie im Folgenden näher erläutert werden wird.
Zusätzlich werden die Zellen 2a und 2i jeweils
mittels einer aktiven Spannungsbegrenzungsschaltung auf die maximale Spannung
geregelt.
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Wenn
eine der Z-Dioden 3 in Sperrrichtung leitet, wird sie durch
den Stromfluss erhitzt. Um zu verhindern, dass sich diese Z-Diode 3 zu
stark erhitzt und dadurch zerstört wird, ist hier jeder
Z-Diode 3 ein Widerstand 5 zugeordnet. Die Widerstände 5 sind dabei
im Strompfad der Z-Dioden 3 auf Seite der Anode angeschlossen.
Selbstverständlich ist auch eine kathodenseitige Anordnung
möglich.
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Als
Widerstände sind insbesondere PTC-Widerstände
(PTC: positiver Temperaturkoeffizient) geeignet, da sie einen mit
zunehmender Temperatur zunehmenden Widerstandswert aufweisen. Die
Z-Dioden 3 können somit sicher vor Überlastung
geschützt werden.
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Die
Zellenspannung Uz der einzelnen Zellen 2a bis 2h am
Ende der Aufladephase, wenn die Summenspannung aller n Zellen gleich
n·ULE (ULE =
zulässige Lade-Endspannung) ist, ergibt sich aus folgender
mathematischen Betrachtung:
Die Zellenspannungen der einzelnen
Zellen 2a bis 2h sind mit UZ1,
UZ2, UZ3, etc. bezeichnet.
Für die ersten drei Zellen 2a bis 2c kann
somit folgendes Gleichungssystem angesetzt werden: UZ1 <=
ULE; Uzn <= ULE
UZ1 + UZ2 <= 2·ULE
UZ2 + UZ3 <=
2·ULE
.
.
UZn-1 + UZn <= 2·ULE
UZ1 + UZ2 + UZn-1 + UZn = n·ULE
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Daraus
ergibt sich die eindeutige Lösung UZ1 =
UZ2 = UZ3 = ULE. Die Lade-Endspannung ULE wird dabei
abhängig durch die (temperaturabhängige) Z-Spannung
der Z-Dioden 3a bis 3h bestimmt. Wenn eine der
Zellenspannungen Uz den Wert ULE (z.
B. 4,1 V) übersteigt, wird die zugehörige Z-Diode 3 leitend. Dadurch
werden die Zellen 2 untereinander abgeglichen, so dass
alle Zellen 2 etwa die gleiche Spannung aufweisen.
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2 zeigt
eine Batterie 1 mit insgesamt neun Zeilen 2a bis 2i und
einer alternativen Spannungsbegrenzungsschaltung. Die Schaltung
umfasst N = 9 Z-Dioden 3a bis 3i, von denen fünf
(3c bis 3g) jeweils zwei Zellen 2, zwei
(3a bis 3b) jeweils drei Zellen, und einer (3h)
vier Zellen zugeordnet sind. Dadurch ist die Lade-Endspannung jeder einzelnen
Zelle 2 wiederum eindeutig festgelegt.
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Die
dargestellte Anordnung ist nur eine von vielen möglichen
Ausführungsformen. Aus Gründen der Einfachheit
und Kosten wird bevorzugt, möglichst viele gleiche Z-Dioden
vorzusehen, z. B. N – 1 identische Z-Dioden, die jeweils
2 Zellen überbrücken.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batterie 1 mit
insgesamt neun Zellen 2a bis 2i, zwei Spannungsbegrenzungsschaltungen
und neun Z-Dioden, die jeweils zwei Zellen 2 zugeordnet
sind. Die Zellengruppen [2a, 2b], [2b, 2c],
[2c, 2d] ... werden jeweils von einer Z-Diode überbrückt.
Im Unterschied zu 1 ist die Schaltung ohne PTC
Widerstände ausgeführt. Die Spannungsregler 4a und 4b sind
wiederum zwischen dem positiven Batterieanschluss (+) und dem Anschlussknoten
zwischen den ersten beiden Zellen 2a, 2b bzw.
dem negativen Batterieanschluss (–) und den letzten Zellen 2h und 2i angeschlossen.
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Die
Spannungsregler 4 können z. B. als Zweipunktregler
ausgeführt sein, die einen Komparator 5, eine
Referenzspannungsquelle 6, einen Schalttransistor 8,
insbesondere einen MOSFET, und einen Leistungswiderstand 9 umfassen,
wie im Schaltbild dargestellt ist. Eine Stromversorgung ist mit
dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0225291
A1 [0004]