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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, die eine Mess-, Auswerte- und Steuereinheit zur Ermittlung einer Spannung über wenigstens einer Teilzelle eines elektrischen Energiespeichers aufweist, sowie ein Verfahren zur gesteuerten Messung einer Spannung über wenigstens einer Teilzelle eines elektrischen Energiespeichers einer mit einer elektronischen Schaltung, die eine Mess-, Auswerte- und Steuereinheit aufweist.
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Schaltungen der genannten Gattung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden üblicherweise zur Messung von Batteriespannungen und Batteriezellspannungen elektronische Schaltungen mit einer Analog-Digital-Umwandlung (ADC) verwendet. Bei älteren Akkumulatorentypen, wie beispielsweise bei Blei-Säure-Akkumulatoren oder Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, war die Messung von Einzelspannungen innerhalb eines Akkumulatorenstapels nicht sehr verbreitet. Mit der Einführung von Lithium-Akkumulatoren entstand jedoch die Notwendigkeit, die Spannung von Einzelzellen innerhalb eines Akkumulatorenstapels zu messen und zu überwachen, da bei Lithium-Akkumulatoren beim Überladen bzw. bei Tiefentladungen von Einzelzellen eine Brand- und Explosionsgefahr besteht und diese Gefahr sicher ausgeschaltet werden muss.
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Zunächst wurden lithiumbasierte Batterietypen hauptsächlich in Notebooks und tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt, wobei Spannungen bis 14,4 V üblich sind. Derzeit wird jedoch auch der Einsatz von Lithiumbatterien als Energiespeicher in Elektrofahrzeugen wie z. B. Elektroautos vorbereitet, wobei zur Bewältigung der dort benötigten Leistungen Spannungen im Bereich von einigen 100 V erforderlich sind.
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Elektronische Bauelemente, wie z. B. kommerziell verfügbare Schaltkreise zur Batterieüberwachungen beispielsweise in Notebooks, haben eine begrenzte Spannungsfestigkeit von maximal einigen 10 V. Zur Überwachung von Batterien mit einer Spannung von einigen 100 V sind diese Schaltungen nicht direkt geeignet. Bei diesen hohen Spannungen ist es nötig, eine Potenzialumsetzung der hohen Batteriespannung auf eine kleine Spannung in einer Mess- und Auswertschaltung zu realisieren. Diese notwendige Potenzialumsetzung wird bei bekannten Schaltungen häufig innerhalb eines digitalen Busses vorgenommen. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
DE 601 30 508 T2 eine Schaltung, die zur Messung einer großen Batteriespannung viele übliche Schaltungen mit einer geringen Betriebsspannung in Reihe schaltet, die analogen Messwerte in diesen Messschaltungen in digitale Pulsweiten umwandelt und die digitalen Signale über einen Kondensator galvanisch getrennt ausgibt.
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Aus der Druckschrift
DE 103 47 110 B3 ist auch eine Schaltung bekannt, bei der eine analoge Messung von Zellspannungen über galvanisch trennende Koppelkondensatoren durchgeführt wird. In dieser Schaltung wird mit einem Signalgenerator einen Rechtecksignalstrom erzeugt, der durch jeweils einen Koppelkondensator fließt und über Gleichrichterdioden von den Einzelzellen eines Energiespeichers in Abhängigkeit von der Einzelzellspannung bedämpft wird. Nachteile dieser Schaltung sind, dass die Spannungen der Zellen nicht direkt sondern über Dioden gemessen werden und dass die Spannungsmessung relativ zu einer Referenzmessung erfolgt, wobei das Messverfahren enge Toleranzen der Koppelkondensatoren und der Gleichrichterdioden voraussetzt. Die hohen Kosten für die Bauelemente mit geringer Toleranz führen zu hohen Kosten der Schaltung.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zur Zellspannungsmessung in einem elektrischen Energiespeicher bereitzustellen, welche die Messung von Zellspannungen unter galvanischer Trennung der Messschaltung von dem elektrischen Energiespeicher erlaubt, wobei die Schaltung bei Nichtbenutzung keinen oder nur wenig Strom verbrauchen soll und wobei die Schaltung kostengünstig unter Verwendung von Bauelementen hoher Toleranz realisierbar sein soll.
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Die Aufgabe wird einerseits gelöst durch eine elektronische Schaltung, die eine Mess-, Auswerte- und Steuereinheit zur Ermittlung einer Spannung über wenigstens einer Teilzelle eines elektrischen Energiespeichersystems aufweist, wobei die elektronische Schaltung durch eine Koppelkondensatoreinheit in einen energiespeicherseitigen Bereich und in einen messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung pro zu messender Teilzelle einpolig galvanisch getrennt ist, wobei eine Widerstandseinheit mit einem ersten Potenzial der Teilzelle verbunden ist und die Koppelkondensatoreinheit über eine erste Schaltvorrichtung mit einem zweiten Potenzial der Teilzelle verbindbar ist, und wobei die erste Schaltvorrichtung über eine Signalkoppeleinheit durch die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit schaltbar ist und die galvanisch trennende Koppelkondensatoreinheit in deren messgeräteseitigen Bereich durch eine durch die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit schaltbare zweite Schaltvorrichtung auf ein Referenzpotenzial, wie eine Messgerätemasse, schaltbar ist.
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Die elektronische Schaltung realisiert also pro Messkanal eine einpolige galvanische Trennung zwischen einem energiespeicherseitigen und einem messgeräteseitigen Schaltungsbereich. Das zweite Potenzial der Koppelkondensatoreinheit liegt jeweils auf Bezugsmasse. So kann an einem Batteriestapel, an dem insgesamt eine hohe Spannung anliegt, durch die erfindungsgemäß eingesetzte Koppelkondensatoreinheit bei der Messung an einer Batteriezelle ein hoher Gleichspannungsanteil abgekoppelt werden. Durch die galvanische Trennung sind eine hohe Spannungsfestigkeit nur für die Koppelkondensatoreinheit und die Signalkoppeleinheit erforderlich. Für alle anderen Bauelemente können kostengünstige Bauelemente mit einer geringen Spannungsfestigkeit eingesetzt werden.
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Durch die Messwertübertragung über die galvanische Kopplung ist die elektronische Schaltung so realisierbar, dass kein Ruhestrom aus dem elektrischen Energiespeicher in den messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung fließt. In dem energiespeicherseitigen Bereich ist die Koppelkondensatoreinheit über die Widerstandseinheit mit dem ersten Potenzial der zu messenden Teilzelle verbunden. Im statischen Zustand stellt sich also das erste Potenzial der zu messenden Teilzelle an der Koppelkondensatoreinheit ein. Durch die erste Schaltvorrichtung, das heißt, einen elektronischen Schalter, kann die Koppelkondensatoreinheit energiespeicherseitig auf das zweite Potenzial der zu messenden Teilzelle geschaltet werden. Dadurch wird das Potenzial an der Koppelkondensatoreinheit energiespeicherseitig um die Zellspannung der zu messenden Teilzelle erhöht. Durch Influenz wird die energiespeicherseitige Potenzialdifferenz, die gleich der jeweiligen Zellspannung ist, in dem messgeräteseitigen Bereich abgebildet, wo das Potenzial an der Koppelkondensatoreinheit von dem Referenzpotenzial bis auf die Zellspannung ansteigt und an der Koppelkondensatoreinheit direkt gemessen werden kann.
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Zur Funktion der beschriebenen Messschaltung sind zwei Schalter erforderlich. Die erste elektronische Schaltvorrichtung im energiespeicherseitigen Bereich der elektronischen Schaltung wird von der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit im messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung gesteuert. Innerhalb der Steuerleitung befindet sich eine galvanisch trennende Kopplung, die Signalkoppeleinheit, die im einfachsten Fall ein Koppelkondensator sein kann. Grundsätzlich ist es hier auch möglich, eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Kopplung, zum Beispiel wie eine induktive Kopplung oder einen Transformator einzusetzen. Die erfindungsgemäße favorisierte Kondensatorkopplung besitzt demgegenüber jedoch einen großen Vorteil. Im messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung befindet sich eine zweite Schaltvorrichtung, die die Koppelkondensatoreinheit vor der Messung auf die Messgerätemasse oder auf ein Referenzpotenzial schaltet und somit für ein definiertes Bezugspotenzial am Eingang der Messschaltung sorgt. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung eignet sich zur Zellspannungsmessung an unterschiedlichen elektrischen Energiespeichersystemen, wie Batterien, Akkumulatoren oder Superkondensatoren.
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In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung weisen die erste Schaltvorrichtung und/oder die zweite Schaltvorrichtung einen p-Kanal-Feldeffekttransistor und/oder einen n-Kanal-Feldeffekttransistor auf. Feldeffekttransistoren können mit hohen Widerständen konzipiert und mit kleinen Signalen geschaltet werden. Daher führt die Schaltungsausführung mit Feldeffekttransistoren zu geringen Ruheströmen. Außerdem sind Feldeffekttransistoren kostengünstige Standardbauelemente.
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In einer alternativen Ausbildung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung weist die erste Schaltvorrichtung und/oder die zweite Schaltvorrichtung einen Bipolar-Transistor auf. Bipolar-Transistoren sind auch kostengünstige Standardbauelemente. Das Funktionsprinzip der Messschaltung ist auch mit Bipolar-Transistoren gewährleistet, aber die Schaltung weist dann einen etwas höheren Ruhestrombedarf auf, zudem erhöht sich der Messfehler.
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In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung weist die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit einen oder mehrere analoge Messaufnehmer auf. Wichtige Aufgaben bei der Zellspannungsmessung an einem elektrischen Energiespeicher sind die Erkennung einer Tiefentladung oder der Maximalspannung von einer Teilzelle des Energiespeichers. Zur Erkennung dieser kritischen Zustände genügen prinzipiell digitale Messaufnehmer, die diese kritischen Zustände erkennen. Erfindungsgemäß werden jedoch bevorzugt analoge Messaufnehmer eingesetzt, die eine analoge Messaufnahme des Batteriezustandes erlauben und der Auswerteeinheit Informationen zur Verfügung stellen, die in der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit verarbeitet und in entsprechende Maßnahmen umgesetzt werden können. Beispielsweise kann bei einer nahezu vollen Batterie die Rekuperation deaktiviert werden, der Ladezustand von Einzelzellen kann angeglichen werden oder in einem anderen Beispiel kann bei einer weitgehend entladenen Batterie in einem Hybridfahrzeug der Verbrennungsmotor aktiviert werden. Der analoge Messaufnehmer ist beispielsweise ein Analog-Digitalkonverter (ADC). Er kann aber auch ein anderer geeigneter Messaufnehmer sein.
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In einer günstigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung weist die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit einen oder mehrere Mikrocontroller auf. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung hat eine Reihe von Aufgaben zu bewältigen. Es sind die Spannungen vieler Teilzellen zu messen, pro Teilzelle sind zwei Schaltvorrichtungen anzusteuern, die Messwerte müssen ausgewertet und weiterverarbeitet werden. Diese Vielzahl von Aufgaben kann zweckmäßig mit einem softwareprogrammierbaren Mikrocontroller gelöst werden. Es ist jedoch auch möglich, die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit alternativ ohne Mikrocontroller, z. B. in einer diskreten Schaltung, aufzubauen.
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In einem weiteren Beispiel der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung weist die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit wenigstens einen Multiplexer auf. Mit einem Multiplexer kann beispielsweise ein Analog-Digital-Konverter nacheinander an verschiedene Teilzellen des Energiespeichers geschaltet werden, wobei durch den Multiplexer ein einfacher Schaltungsaufbau erreicht wird. Es können aber auch weitere Multiplexer eingesetzt werden, um beispielsweise die Steuersignale für die elektronischen Schalter umzuschalten. In der elektronischen Schaltung können auch mehrere Analog-Digital-Konverter eingesetzt werden, und die elektronische Schaltung kann insgesamt mehrere Multiplexer aufweisen.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung der elektronischen Schaltung weist die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit wenigstens eine Referenzspannungsquelle auf. Referenzspannungsquellen können mit wenig Aufwand kostengünstig realisiert werden. Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung funktioniert prinzipiell auch ohne Referenzspannungsquelle. Der Einsatz einer Referenzspannungsquelle dient zur Selbstkalibrierung, ist aber auch eine günstige Möglichkeit zur Realisierung einer Selbstdiagnose in der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der elektronischen Schaltung.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur gesteuerten Messung einer Spannung über wenigstens einer Teilzelle eines elektronischen Energiespeichers mit einer elektronischen Schaltung, die eine Mess-, Auswerte- und Steuereinheit aufweist, wobei eine Koppelkondensatoreinheit der elektronischen Schaltung einen energiespeicherseitigen von einem messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung pro zu messender Teilzelle einpolig galvanisch trennt; die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit in einem ersten Schritt eine erste Schaltvorrichtung der elektronischen Schaltung, die zwischen der Koppelkondensatoreinheit und einem zweiten Potenzial der Teilzelle angeordnet ist, ausschaltet, sodass eine Widerstandseinheit eine energiespeicherseitige Elektrode der Koppelkondensatoreinheit mit einem ersten Potenzial der Teilzelle verbindet und eine zweite Schaltvorrichtung die Koppelkondensatoreinheit messgeräteseitig auf eine Messgerätemasse oder auf ein Referenzpotenzial schaltet; in einem zweiten Schritt die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit die zweite Schaltvorrichtung ausschaltet; in einem dritten Schritt die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit die erste Schaltvorrichtung über eine Signalkoppeleinheit einschaltet und die Koppelkondensatoreinheit mit einem zweiten Potenzial der Teilzelle verbindet; und in einem vierten Schritt die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit nach erfolgter Ladung der Koppelkondensatoreinheit die Spannung an der Koppelkondensatoreinheit messgeräteseitig misst.
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In dem ersten Schritt des Messverfahrens wird also in dem energiespeicherseitigen Bereich der elektronischen Schaltung die Koppelkondensatoreinheit mit dem ersten Potenzial der zu messenden Teilzelle verbunden, und im messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung wird die Koppelkondensatoreinheit auf ein Referenzpotenzial oder die Messgerätemasse, geschaltet. In einem zweiten Schritt des Messverfahrens wird durch Schalten der zweiten Schaltvorrichtung die erste Koppelkondensatoreinheit von dem Referenzpotenzial, welches vorzugsweise die Messgerätemasse ist, getrennt. In einem dritten Schritt des Messverfahrens wird energiespeicherseitig die erste Koppelkondensatoreinheit mit dem zweiten Potenzial der Teilzelle verbunden, wobei energiespeicherseitig das Potenzial an der Koppelkondensatoreinheit um die Zellspannung erhöht wird und die Potenzialerhöhung durch Influenz auf den messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung weitergeleitet wird. Im vierten Schritt des Messverfahrens liest die Messeinheit an der ersten Koppelkondensatoreinheit messgeräteseitig die in dem Messverfahren erzeugte Potenzialdifferenz, die im Wesentlichen gleich der zu messenden Zellspannung ist, aus. Das Messverfahren wird zyklisch wiederholt bzw. zyklisch nacheinander an verschiedenen Teilzellen des Energiespeichersystems ausgeführt.
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Das erfindungsgemäße Messverfahren zur Zellspannungsmessung besitzt gegenüber bisher bekannten Messverfahren den Vorteil, dass dann, wenn an einer Teilzelle des Energiespeichers keine Messung durchgeführt wird, kein oder nur ein sehr geringer Energieverlust an dieser Teilzelle durch eine daran angeschlossene Messschaltung vorliegt. Zudem basiert das erfindungsgemäße Messverfahren auf einer direkten Potenzialumsetzung, welche durch einen einfachen Schaltungsaufwand realisiert werden kann. Dabei haben Toleranzen der verwendeten Bauelemente nahezu keinen Einfluss auf die Messwertgenauigkeit. Entsprechend können kostengünstige Bauelemente mit relativ hohen Toleranzen verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spannung von der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit analog gemessen. Durch die analoge Messung kann jeder Zwischenzustand der Teilzelle des Energiespeichersystems erfasst werden. Somit kann jederzeit auf die Zustandsänderung, also die Ladung oder Entladung der Teilzelle, angemessen reagiert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert ein Mikrocontroller der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit die Schritte des Verfahrens. In einem Mikrocontroller kann das Messverfahren in einer Software abgebildet werden. Die Softwareabbildung der verschiedenen Mess-, Auswerte- und Steueraufgaben ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar. Alternativ können die Schaltungsaufgaben aber auch z. B. durch einen diskreten Schaltungsaufbau gelöst werden. Dies könnte im Einzelfall in Großserien von Vorteil sein.
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In einer günstigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verbindet wenigstens ein Multiplexer der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit in aufeinander folgenden Messzyklen verschiedene Teilzellen der Batterie oder mindestens eine Referenzspannungsquelle der elektronischen Schaltung mit der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit. Durch den Multiplexer, also den elektronischen Umschalter, kann die gleiche Messeinrichtung zur Messung mehrerer Teilzellen verwendet werden, dadurch wird ein einfacher Schaltungsaufbau erreicht. Je nach Ausführung der elektronischen Schaltung und in Abhängigkeit von den verfügbaren Steuerleitungen kann es günstig sein, weitere Multiplexer beispielsweise zur Umschaltung von Steuersignalen einzusetzen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie deren Aufbau und Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
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1 schematisch Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung zeigt; und
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2 eine weitere mögliche Variante der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung zeigt.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung 11, die der Messung der Spannungen von einzelnen Zellen eines elektrischen Energiespeichers 2 dient. In dem dargestellten Beispiel ist der Energiespeicher 2 ein Akkumulatorenstapel. In anderen nicht dargestellten Fällen kann der Energiespeicher auch ein anderweitiger, aus Einzelzellen zusammengesetzter Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie, ein Superkondensator oder ein Brennstoffzellensystem, sein.
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Der elektrische Energiespeicher 2 besteht aus einer Vielzahl von Zellen, deren Anzahl durchaus die Größenordnung von 100 übersteigen kann, wobei erfindungsgemäß die Spannung jeder einzelnen in Reihe geschalteten Zelle gemessen werden kann. Zur Beschreibung der elektronischen Schaltung 11 wird der Einfachheit halber im Folgenden nur eine Teilzelle N betrachtet und beschrieben. In der praktischen Anwendung werden jedoch auch alle anderen Teilzellen des elektrischen Energiespeispeichers 2 identisch beschaltet und gemessen.
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Die Teilzelle N weist eine negative und eine positive Elektrode auf. Die negative Elektrode befindet sich auf einem ersten elektrischen Potenzial PN, und die positive Elektrode befindet sich auf einem zweiten Potenzial PN+1. Die Potenzialdifferenz zwischen positiver Elektrode und negativer Elektrode ist die Zellspannung UN. Parallel zu der Zelle N ist eine erste elektronische Schaltvorrichtung S1 in Reihe zu einer Widerstandseinheit R1 geschaltet. Die Widerstandseinheit R1 ist vorzugsweise ein hochohmiger Widerstand. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieser Widerstand größer als ein kΩ, kann jedoch auch bis zu 100 kΩ betragen oder noch größer sein. Bei geöffneter erster Schaltvorrichtung S1 fließt nur ein vernachlässigbar kleiner Strom über die erste Schaltvorrichtung S1 und die Widerstandseinheit R1.
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Ferner ist eine Elektrode einer Koppelkondensatoreinheit C1, die in der dargestellten Ausführungsform ein einfacher Kondensator sein kann, im energiespeicherseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11 über die Widerstandseinheit R1 mit dem ersten Potenzial PN der Teilzelle N verbunden. Darüber hinaus ist die Koppelkondensatoreinheit C1 über die erste Schaltvorrichtung S1 mit dem zweiten Potenzial PN+1 der Teilzelle N verbindbar.
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Die erste Schaltvorrichtung S1 ist über eine Signalkoppeleinheit C2, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kondensator ist, durch eine Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 schaltbar, und die galvanisch trennende Koppelkondensatoreinheit C1 in dem messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11 ist durch eine durch die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 schaltbare zweite Schaltvorrichtung S2 auf ein Referenzpotenzial 4, wie beispielsweise die Messgerätemasse, schaltbar.
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Die Koppelkondensatoreinheit C1 stellt eine pro Messkanal einpolige galvanische, d. h. hier kapazitive, Trennung zwischen dem energiespeicherseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11 und dem messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11 dar, wobei ein Pol der Koppelkondensatoreinheit C1 jeweils an einem Potenzial der zu messenden Teilzelle N anliegt, während der andere Pol der Koppelkondensatoreinheit C1 auf Messgerätemasse liegt. Die Spannungsfestigkeit der Koppelkondensatoreinheit C1 muss größer als die Gesamtspannung des Energiespeichers 2 sein. Die Größenordnung des Kondensators C1 soll so bemessen sein, dass Messfehler minimiert werden können. Der Kondensator C1 besitzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Größenordnung in einem Bereich von etwa 100 pF bis mehrere 100 nF. Durch die Koppelkondensatoreinheit C1 fließt kein Strom aus dem elektrischen Energiespeicher 2 in die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3, wenn nicht gemessen wird. Dadurch kann die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 keine Entladung des elektrischen Energiespeichers 2 verursachen, was zum Beispiel in Zeiten längerer Nichtbenutzung eines elektrischen Fahrzeuges wichtig ist.
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In dem messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11 ist an die Koppelkondensatoreinheit C1 mit der zweiten Schaltvorrichtung S2 gekoppelt, die die Koppelkondensatoreineheit C1 messgeräteseitig auf Messgerätemasse schalten kann. Bei geöffneter Schaltvorrichtung S2 ist die Koppelkondensatoreinheit C1 über einen Multiplexer 33 mit einer Messschaltung 31 der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 verbunden. Die Messschaltung 31 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein AD-Wandler (Voltmeter). Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass in anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung die Messung auch digital erfolgt. Die Messzeit pro Zelle des elektrischen Energiespeichers 2 ist bei der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung 11 kleiner als 1 ms.
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Die in der Messschaltung 31 gemessene Spannung wird an eine Auswerte- und Steuereinheit 32 der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 weitergeleitet. Die Auswerte- und Steuereinheit 32 steuert unter anderem die Schaltvorrichtungen S1 und S2 an, wobei die im energiespeicherseitigen Bereich angeordnete Schaltvorrichtung S1 über die Signalkoppeleinheit C2 angesteuert wird.
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In dem dargestellten Schaltungsbeispiel ist die Signalkoppeleinheit C2 ein Koppelkondensator und die erste Schaltvorrichtung S1 ist ein n-Kanal-Feldeffekttransistor. In anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann an Stelle des Koppelkondensators C2 auch eine andere galvanische Trennung, beispielsweise eine induktive Trennung oder eine Trennung über einen Transformator, realisiert werden. Zudem kann an Stelle des für die Schaltvorrichtung S1 gewählten n-Kanal-Feldeffekttransistors auch ein p-Kanal-Feldeffekttransistor oder ein Bipolartransistor, wie beispielsweise ein IGBT, eingesetzt werden. Gleiches gilt für die oben erwähnte zweite Schaltvorrichtung S2.
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In dem dargestellten Schaltungsbeispiel weist die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 eine Referenzspannungsquelle 34 auf, an welche eine Messschaltung gekoppelt ist, die gleich der an der Teilzelle N beschriebenen Messschaltung ist. Die Referenzspannungsquelle 34 ist zur Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens nicht unbedingt erforderlich. Sie stellt jedoch eine günstige Erweiterung dar und ermöglicht eine Eichung der mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3.
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Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung 11 arbeitet wie folgt: Grundlage des Funktionsprinzips der elektronischen Schaltung 11 ist die durch die Koppelkondensatoreinheit C1 realisierte, pro Messkanal einpolige galvanische Trennung eines energiespeicherseitigen Bereiches von einem messgeräteseitigen Bereich der elektronischen Schaltung 11. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gesteuerten Messung der Spannung UN über wenigstens einer Teilzelle N des elektrischen Energiespeichersystems 2 schaltet die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 die erste Schaltvorrichtung S1 der elektronischen Schaltung 11, die zwischen der Koppelkondensatoreinheit C1 und dem zweiten Potenzial PN+1 der Teilzelle N angeordnet ist, aus. Dadurch wird die Widerstandseinheit R1 der energiespeicherseitigen Elektrode C1.1 der Koppelkondensatoreinheit C1 mit dem ersten Potenzial PN der Teilzelle N verbunden. Ferner schaltet die zweite Schaltvorrichtung S2 die Koppelkondensatoreinheit C1 messgeräteseitig auf ein Referenzpotenzial, das in dem dargestellten Beispiel die Messgerätemasse 4 ist.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens schaltet die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 die zweite Schaltvorrichtung S2 aus.
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In einem dritten Schritt schaltet die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 die erste Schaltvorrichtung S1 über die Signalkoppeleinheit C2 ein und die Koppelkondensatoreinheit C1 wird mit dem zweiten Potenzial PN+1 der Teilzelle N verbunden.
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In einem vierten Schritt misst die Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 nach erfolgter Ladung der Koppelkondensatoreinheit C1 die Spannung UN an der Koppelkondensatoreinheit C1 messgeräteseitig. Dabei wird in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Spannung UN von der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 analog gemessen. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann auch eine digitale Messung der Spannung UN erfolgen.
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Die oben aufgeführten Schritte des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Mikrocontroller 32, der Bestandteil der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 ist, gesteuert. Zudem werden durch einen Multiplexer 33, der ebenfalls Bestandteil der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 ist, in aufeinanderfolgenden Messzyklen verschiedene Teilzellen des elektrischen Energiespeichersystems 2 mit der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3 verbunden, sodass die Teilzellen des elektrischen Energiespeichersystems 2 nacheinander gemessen werden können. Es ist jedoch auch möglich, dass durch den Multiplexer 33 wenigstens eine Referenzspannungsquelle 34 mit der Mess-, Auswerte- und Steuereinheit 3, beispielsweise zur Schaltungskontrolle, verbunden werden kann.
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2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung 12, welche als erste Schaltvorrichtung S1 einen p-Kanal-Feldeffekttransistor nutzt. Alle anderen Schaltungselemente der elektronischen Schaltung 12 sind gleich der elektronischen Schaltung 11. 2 verdeutlicht, dass die erfindungsgemäße elektronische Schaltung 11, 12 unter Verwendung alternativer Bauelemente leicht variierbar ist, wobei jedoch das Grundprinzip der elektronischen Schaltung 11, 12 mit einer Messwertübertragung über eine Koppelkondensatoreinheit C1 erhalten bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60130508 T2 [0004]
- DE 10347110 B3 [0005]
