DE102010001422A1

DE102010001422A1 - Battery for use as electrical energy storage in power supply unit for e.g. hybrid car, has switch connected with negative pole of cell such that switch is connected with negative pole of cell based on control signal produced by controller

Info

Publication number: DE102010001422A1
Application number: DE102010001422A
Authority: DE
Inventors: Dirk 70190 Hasenkopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04

Abstract

The battery has a switch (12-1) i.e. metal oxide semiconductor (MOS)-transistor, connected in series with a coil (11) such that a control signal is produced by a controller to switch between a positive pole and a negative pole of a battery cell (10-1). Another switch (12-2) comprises an end connected between the former switch and the coil, and another end connected with the negative pole of another battery cell (10-2) such that the latter switch is connected with the negative pole of the latter cell based on another control signal produced by the controller. An independent claim is also included for a motor car comprising an electric drive motor connected to an accumulator.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht von einer Batterie mit Cell-Balancing zum Ausgleich des Ladezustandes der einzelnen in der Batterie in Serie geschalteten Batteriezellen aus.The invention is based on a battery with cell balancing to compensate for the state of charge of the individual battery cells connected in series in the battery.

Für die Zukunft ist sowohl bei stationären Anwendungen, wie z. B. Windkraftanlagen, Notstromaggregaten oder Inselnetzen, als auch in Fahrzeugen, wie beispielsweise Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen, zu erwarten, dass vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die hohe Anforderungen bezüglich nutzbarem Energieinhalt, Lade-Entlade-Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit gestellt werden. Um den Anforderungen hinsichtlich verfügbarem Energieinhalt, maximaler Leistung und Gesamtspannung gerecht zu werden, werden viele einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Eine solche hohe Zahl von in Serie geschalteten Batteriezellen bringt einige Probleme mit sich. Aus Sicherheitsgründen und zur Erzielung einer hinreichenden Genauigkeit bei der Spannungsmessung müssen die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen einzeln gemessen und auf die Einhaltung von Ober- und Untergrenzen hin überprüft werden. Wegen der Serienschaltung der Batteriezellen werden alle Batteriezellen vom gleichen Strom durchflossen, d. h., die Menge der beim Entladen entnommenen bzw. beim Aufladen eingebrachten Ladung ist auch für alle Batteriezellen identisch. Weicht daher die Kapazität einer Batteriezelle (etwa durch Alterung) von der einer anderen ab, können die Batteriezellen mit einer höheren Kapazität nur so weit aufgeladen werden, wie die Batteriezelle mit der niedrigsten Kapazität. Außerdem führt der Defekt einer einzelnen Batteriezelle zum Ausfall der gesamten Batterie, weil kein Strom mehr durch die defekte Batteriezelle und damit durch die Batterie fließen kann.For the future, both stationary applications, such. As wind turbines, emergency generators or isolated networks, as well as in vehicles such as hybrid or pure electric vehicles, expected that more battery systems will be used, are placed on the high demands for usable energy content, charge-discharge efficiency and reliability. In order to meet the requirements with regard to available energy content, maximum power and total voltage, many individual battery cells are connected in series and sometimes additionally in parallel. Such a high number of series connected battery cells poses some problems. For safety reasons and to achieve a sufficient accuracy in the voltage measurement, the cell voltages of the individual battery cells must be measured individually and checked for compliance with upper and lower limits. Because of the series connection of the battery cells, all battery cells are traversed by the same current, d. that is, the amount of charge removed during discharge or charged during charging is also identical for all battery cells. Therefore, if the capacity of one battery cell deviates from that of another (such as due to aging), the battery cells with a higher capacity can only be charged as much as the battery cell with the lowest capacity. In addition, the failure of a single battery cell leads to the failure of the entire battery, because no more current can flow through the defective battery cell and thus through the battery.

Ein Maß für die in einer Batteriezelle gespeicherte Energiemenge ist der so genannte Ladezustand oder State-of-Charge (SoC). Von ihm hängt neben anderen Parametern auch die Klemmenspannung einer Batteriezelle ab. Die anfänglichen Ladezustände der Batteriezellen beim Zusammenbau zu einer Batterie werden nie genau gleich sein. Außerdem unterscheiden sich die Batteriezellen immer geringfügig in ihren Parametern und somit auch in ihrer Reaktion des Ladezustandes auf einen von außen eingeprägten Strom. Durch Alterung der Batteriezellen können sich diese Unterschiede weiter vergrößern. Bei einer Serienschaltung von Batteriezellen gibt es jedoch keine Möglichkeit, die vorgenannten Unterschiede individuell auszugleichen. Regelungstechnisch betrachtet ist das Gesamtsystem nicht vollständig steuerbar, da einer Stellgröße, dem Ladestrom, eine der Anzahl von Batteriezellen entsprechende Menge Zustandsgrößen gegenüberstehen. Daher könnte bei Betrieb einer solchen Batterie ohne weitere Schaltungsmaßnahmen nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen immer weiter voneinander entfernen. Beim Entladen der Batterie bestimmt jedoch die Batteriezelle mit dem geringsten Ladezustand den Zeitpunkt, von dem an der Batterie keine elektrische Energie mehr entnommen werden kann, was eine Ausnutzung des maximalen Energieinhaltes der Batterie verhindert und eine Überdimensionierung der Batterie zur Folge hätte. Um eine ungleiche Entladung der Batteriezellen zu verhindern, wird daher ein sog. Cell-Balancing durchgeführt, welches sicherstellen soll, dass jede Batteriezelle auch mit steigendem Alter wenigstens näherungsweise denselben Energieinhalt aufweist. Stand der Technik ist dabei ein resistives Cell-Balancing, d. h. einer Batteriezelle mit überdurchschnittlicher Zellspannung wird ein Widerstand parallel geschaltet, um die Batteriezelle so zu entladen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die überschüssige Energie einer Batteriezelle schlicht ungenutzt in Wärme umgesetzt wird, welche zusätzliche Probleme bei der Wärmeabführung nach sich ziehen kann.A measure of the amount of energy stored in a battery cell is the so-called state of charge (SoC). From him depends among other parameters and the terminal voltage of a battery cell. The initial charge states of the battery cells when assembled into a battery will never be exactly the same. In addition, the battery cells always differ slightly in their parameters and thus also in their response of the state of charge to an externally impressed current. Due to aging of the battery cells, these differences can increase further. In a series connection of battery cells, however, there is no way to compensate for the aforementioned differences individually. From a regulatory point of view, the entire system can not be completely controlled, since one control variable, the charging current, is matched by a quantity of state variables corresponding to the number of battery cells. Therefore, it could not be ruled out during operation of such a battery without further circuit measures that the charge states of the individual battery cells are always moving away from each other. When discharging the battery, however, determines the battery cell with the lowest state of charge, the time from which the battery no electrical energy can be removed, which prevents exploitation of the maximum energy content of the battery and would cause over-dimensioning of the battery. In order to prevent an uneven discharge of the battery cells, therefore, a so-called. Cell balancing is performed, which is to ensure that each battery cell has at least approximately the same energy content with increasing age. The prior art is a resistive cell balancing, d. H. a battery cell with above-average cell voltage, a resistor is connected in parallel to discharge the battery cell so. However, this has the disadvantage that the excess energy of a battery cell is simply converted into heat unused, which can cause additional problems in heat dissipation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Um die Mängel des oben genannten Standes der Technik zu überwinden, führt die Erfindung eine Batterie mit einer Mehrzahl von zwischen einem positiven Ausgangsterminal und einem negativen Ausgangsterminal seriengeschalteten Batteriezellen, jede der Batteriezellen einen Pluspol und einen Minuspol aufweisend, und wenigstens einer Spule, einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter ein. Dabei ist der erste Schalter mit der Spule seriengeschaltet und ausgebildet, auf ein von einem Controller erzeugtes erstes Steuersignal hin die Spule zwischen den Pluspol und den Minuspol einer ersten Batteriezelle zu schalten. Der zweite Schalter weist ein mit einem Kontaktpunkt zwischen dem ersten Schalter und der Spule verbundenes erstes Ende und ein mit dem Minuspol einer zweiten Batteriezelle verbundenes zweites Ende auf und ist ausgebildet, auf ein von dem Controller erzeugtes zweites Steuersignal hin den Kontaktpunkt mit dem Minuspol der zweiten Batteriezelle zu verbinden.In order to overcome the deficiencies of the above-mentioned prior art, the invention provides a battery having a plurality of battery cells connected in series between a positive output terminal and a negative output terminal, each of the battery cells having a positive pole and a negative pole, and at least one coil, a first switch and a second switch. In this case, the first switch is connected in series with the coil and designed to switch the coil between the positive pole and the negative pole of a first battery cell in response to a first control signal generated by a controller. The second switch has a first end connected to a contact point between the first switch and the coil and a second end connected to the negative terminal of a second battery cell, and is configured to contact the negative terminal of the second in response to a second control signal generated by the controller Battery cell to connect.

Durch ein solches induktives Cell-Balancing kann elektrische Energie von einer Batteriezelle zu einer anderen (benachbarten) Batteriezelle übertragen werden, so dass die oben beschriebenen Vorteile der Angleichung der Ladezustände der einzelnen Batteriezellen erreicht werden, ohne die eine Batteriezelle mit einem größeren Energieinhalt entnommene elektrische Energie zu vergeuden. Der Einsatz des zweiten Schalters anstelle beispielsweise einer Diode besitzt den Vorteil, dass nur ein geringer Leistungsverlust beim Transfer der Energie auftritt. Eine Diode hätte den Nachteil, dass eine von der gegenüber einer typischen Zellspannung gegenüber relativ großen Schwellspannung der Diode abhängige Verlustleistung in der Diode anfiele. Durch Einsatz eines Schalters anstelle der Diode wird diese Verlustleistung deutlich verringert, weil ein geschlossener Schalter nur einen sehr geringen Leitungswiderstand aufweist.By means of such inductive cell balancing, electrical energy can be transferred from one battery cell to another (neighboring) battery cell, so that the above-described advantages of equalizing the states of charge of the individual battery cells are achieved, without the electrical energy taken from a battery cell having a larger energy content to waste. The use of the second switch instead of, for example, a diode has the advantage that only a small power loss occurs during the transfer of energy. A Diode would have the disadvantage that a dependent on a typical cell voltage relative to relatively high threshold voltage of the diode dissipation in the diode loss. By using a switch instead of the diode, this power loss is significantly reduced, because a closed switch has only a very low line resistance.

Die Batterie kann einen regelmäßigen Aufbau besitzen und eine Anzahl n Batteriezellen, wobei n eine gerade Zahl größer als 1 ist, eine Anzahl (n – 1) Spulen, eine Anzahl (n – 1) erster Schalter und eine Anzahl (n – 1) zweiter Schalter aufweisen. Jede Spule weist dabei ein erstes und ein zweites Ende auf und jedes erste Ende der Spulen ist mit einem zugeordneten Minuspol der Batteriezellen und jeder Minuspol der Batteriezellen mit einem ersten Ende der Spulen verbunden. Die (n – 1) ersten Schalter sind zwischen den Pluspol einer zugeordneten Batteriezelle und das zweite Ende einer zugeordneten Spule geschaltet. Die (n – 1) zweiten Schalter sind zwischen das zweite Ende einer zugeordneten Spule und den Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle geschaltet. Eine solche Batterie kann modular leicht an die für eine Anwendung gegebenen Anforderungen durch Wählen eines geeigneten n angepasst werden. Es ist für jede Batteriezelle möglich, Energie an eine wählbare direkt benachbarte andere Batteriezelle zu übertragen.The battery may have a regular structure and a number n of battery cells, where n is an even number greater than 1, a number (n-1) coils, a number (n-1) first switches, and a number (n-1) second Have switch. Each coil has a first and a second end and each first end of the coil is connected to an associated negative pole of the battery cells and each negative pole of the battery cells to a first end of the coil. The (n-1) first switches are connected between the positive pole of an associated battery cell and the second end of an associated coil. The (n-1) second switches are connected between the second end of an associated coil and the negative pole of an associated battery cell. Such a battery can be easily adapted to the requirements of an application by choosing a suitable one. It is possible for each battery cell to transfer energy to a selectable, directly adjacent, other battery cell.

Die Batterie kann eine Anzahl n Batteriezellen, wobei n eine gerade Zahl größer als 1 ist, eine Anzahl n erster Schalter, eine Anzahl (n – 1) zweiter Schalter, eine Anzahl (n – 1) dritter Schalter und eine Anzahl (n – 1) Spulen aufweisen. Die n ersten Schalter sind zwischen dem positiven Ausgangsterminal der Batterie und dem negativen Ausgangsterminal der Batterie seriengeschaltet und jeder von (n – 1) Verbindungspunkten zwischen einem m-ten ersten Schalter und einem (m – 1)-ten ersten Schalter ist mit dem Pluspol einer m-ten Batteriezelle über genau eine der n Spulen verbunden. Dabei nimmt m jede ganzzahlige Zahl zwischen 2 und n an. Das erste Ende eines (m – 1)-ten der (n – 1) zweiten Schalter ist mit dem (m – 1)-ten Verbindungspunkt und das zweite Ende des (m – 1)-ten der (n – 1) zweiten Schalter mit dem Minuspol der m-ten Batteriezelle verbunden. Die (n – 1) dritten Schalter weisen ein mit dem Pluspol der (m – 1)-ten Batteriezelle verbundenes erstes Ende und ein mit dem (m – 1)-ten Verbindungspunkt verbundenes zweites Ende auf und sind ausgebildet, auf ein von dem Controller erzeugtes drittes Steuersignal hin den Pluspol der (m – 1)-ten Batteriezelle mit dem (m – 1)-ten Verbindungspunkt zu verbinden. Ein Beispiel für einen solchen regelmäßigen Aufbau ist in 4 dargestellt. Im Gegensatz zum vorgenannten Ausführungsbeispiel ist es hier möglich, gleichzeitig Energie von einer Batteriezelle an beide direkt benachbarten Batteriezellen zu übertragen.The battery may include a number n of battery cells, where n is an even number greater than 1, a number n first switches, a number (n-1) second switches, a number (n-1) third switches, and a number (n-1 ) Have coils. The n first switches are connected in series between the positive output terminal of the battery and the negative output terminal of the battery, and each of (n-1) connection points between an mth first switch and a (m-1) th first switch is connected to the positive pole of one m th battery cell connected via exactly one of the n coils. Where m is any integer between 2 and n. The first end of one (m-1) th of the (n-1) second switch is at the (m-1) th connection point and the second end of the (m-1) th is the (n-1) second switch connected to the negative terminal of the mth battery cell. The (n-1) third switches have a first end connected to the positive pole of the (m-1) -th battery cell and a second end connected to the (m-1) -th connection point and formed on one of the controller third control signal generated to connect the positive pole of the (m - 1) -th battery cell with the (m - 1) -th connection point. An example of such a regular structure is in 4 shown. In contrast to the aforementioned embodiment, it is possible to simultaneously transfer energy from a battery cell to both directly adjacent battery cells.

Bevorzugt sind die zweiten Schalter bzw. ggf. die dritten Schalter als MOS-Transistoren ausgeführt. Auch die ersten Schalter können selbstredend als MOS-Transistoren ausgeführt sein. MOS-Transistoren weisen im durchgeschalteten Zustand eine geringe Drain-Source-Spannung auf, so dass die in ihnen anfallende Verlustleistung entsprechend gering ist und können nahezu verzögerungsfrei zwischen leitendem und sperrendem Zustand umgeschaltet werden.Preferably, the second switches or possibly the third switches are designed as MOS transistors. The first switches can of course be designed as MOS transistors. MOS transistors have a low drain-source voltage in the switched-through state, so that the power loss incurred in them is correspondingly low and can be switched over almost without delay between conducting and blocking state.

Bevorzugt werden MOS-Transistoren eingesetzt, die eine Body-Diode mit einer Anode und einer Kathode aufweisen, wobei die Kathode mit dem Pluspol einer jeweiligen Batteriezelle und die Anode mit dem Minuspol der jeweiligen Batteriezelle verbunden sind.Preferably, MOS transistors are used which have a body diode with an anode and a cathode, wherein the cathode is connected to the positive pole of a respective battery cell and the anode to the negative terminal of the respective battery cell.

Der Controller kann ausgebildet sein, in einer ersten Zeitperiode das erste Steuersignal an den p-ten ersten Schalter auszugeben und in einer sich an die erste Zeitperiode anschließenden zweiten Zeitperiode die Ausgabe des ersten Steuersignals zu beenden und das zweite und/oder das dritte Steuersignal an den p-ten zweiten bzw. dritten Schalter auszugeben.The controller may be configured to output the first control signal to the p-th first switch in a first time period and to terminate the output of the first control signal in a second time period subsequent to the first time period and the second and / or the third control signal to the p-th second or third switch output.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel einer solchen Batterie, welche zudem MOS-Transistoren mit Body-Diode als zweite bzw. dritte Schalter aufweist, ist der Controller ausgebildet, einen Umschaltzeitpunkt zwischen der zweiten Zeitperiode und einer auf die zweite Zeitperiode folgenden dritten Zeitperiode so zu wählen, dass ein Freilaufstrom durch den zweiten und/oder dritten Schalter während der zweiten Zeitperiode keinen Vorzeichenwechsel aufweist, und während der dritten Zeitperiode das zweite und/oder dritte Steuersignal nicht auszugeben. Dies führt dazu, dass der restliche Freilaufstrom durch die Body-Diode des am Umschaltzeitpunkt ausgeschalteten zweiten bzw. dritten Schalters fließt und diese durchschaltet. Dies hat zwar für den kurzen verbleibenden Zeitraum, bis der Freilaufstrom Null erreicht, den oben erwähnten Nachteil einer erhöhten Verlustleistung, stellt aber sicher, dass in der jeweiligen Spule kein Strom mit umgekehrten Vorzeichen fließen kann, was die aufzuladende Batteriezelle wieder entladen und dem gewünschten Cell-Balancing entgegenwirken würde. Die Verlustleistung erhöht sich zudem nur wenig, da der Zeitraum, in dem die Body-Diode des Schalters den verbleibenden Freilaufstrom führt, gegenüber der ersten Zeitperiode kurz und der Betrag des verbleibenden Freilaufstroms gegenüber demjenigen während der ersten Zeitperiode gering sind.In a particularly preferred embodiment of such a battery, which also has MOS transistors with body diode as second or third switches, the controller is designed to select a switching time between the second time period and a third time period following the second time period, in that a freewheeling current through the second and / or third switch has no sign change during the second time period, and during the third time period does not output the second and / or third control signal. As a result, the remaining freewheeling current flows through the body diode of the second or third switch, which is switched off at the switch-over time, and switches it through. Although this has for the short remaining period until the freewheeling current reaches zero, the above-mentioned disadvantage of increased power loss, but ensures that in the respective coil no current can flow in the opposite direction, which discharges the charged battery cell again and the desired cell -Balancing would counteract. The power dissipation also increases only slightly, since the period in which the body diode of the switch leads the remaining freewheeling current, compared to the first time period is short and the amount of the remaining freewheeling current compared to that during the first period of time are low.

Alle Ausführungsformen der Batterie können mit wenigstens einer mit den Batteriezellen verbundenen oder verbindbaren Zellspannungsmesseinheit ausgestattet sein, welche ausgebildet ist, eine Zellspannung der Batteriezellen zu bestimmen und an den Controller zu übermitteln. Der Controller ist dabei ausgebildet, eine Batteriezelle mit einer maximalen Zellspannung auszuwählen und eine Ladung aus der ausgewählten Batteriezelle an eine andere Batteriezelle durch geeignetes Ausgeben von ersten und zweiten Steuersignalen (bzw. ggf. dritten) Steuersignalen zu übertragen.All embodiments of the battery can be equipped with at least one cell voltage measuring unit which is connected or connectable to the battery cells and which is formed Cell voltage of the battery cells to determine and transmit to the controller. The controller is designed to select a battery cell with a maximum cell voltage and to transfer a charge from the selected battery cell to another battery cell by suitably outputting first and second control signals (or possibly third) control signals.

Ein zweiter Erfindungsaspekt führt eine Spannungsversorgungseinheit mit einem Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, einem Anschluss für wenigstens einen elektrischen Verbraucher und einem als Batterie ausgeführten elektrischen Energiespeicher ein. Erfindungsgemäß ist der Energiespeicher als Batterie gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausgeführt. Eine solche Spannungsversorgungseinheit kann in einem Inselnetz, einer Notstromversorgung oder anderen stationären Anwendungen eingesetzt werden.A second aspect of the invention introduces a power supply unit with a connection to an electrical energy supply network, a connection for at least one electrical load and an electrical energy store designed as a battery. According to the invention, the energy store is designed as a battery according to the first aspect of the invention. Such a power supply unit can be used in a stand-alone grid, an emergency power supply or other stationary applications.

Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Bewegen des Kraftfahrzeuges und einer mit dem Antriebsmotor verbundenen Batterie nach dem ersten Erfindungsaspekt. Ein solches Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein so genanntes Hybrid-Fahrzeug sein.A third aspect of the invention relates to a motor vehicle having an electric drive motor for moving the motor vehicle and a battery connected to the drive motor according to the first aspect of the invention. Such a motor vehicle may for example be a so-called hybrid vehicle.

Kurzbeschreibung der AbbildungenBrief description of the pictures

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to some illustrations of exemplary embodiments. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a first embodiment of the invention;

2A und 2B ein erstes Betriebsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 2A and 2 B a first operating method of the first embodiment of the invention;

3A und 3B ein zweites Betriebsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung; 3A and 3B a second operating method of the first embodiment of the invention;

4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 4 a second embodiment of the invention; and

5A, 5B und 5C beispielhafte Strom- und Spannungskurven für verschiedene Umschaltzeitpunkte bei einem Ausführungsbeispiel mit MOS-Transistoren als Schalter. 5A . 5B and 5C exemplary current and voltage curves for different switching times in one embodiment with MOS transistors as a switch.

Detaillierte Beschreibung der AbbildungenDetailed description of the pictures

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das erste Ausführungsbeispiel stellt eine minimale Implementierung der Erfindungsidee mit zwei Batteriezellen 10-1 und 10-2, einer Spule 11 und zwei Schaltern 12-1 und 12-2. Die Batterie von 1 erlaubt es durch die Beschaltung mit der Spule 11 und den zwei Schaltern 12-1 und 12-2, von jeder der Batteriezellen 10-1 bzw. 10-2 Energie in die jeweils andere zu übertragen. Dies wird im Folgenden anhand der 2A und 2B für den Transfer von Energie von Batteriezelle 10-2 zur Batteriezelle 10-1 und 3A und 3B für die umgekehrte Richtung erläutert. 1 shows a first embodiment of the invention. The first embodiment provides a minimal implementation of the inventive idea with two battery cells 10-1 and 10-2 , a coil 11 and two switches 12-1 and 12-2 , The battery of 1 allows it through the wiring with the coil 11 and the two switches 12-1 and 12-2 , from each of the battery cells 10-1 respectively. 10-2 To transfer energy to each other. This will be explained below on the basis of 2A and 2 B for the transfer of energy from battery cell 10-2 to the battery cell 10-1 and 3A and 3B explained for the reverse direction.

2A und 2B zeigen ein erstes Betriebsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem Energie von der Batteriezelle 10-2 zur Batteriezelle 10-1 übertragen wird. Auf diese Weise kann ein höherer Ladungsstand der Batteriezelle 10-2 gegenüber dem der Batteriezelle 10-1 ausgeglichen werden. In einer ersten Zeitperiode (2A) wird der Schalter 12-2 geschlossen, so dass ein Strom aus der Batteriezelle 10-2 durch die Spule 11 zu fließen beginnt. In einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode wird nun der Schalter 12-2 wieder geöffnet und möglichst gleichzeitig der Schalter 12-1 geschlossen. Die im Magnetfeld der Spule 11 gespeicherte und der Batteriezelle 10-2 entnommene Energie bewirkt, dass die Spule weiterhin einen Strom ausgibt, wodurch sich das Magnetfeld abbaut. Durch das Schließen des Schalters 12-1 ist die Spule nun jedoch mit dem Pluspol der Batteriezelle 10-1 verbunden, so dass der von der Spule ausgegebene Strom nun mehr als Ladestrom für die Batteriezelle 10-1 fungiert. Abgesehen von ohmschen Verlusten aufgrund nichtidealer Bauelemente kann auf diese Weise nahezu verlustfrei Energie von der Batteriezelle 10-2 zur Batteriezelle 10-1 transferiert werden, wodurch ein Cell-Balancing möglich wird, das nicht die Nachteile des resistiven Cell-Balancings des Standes der Technik aufweist. Anstelle des Schalters 12-1 könnte auch eine Diode eingesetzt werden, dies hätte jedoch höhere Verluste beim Energietransfer und eine geringere Flexibilität der Schaltung zur Folge, wie aus dem Beispiel der 3A und 3B deutlich werden wird. 2A and 2 B show a first operating method of the first embodiment of the invention, in which energy from the battery cell 10-2 to the battery cell 10-1 is transmitted. In this way, a higher charge level of the battery cell 10-2 opposite to the battery cell 10-1 be compensated. In a first period of time ( 2A ) becomes the switch 12-2 closed, leaving a current from the battery cell 10-2 through the coil 11 begins to flow. In a second time period following the first time period, the switch now becomes 12-2 opened again and as possible at the same time the switch 12-1 closed. The in the magnetic field of the coil 11 stored and the battery cell 10-2 taken energy causes the coil continues to output a current, whereby the magnetic field degrades. By closing the switch 12-1 However, the coil is now with the positive pole of the battery cell 10-1 connected, so that the current output from the coil now more than charging current for the battery cell 10-1 acts. Apart from ohmic losses due to non-ideal components can in this way almost lossless energy from the battery cell 10-2 to the battery cell 10-1 be transferred, whereby a cell balancing is possible, which does not have the disadvantages of the resistive cell balancing of the prior art. Instead of the switch 12-1 could also be a diode used, but this would have higher losses in energy transfer and less flexibility of the circuit result, as in the example of 3A and 3B will become clear.

3A und 3B zeigen ein zweites Betriebsverfahren des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zum ersten Betriebsverfahren besteht darin, dass nunmehr Energie von der Batteriezelle 10-1 zur Batteriezelle 10-2 übertragen wird. Die Erfindung bietet damit die Möglichkeit, flexibel Energie zwischen den Batteriezellen 10-1 und 10-2 in beliebiger Richtung zu übertragen. In einer ersten Zeitperiode wird nun der Schalter 12-1 geschlossen, während der Schalter 12-2 offen bleibt. Es fließt wiederum ein Strom durch die Spule 11, diesmal jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen und aus der Batteriezelle 10-1. In einer zweiten Zeitperiode wird Schalter 12-1 wieder geöffnet und Schalter 12-2 möglichst gleichzeitig geschlossen. Die im Magnetfeld der Spule 11 gespeicherte und der Batteriezelle 10-1 entnommene Energie bewirkt nun einen Ladestrom für die Batteriezelle 10-2. 3A and 3B show a second method of operation of the first embodiment of the invention. The essential difference to the first operating method is that now energy from the battery cell 10-1 to the battery cell 10-2 is transmitted. The invention thus offers the possibility of flexible energy between the battery cells 10-1 and 10-2 in any direction. In a first time period now the switch 12-1 closed while the switch 12-2 remains open. Again, a current flows through the coil 11 However, this time with the opposite sign and from the battery cell 10-1 , In a second period of time will switch 12-1 reopened and switch 12-2 closed at the same time as possible. The in the magnetic field of the coil 11 stored and the battery cell 10-1 removed energy now causes a charging current for the battery cell 10-2 ,

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mit fünf seriengeschalteten Batteriezellen ausgeführt ist, jedoch je nach Anwendungsfall mit einer beliebigen Anzahl von drei oder mehr Batteriezellen ausgeführt werden kann. Das zweite Ausführungsbeispiel besitzt einen regelmäßigen Aufbau, so dass es entsprechend einfach an eine geänderte Anzahl Batteriezellen anzupassen ist. 4 shows a second embodiment of the invention, which is carried out with five series-connected battery cells, but depending on the application with any number of three or more battery cells can be performed. The second embodiment has a regular structure, so that it is correspondingly easy to adapt to a changed number of battery cells.

Parallel zu den seriengeschalteten Batteriezellen 10-1 bis 10-5 ist eine entsprechende Anzahl erster Schalter 12-1 bis 12-5 vorgesehen, welche ebenfalls seriengeschaltet sind. Die Verbindungspunkte zwischen den ersten Schaltern 12-1 bis 12-5 sind über jeweils eine Spule 11-1 bis 11-4 mit entsprechenden Verbindungspunkten zwischen den Batteriezellen verbunden. Da die Anzahl der jeweiligen Verbindungspunkte um eins niedriger ist als die der Batteriezellen 10-1 bis 10-5 bzw. der ersten Schalter 12-1 bis 12-5, kommen dementsprechend nur vier Spulen 11-1 bis 11-4 zum Einsatz. Die Schaltung des zweiten Ausführungsbeispiels besitzt zudem zweite Schalter 13-1 bis 13-4 und dritte Schalter 14-1 bis 14-4. Es ist hierbei auch möglich, die ersten Schalter 12-1 bis 12-5 wegzulassen. Werden die ersten Schalter 12-1 bis 12-5 vorgesehen ist es jedoch möglich, von einer Batteriezelle 10-1 bis 10-5 gleichzeitig Energie an beide benachbarten Batteriezellen zu übertragen. Beispielsweise würde durch Schließen des ersten Schalters 12-3 ein Strom aus der Batteriezelle 10-3 durch die Spulen 11-2 und 11-3 fließen und in diesen entsprechende Magnetfelder aufbauen, welche dann nach Öffnen des ersten Schalters 12-3 über den zweiten Schalter 13-3 die Batteriezelle 10-4 und über den dritten Schalter 14-2 die Batteriezelle 10-2 aufladen. Durch die ersten Schalter 12-1 bis 12-5 wird somit eine schnellere Ausführung des Cell-Balancings und eine größere Flexibilität erreicht.Parallel to the series-connected battery cells 10-1 to 10-5 is a corresponding number of first switches 12-1 to 12-5 provided, which are also connected in series. The connection points between the first switches 12-1 to 12-5 are each about a coil 11-1 to 11-4 connected to corresponding connection points between the battery cells. Since the number of the respective connection points is one lower than that of the battery cells 10-1 to 10-5 or the first switch 12-1 to 12-5 Accordingly, only four coils come 11-1 to 11-4 for use. The circuit of the second embodiment also has second switches 13-1 to 13-4 and third switches 14-1 to 14-4 , It is also possible here, the first switch 12-1 to 12-5 omit. Be the first switch 12-1 to 12-5 however, it is possible to use it from a battery cell 10-1 to 10-5 to simultaneously transfer energy to both adjacent battery cells. For example, closing the first switch would 12-3 a current from the battery cell 10-3 through the coils 11-2 and 11-3 flow and build in these corresponding magnetic fields, which then after opening the first switch 12-3 over the second switch 13-3 the battery cell 10-4 and over the third switch 14-2 the battery cell 10-2 charge. Through the first switches 12-1 to 12-5 Thus, a faster execution of the cell balancing and greater flexibility is achieved.

Der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht dem des ersten Ausführungsbeispiels und soll im Folgenden anhand eines Beispiels erläutert werden, in dem die Batteriezelle 10-3 entladen werden soll. In einer ersten Zeitperiode wird der Schalter 12-3 geschlossen, wodurch ein Strom aus der Batteriezelle 10-3 durch die Spulen 11-2 und 11-3 fließt und in jeder der Spulen 11-2 und 11-3 ein Magnetfeld aufbaut. In einer zweiten Zeitperiode werden der Schalter 12-3 wieder geöffnet und möglichst gleichzeitig die Schalter 14-2 und 13-3 geschlossen. Aus der Spule 11-2 fließt so ein Aufladestrom über den Schalter 14-2 in die Batteriezelle 10-2, aus der Spule 11-3 hingegen in die Batteriezelle 10-4. Auf diese Weise kann elektrische Energie von einer Batteriezelle gleichzeitig in die beiden benachbarten Batteriezellen transferiert werden.The operation of the second embodiment corresponds to that of the first embodiment and will be explained below with reference to an example in which the battery cell 10-3 should be unloaded. In a first time period, the switch becomes 12-3 closed, creating a current from the battery cell 10-3 through the coils 11-2 and 11-3 flows and in each of the coils 11-2 and 11-3 builds up a magnetic field. In a second time period, the switch 12-3 reopened and as possible the switches at the same time 14-2 and 13-3 closed. Out of the coil 11-2 so a charging current flows through the switch 14-2 in the battery cell 10-2 , from the coil 11-3 however, in the battery cell 10-4 , In this way, electrical energy from a battery cell can be simultaneously transferred to the two adjacent battery cells.

Soll elektrische Energie von einer Batteriezelle in nur eine benachbarte Batteriezelle übertragen werden, kann wie folgt verfahren werden (wiederum am Beispiel der Batteriezelle 10-3):
In einer ersten Zeitperiode wird der Schalter 13-2 geschlossen, wodurch ein Strom aus der Batteriezelle 10-3 durch die Spule 11-2 fließt. In einer zweiten Zeitperiode wird dann der Schalter 13-2 wieder geöffnet und stattdessen der Schalter 14-2 geschlossen, wodurch ein Ladestrom aus der Spule 11-2 in die Batteriezelle 10-2 fließt. Die Batteriezelle 10-4 hingegen wird nicht aufgeladen. Alternativ kann auch Energie von der Batteriezelle 10-3 in die Batteriezelle 10-4 übertragen werden. Hierzu wird zuerst der Schalter 14-3 geschlossen, wodurch Strom aus der Batteriezelle 10-3 durch die Spule 11-3 fließt. Dann wird Schalter 14-3 geöffnet und Schalter 13-3 geschlossen, woraufhin ein Ladestrom in die Batteriezelle 10-4 fließt.If electrical energy is to be transmitted from a battery cell to only one adjacent battery cell, the following procedure can be followed (again using the example of the battery cell 10-3 ):
In a first time period, the switch becomes 13-2 closed, creating a current from the battery cell 10-3 through the coil 11-2 flows. In a second time period then the switch 13-2 reopened and instead the switch 14-2 closed, creating a charging current from the coil 11-2 in the battery cell 10-2 flows. The battery cell 10-4 however, it does not charge. Alternatively, you can also use energy from the battery cell 10-3 in the battery cell 10-4 be transmitted. To do this, first the switch 14-3 closed, removing power from the battery cell 10-3 through the coil 11-3 flows. Then will switch 14-3 opened and switch 13-3 closed, whereupon a charging current in the battery cell 10-4 flows.

Das zweite Ausführungsbeispiel von 4 erlaubt es, flexibel elektrische Energie zwischen den einzelnen Batteriezellen zu übertragen und so einen nahezu verlustfreien Ladungszustandsausgleich im Zuge des Cell-Balancing durchzuführen. Dabei ist es möglich, von einer beliebigen Batteriezelle gleichzeitig Energie in die beiden benachbarten Batteriezellen oder aber in nur eine der beiden benachbarten Batteriezellen zu übertragen. In einer weniger komplexen Variante ohne die Schalter 12-1 bis 12-5 entfällt die erstgenannte Option der gleichzeitigen Übertragung an beide benachbarten Batteriezellen, es können jedoch sequentiell Übertragungen an jede der benachbarten Batteriezellen durchgeführt werden.The second embodiment of 4 makes it possible to flexibly transfer electrical energy between the individual battery cells and thus perform a nearly lossless charge state compensation in the course of cell balancing. It is possible to transfer energy from any battery cell at the same time in the two adjacent battery cells or in only one of the two adjacent battery cells. In a less complex variant without the switches 12-1 to 12-5 the former option of simultaneous transmission to both adjacent battery cells is eliminated, but sequential transfers can be made to each of the adjacent battery cells.

5A, 5B und 5C zeigen beispielhafte Strom- und Spannungskurven für verschiedene Umschaltzeitpunkte bei einem Ausführungsbeispiel mit MOS-Transistoren als Schalter. Jeweils ein erstes Teildiagramm zeigt den mit umgekehrtem Vorzeichen aufgetragenen Drainstrom eines Schalters während der zweiten Zeitperiode T_II und einer darauf folgenden dritten Zeitperiode T_III, welcher dem Aufladestrom einer der Batteriezellen entspricht. Ein zweites Teildiagramm zeigt die jeweils resultierende Drain-Source-Spannung des als Schalters eingesetzten MOS-Transistors. Das dritte Teildiagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Gate-Source-Spannung. Das Beispiel erfolgt für einen NMOS-Transistor, so dass während der zweiten Zeitperiode T_II der Transistor durchgeschaltet ist (positive Gate-Source-Spannung) und er während der dritten Zeitperiode T_III sperrt (Gate-Source-Spannung gleich Null). 5A . 5B and 5C show exemplary current and voltage curves for different switching times in one embodiment with MOS transistors as a switch. In each case, a first partial diagram shows the reversed sign applied drain current of a switch during the second time period T _II and a subsequent third time period T _III , which corresponds to the charging current of one of the battery cells. A second partial diagram shows the respectively resulting drain-source voltage of the MOS transistor used as a switch. The third partial diagram shows the time profile of the gate-source voltage. The example is for an NMOS transistor, so that during the second time period T _II, the transistor is turned on (positive gate-source voltage) and it blocks during the third time period T _III (gate-source voltage equal to zero).

Die 5A zeigt den optimalen Fall, bei dem die Abschaltung des Transistors in exakt dem Moment erfolgt, in dem der Drainstrom Null wird (Umschaltzeitpunkt zwischen der zweiten Zeitperiode T_II und der dritten Zeitperiode T_III). Während ein Strom fließt, liegt eine geringe negative Drain-Source-Spannung vor, die Null wird, wenn der Drainstrom ebenfalls Null erreicht. In dem Moment, in dem der Transistor abgeschaltet wird, entspricht die Sperrspannung der Spannung der jeweiligen parallel geschalteten Batteriezelle.The 5A shows the optimum case in which the shutdown of the transistor takes place in exactly the moment in which the drain current is zero (switching time between the second time period T _II and the third time period T _III ). While a current is flowing, there is a small negative drain-source voltage which becomes zero when the drain current also reaches zero. In the moment in which the transistor is turned off, the reverse voltage corresponds to the voltage of the respective parallel-connected battery cell.

5B erläutert den Fall, wenn die Abschaltung des Transistors erst erfolgt, nachdem der Drainstrom bereits das Vorzeichen gewechselt hat (siehe Zeitspanne t_D). Es fließt hierdurch wieder ein Strom aus der aufzuladenden Batteriezelle, so dass diese wieder etwas entladen wird und sich wieder ein Magnetfeld in der Spule aufbaut. Aufgrund des Vorzeichenwechsels des Drainstroms ändert auch die Drain-Source-Spannung ihr Vorzeichen. Erst mit dem Abschalten des Transistors wird der Drainstrom dauerhaft Null und die Drain-Source-Spannung steigt auf die Sperrspannung. Es wird deutlich, dass ein zu spätes Ausschalten vermieden werden sollte. Nun kann es schwierig sein, den optimalen Zeitpunkt für das Abschalten des Schalters sicher zu bestimmen. Es ist in einer praktischen Umsetzung der Erfindung daher ratsam, sicherheitshalber die Abschaltung kurz vor dem Nulldurchgang des Drainstromes durchzuführen. 5C zeigt die resultierenden Beispieldiagramme. 5B explains the case when the shutdown of the transistor takes place only after the drain current has already changed the sign (see time period t _D ). It flows through this again a current from the battery cell to be charged, so that it is discharged again something and builds up a magnetic field in the coil again. Due to the sign change of the drain current, the drain-source voltage changes its sign. Only with the switching off of the transistor, the drain current is permanently zero and the drain-source voltage rises to the reverse voltage. It becomes clear that switching off too late should be avoided. Now it can be difficult to safely determine the optimal time to turn off the switch. It is therefore advisable in a practical implementation of the invention, for safety's sake, to perform the shutdown shortly before the zero crossing of the drain current. 5C shows the resulting example diagrams.

Im ersten Teildiagramm ist wiederum der Drainstrom aufgetragen, welcher noch nicht Null erreicht hat, wenn der Transistor abgeschaltet wird (drittes Teildiagramm). Die Abschaltung des Transistors erfolgt um eine Sicherheitsperiode Δt vor dem Erreichen des Nullpunktes des Drainstroms. Dementsprechend hat auch die Drain-Source-Spannung noch nicht Null erreicht. Da die Spule immer noch ein Restmagnetfeld enthält, welches entladen werden muss, baut die Spule eine steigende Spannung auf, die die Body-Diode des MOS-Transistors durchschaltet, so dass während der Sicherheitsperiode Δt weiterhin ein Strom durch den Transistor fließt. Die Drain-Source-Spannung des Transistors steigt dabei sprunghaft auf die Vorwärtsspannung U_D der Diode (aufgrund der Ausrichtung der Body-Diode ist die resultierende Drain-Source-Spannung –U_D). Das vorzeitige Ausschalten des Transistors unterbindet somit nicht das Fließen des Ladestroms, stellt jedoch aufgrund der Diodeneigenschaft des ausgeschalteten Transistors sicher, dass die aufzuladende Batteriezelle nicht wieder entladen wird.The first partial diagram again plots the drain current, which has not yet reached zero when the transistor is switched off (third partial diagram). The shutdown of the transistor takes place by a safety period .DELTA.t before reaching the zero point of the drain current. Accordingly, the drain-source voltage has not yet reached zero. Since the coil still contains a residual magnetic field which must be discharged, the coil builds up a rising voltage, which turns on the body diode of the MOS transistor, so that during the safety period .DELTA.t still a current flows through the transistor. The drain-source voltage of the transistor thereby increases abruptly to the forward voltage U _{D of} the diode (due to the orientation of the body diode is the resulting drain-source voltage -U _D ). The premature switching off of the transistor thus does not prevent the charging current from flowing, but because of the diode characteristic of the switched-off transistor, ensures that the battery cell to be charged is not discharged again.

Claims

A battery having a plurality of battery cells serially connected between a positive output terminal and a negative output terminal ( 10-1 . 10-2 ), each of the battery cells ( 10-1 . 10-2 ) having a positive pole and a negative pole, and at least one coil ( 11 ), a first switch ( 12-1 ) and a second switch ( 12-2 ), the first switch ( 12-1 ) is serially connected to the coil and is configured, in response to a first control signal generated by a controller, the coil ( 11 ) between the positive pole and the negative pole of a first battery cell ( 10-1 ) and the second switch ( 12-2 ) with a contact point between the first switch ( 12-1 ) and the coil ( 11 ) connected first end and one with the negative terminal of a second battery cell ( 10-2 ) and has a second control signal generated by the controller, the contact point with the negative pole of the second battery cell (FIG. 10-2 ) connect to.

The battery of claim 1, comprising a number n of battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ), where n is an even number greater than 1, a number of (n-1) coils ( 11-1 , ..., 11-4 ), a number (n-1) first switches ( 14-1 , ..., 14-4 ) and a number (n-1) second switches ( 13-1 , ..., 13-4 ), each coil having first and second ends and each first end of the coils ( 11-1 , ..., 11-4 ) with an associated negative terminal of the battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ) and each negative pole of the battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ) with a first end of the coils ( 11-1 , ..., 114 ), the (n-1) first switches ( 14-1 , ..., 14-4 ) between the positive pole of an associated battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) and the second end of an associated coil ( 11-1 , ..., 11-4 ) and wherein the (n-1) second switches ( 13-1 , ..., 13-4 ) between the second end of an associated coil ( 11-1 , ..., 11-4 ) and the negative terminal of an associated battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) are switched.

The battery of claim 1, comprising a number n of battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ), where n is an even number greater than 1, a number n first switch ( 12-1 , ..., 12-5 ), a number (n-1) second switch ( 13-1 , ..., 13-4 ), a number (n-1) third switch ( 14-1 , ..., 14-4 ) and a number (n-1) coils ( 11-1 , ..., 11-4 ), where the n first switches ( 12-1 , ..., 12-5 ) are serially connected between the positive output terminal and the negative output terminal, and each of (n-1) connection points between an m-th first switch ( 12-1 , ..., 12-5 ) and a (m-1) -th first switch ( 12-1 , ..., 12-5 ) with the positive pole of an mth battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) over exactly one of the n coils ( 11-1 , ..., 11-4 ), where m takes any integer number between 2 and n, the first end of a (m-1) -th of the (n-1) second switch ( 13-1 , ..., 13-4 ) with the (m-1) -th connection point and the second end of the (m-1) -th of the (n-1) second switch ( 13-1 , ..., 13-4 ) with the negative pole of the mth battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) and wherein the (n-1) third switch ( 14-1 , ..., 14-4 ) with the positive pole of the (m - 1) -th battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) and having a second end connected to the (m-1) -th connection point, and being formed, in response to a third control signal generated by the controller, the positive pole of the (m-1) -th battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) to the (m - 1) -th connection point.

The battery of any one of the preceding claims, wherein the first ( 12-1 ; 12-1 , ..., 12-5 ), second switch ( 12-2 ; 13-1 , ..., 13-4 ) and / or third switch ( 14-1 , ..., 14-4 ) are designed as MOS transistors.

The battery of claim 4, wherein the MOS transistors comprise a body diode having an anode and a cathode, the cathode being connected to the positive pole of a respective battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) and the anode with the negative pole of the respective battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) are connected.

The battery of one of the preceding claims, with which the controller is designed, in a first time period, the first control signal to the p-th first switch ( 12-1 ; 12-1 , ..., 12-5 ) and to terminate the output of the first control signal in a second time period subsequent to the first time period, and to terminate the second and / or the third control signal at the pth second ( 12-2 ; 13-1 , ..., 13-4 ) or third switch ( 14-1 , ..., 14-4 ).

The battery of claim 6, when dependent on claim 5, wherein the controller is configured to select a switching time between the second time period and a third time period following the second time period such that a free-wheeling current through the second ( 12-2 ; 13-1 , ..., 13-4 ) and / or third switch ( 14-1 , ..., 14-4 ) has no sign change during the second time period, and during the third time period does not output the second and / or the third control signal.

The battery of one of the preceding claims, with at least one of the battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ) connected or connectable cell voltage measuring unit, which is formed, a cell voltage of the battery cells ( 10-1 , ..., 10-5 ) and to communicate to the controller, wherein the controller is designed, a battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) with a maximum cell voltage and a charge from the selected battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) to another battery cell ( 10-1 , ..., 10-5 ) by suitably outputting first and second control signals.

A power supply unit with a connection to an electrical energy supply network, a connection for at least one electrical load and a battery designed as an electrical energy storage, characterized in that the energy store is designed as a battery according to one of the preceding claims.

A motor vehicle having an electric drive motor for moving the motor vehicle and a battery connected to the drive motor according to one of claims 1 to 8.