DE102011002618A1

DE102011002618A1 - Batteriezelle mit integrierter Zellelektronik

Info

Publication number: DE102011002618A1
Application number: DE102011002618A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Es wird ein Batteriezellmodul (30) mit einer Batteriezelle (1) und einer integrierten Zellelektronik (50) eingeführt. Die Zellelektronik (50) ist mit der Batteriezelle (1) verbunden und ausgebildet, eine Zellspannung der Batteriezelle (1) zu erfassen und mit einer Vergleichsspannung zu vergleichen. Außerdem ist die Zellelektronik (50) dazu ausgebildet, abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs einen Entladestrom aus der Batteriezelle (1) fließen zu lassen. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellmodule (30), ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Batterie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriezellmodul mit integrierter Zellelektronik und eine Batterie mit einer Mehrzahl solcher Batteriezellmodule.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Der Ausfall einer Batteriezelle kann wegen der Serienschaltung zum Ausfall der Batterie und dieser wiederum zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, weshalb insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Batterie gestellt werden. Um den Zustand der Batterie und der einzelnen Batteriezellen möglichst genau erfassen und so einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, werden neben anderen Parametern der Batterie beziehungsweise Batteriezellen insbesondere auch die Spannungen der Batteriezellen regelmäßig gemessen. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren bekannt, die ein so genanntes Cell-Balancing durchführen, also die Ladungszustände der verschiedenen Batteriezellen einer Batterie einander anzugleichen suchen, was sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Die Batterie ist hierzu üblicherweise mit Einheiten ausgestattet, die die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen sowie optional weitere Messgrößen wie Batterietemperatur und Batteriestrom bestimmen und an eine zentrale Steuereinheit (beispielsweise einen Mikrocontroller) übermitteln. Die Steuereinheit berechnet aus den übermittelten Messdaten für jede Batteriezelle einen jeweiligen Ladungszustand und erzeugt die für die Durchführung des Cell-Balancings notwendigen Steuersignale, welche in der Batterie den Ladungsausgleich unter den Batteriezellen bewirken, indem beispielsweise Batteriezellen mit einem höheren Ladungszustand teilweise entladen werden. Mehrere der mit den Batteriezellen verbundenen Mess- und Balancing-Einheiten werden üblicherweise in einem Integrierten Schaltkreis (IC) zusammengefasst, welcher auf einer Platine (Printed Circuit Board, PCB) angeordnet ist. Dies erfordert jedoch die Anbindung der Platine an die Batteriezellen über Kabel- und Steckverbindungen, was aufgrund des zu betreibenden Aufwandes nachteilig ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher ein Batteriezellmodul mit einer Batteriezelle und einer integrierten Zellelektronik eingeführt. Die Zellelektronik ist mit der Batteriezelle verbunden und ausgebildet, eine Zellspannung der Batteriezelle zu erfassen und mit einer Vergleichsspannung zu vergleichen. Außerdem ist die Zellelektronik dazu ausgebildet, abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs einen Entladestrom aus der Batteriezelle fließen zu lassen.
Die Erfindung bietet durch die Integration der Zellelektronik zusammen mit der Batteriezelle zu einem Batteriezellmodul eine preiswert zu fertigende Alternative, bei der beim Aufbau einer Batterie mit mehreren seriengeschalteten Batteriezellen der Aufwand für die elektrischen Verbindungen zwischen der Elektronik (Mess- und Balancing-Einheiten) und den Batteriezellen minimiert wird und die Notwendigkeit für eine Platine entfällt. Insbesondere wird es hierdurch auch möglich, die Zellelektroniken durch Bonding-Verfahren miteinander zu verbinden, indem die elektrischen Verbindungen in Form von Bond-Drähten direkt auf entsprechende Kontaktflächen auf der Oberfläche der Batteriezellmodule aufgelötet werden. Dabei kann die Zellelektronik auf einem Keramikträger oder dergleichen angeordnet werden, welcher wiederum mit der Batteriezelle verbunden wird.
Außerdem ist vorteilhaft, dass die beim Betrieb der Zellelektronik entstehende Wärme gleichmäßig über die gesamte Batterie verteilt anfällt, so dass die Batteriezellen in näherungsweise gleichem Maße erwärmt werden. Da die Zelltemperatur die elektrischen Parameter einer Batteriezelle beeinflusst, bedingt eine gleichmäßigere Verteilung der Abwärme auch einen besseren Gleichlauf der elektrischen Parameter der Batteriezellen.
Bevorzugt ist die Zellelektronik außerdem ausgebildet, einen Vergleichsstrom zu empfangen und in die Vergleichsspannung zu wandeln. Ein Vergleichsstrom lässt sich einfacher unbeeinflusst durch Kontaktwiderstände und Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Zellelektroniken übertragen, andererseits ist ein Vergleich der Zellspannung mit einem Vergleichswert in derselben physikalischen Dimension vorteilhaft.
Die Zellelektronik ist besonders bevorzugt ausgebildet, den Entladestrom fließen zu lassen, wenn ein Betrag der Zellspannung der Batteriezelle größer als ein Betrag der Vergleichsspannung ist. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Vergleichsspannung einer minimalen Zellspannung aller Batteriezellen einer Batterie, an welche im Zuge des Cell-Balancings die Zellspannung der jeweiligen Batteriezelle angeglichen werden soll. Die Zellelektronik kann hierbei in einer besonders vorteilhaften Ausführung, in der die Zellelektronik einen Vergleichsstrom empfängt, Schaltelemente enthalten, die den Vergleichsstrom reduzieren und an ein anderes Batteriezellmodul weitergeben, wenn die erfasste Zellspannung der Batteriezelle geringer als die Vergleichsspannung ist. Hierbei können mehrere Zellelektroniken zu einem Regelkreis zusammengeschaltet werden.
Die Zellelektronik kann auch ausgebildet sein, den Entladestrom fließen zu lassen, wenn ein Betrag der Zellspannung der Batteriezelle größer als ein Betrag der Vergleichsspannung zuzüglich einer Schwellspannung ist. In diesem Fall wird das Cell-Balancing erst vorgenommen, wenn die Zellspannung der jeweiligen Batteriezelle mindestens um einen bestimmten Betrag größer ist als die kleinste Zellspannung aller Batteriezellen. Dies vermeidet einen unnötig großen Verlust an Batteriekapazität, weil andernfalls fortlaufend eine Batteriezelle durch das Cell-Balancing zusätzlich entladen würde.
Die Zellelektronik besitzt vorzugsweise einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang und ist ausgebildet, den ersten Ausgang hochohmig zu schalten, wenn die Vergleichsspannung größer als die erfasste Zellspannung ist, und andernfalls den zweiten Ausgang hochohmig zu schalten. Diese Ausführungsform erlaubt besonders einfach die Kaskadierung mehrerer Batteriezellmodule zu einem Regelkreis, indem einer der Ausgänge mit einem Eingang für die Vergleichsspannung eines anderen Batteriezellmoduls verbunden wird.
Die Batteriezellen sind bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellmodulen gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt und einer Auswerteelektronik ein. Dabei sind ein erstes Batteriezellmodul der Batteriezellmodule mit der Auswerteelektronik und einem benachbarten der verbleibenden Batteriezellmodule und jedes verbleibende der Batteriezellmodule nur mit direkt benachbarten Batteriezellmodulen durch elektrische Verbindungen verbunden. Die Batterie der Erfindung lässt sich durch eine minimale Anzahl von elektrischen Verbindungen und insbesondere durch elektrische Verbindungen über nur relativ kurze Distanzen verwirklichen.
Besonders bevorzugt sind die elektrischen Verbindungen durch Bond-Drähte verwirklicht.
Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie ist ein Eingang für den Vergleichsstrom eines jeweiligen Batteriezellmoduls mit einem Ausgewählten von erstem und zweiten Ausgang eines direkt benachbarten Batteriezellmoduls oder mit der Auswerteelektronik verbunden, um die bereits oben beschriebenen Vorteile zu verwirklichen und die Zellelektroniken zu einem Regelkreis zusammenschalten zu können.
Ein dritter Aspekt der Erfindung führt ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt ein.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. In einem Vorbereitungsschritt werden dabei eine Mehrzahl von Batteriezellmodulen gemäß dem ersten Erfindungsaspekt und eine Auswerteelektronik bereitgestellt. Sodann werden die Batteriezellen der Batteriezellmodule in Reihe geschaltet und außerdem die Zellelektroniken der Batteriezellmodule, vorzugsweise durch ein Bond-Verfahren, elektrisch verbunden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Zellelektronik der Erfindung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Zellelektronik der Erfindung,
3 ein Ausführungsbeispiel einer aus mehreren erfindungsgemäßen Zellelektroniken aufgebauten Messvorrichtung,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Vergleichers und einer Entladeeinheit zum Einsatz im Rahmen der Erfindung,
5 ein Ausführungsbeispiel einer einzelnen Zellelektronik, und
6 ein Ausführungsbeispiel einer Batterie mit mehreren Batteriezellmodulen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Zellelektronik der Erfindung. In den 1 bis 3 sind Anschlusspunkte A, B, C und D markiert, an welche erfindungsgemäß weitere Schaltungselemente anzuschließen sind, für die in 4 ein Beispiel gezeigt wird. In 4 sind die den Anschlusspunkten A, B, C und D jeweils zuzuordnenden Anschlüsse durch Verwendung identischer Kennzeichnungen bezeichnet.
Eine Batteriezelle 1, welche in dem Batteriezellmodul mit der Zellelektronik verbunden ist, kann mit Batteriezellmodulen zu einem Strang in Reihe geschaltet sein. Ein erster Pol der Batteriezelle 1 ist mit einem von zwei Eingängen eines Transimpedanzverstärkers 2 verbunden. Der zweite Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 ist mit einem Anschluss eines Widerstandes 3 verbunden, dessen weiterer Anschluss wiederum mit einem verbleibenden Pol der Batteriezelle 1 verbunden ist. Der Ausgang des Transimpedanzverstärkers 2 ist mit einer Steuerelektrode eines Stromventils 4 verbunden, welches im gezeigten Beispiel als npn-Transistor ausgeführt ist. Es können jedoch auch andere Transistortypen oder auch komplexere Schaltungen als Stromventil 4 zum Einsatz kommen. Das Stromventil 4 ist zwischen den mit dem Transimpedanzverstärker 2 verbundenen Anschluss des Widerstandes 3 und die eigentliche Spannungsmessvorrichtung geschaltet, die in allen Ausführungsbeispielen nur beispielhaft gezeigt und nicht Teil der Zellelektronik ist. Diese Spannungsmessvorrichtung kann einen Referenzwiderstand 5 mit einem bekannten Widerstandswert und ein Voltmeter 6 umfassen, welches die über dem Referenzwiderstand 5 abfallende Spannung misst.
Der Transimpedanzverstärker 2 vergleicht die Zellspannung der Batteriezelle 1 mit der über dem Widerstand 3 abfallenden Spannung und erzeugt einen Ausgangsstrom, dessen Größe proportional zur Differenz der beiden Spannungen ist. Dieser Ausgangsstrom gelangt an die Steuerelektrode des Stromventils 4, an welche eine optionale Sollstromquelle 9 angeschlossen sein kann. Diese Sollstromquelle 9 führt einen konstanten Strom und dient zur Arbeitspunkteinstellung des Stromventils 4. Der Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers 2 – gegebenenfalls abzüglich des konstanten Stromes der Sollstromquelle 9 – steuert den Strom, den das Stromventil 4 passieren lässt. Je mehr Strom das Stromventil 4 passieren lässt, desto größer wird jedoch auch die Spannung, die über dem Widerstand 3 abfällt. Dies führt dazu, dass die Spannung an einem Eingang des Transimpedanzverstärkers 2 relativ zu der Spannung an dessen anderen Eingang ansteigt, wodurch die Differenz der Eingangsspannungen abnimmt und der Transimpedanzverstärker 2 auch seinen Ausgangsstrom entsprechend verringert. Fließt jedoch zu wenig Strom über den Widerstand 3, wird der Transimpedanzverstärker 2 entsprechend wieder mehr Strom an die Steuerelektrode des Stromventils 4 fließen lassen.
Es ergibt sich dadurch eine Rückkopplung, die dazu führt, dass die Spannung über dem Widerstand 3 aufgrund der Regelwirkung der den Transimpedanzverstärker 2, den Widerstand 3 und das Stromventil 4 umfassenden Regelzelle gleich der Zellspannung gehalten wird. Da die Eingänge des Transimpedanzverstärkers 2 idealerweise hochohmig ausgeführt sind, fließt der gesamte Strom, der durch den Widerstand 3 fließt, auch durch das Stromventil 4 und stellt aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Spannung, Widerstand und Strom ein exaktes Maß für die Zellspannung dar. Er könnte nun an anderer Stelle gemessen werden, wenn Interesse an seinem tatsächlichen Wert besteht, beispielsweise indem er über einen selbst nicht zur Messvorrichtung gehörenden Referenzwiderstand 5 geleitet wird und dadurch in eine Spannung umgewandelt wird, deren Höhe sich direkt aus der Zellspannung ergibt und an ihrer Stelle unabhängig von den gewöhnlich hohen und variablen Potentialen an den Batteriepolen der Batteriezelle 1 und damit gefahrlos gemessen werden kann. Hierbei ist gegebenenfalls noch ein Korrekturfaktor zu berücksichtigen, der das Verhältnis des Betrages des Widerstands 3 zu dem des Referenzwiderstandes 5 angibt. Um eine Verfälschung des vom Stromventil 4 ausgegebenen Stromes durch den Basisstrom des im gezeigten Beispiel als Bipolartransistor ausgeführten Stromventils 4 zu vermeiden, können beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Zellelektronik der Erfindung, bei dem der Transimpedanzverstärker 2 als Differenzverstärker ausgeführt ist. Der Transimpedanzverstärker 2 besitzt einen Anschluss für eine Stromquelle 10, welche einen Strom in den Differenzverstärker einprägt. Abhängig davon, welcher der beiden Transistoren 2-1 und 2-2 der beiden Zweige des Differenzverstärkers die größere Eingangsspannung erhält, wird der Strom der Stromquelle 10 entweder durch den einen Transistor oder den anderen fließen.
Der durch den Transistor 2-1 fließende Strom wird über einen Stromspiegel, der die Transistoren 2-3 und 2-4 umfasst, gespiegelt und ausgegeben. Da die Funktionsweise eines Differenzverstärkers im Stand der Technik wohlbekannt ist, wird hier nicht weiter darauf eingegangen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 1 ist das Stromventil 4 als pnp-Transistor ausgeführt, wodurch ein geringerer Ausgangsstrom des Transimpedanzverstärkers 2, ausgegeben durch den Transistor 2-4, zu einem Abfall der Spannung an der Steuerelektrode des Stromventils 4 und dadurch zu einer Erhöhung der Basis-Emitter-Spannung des als pnp-Transistor ausgeführten Stromventils führt. Die erhöhte Basis-Emitter-Spannung bewirkt wiederum einen Anstieg des Stromes durch das Stromventil 4, was im Ergebnis wieder zu der erwünschten Rückkopplung führt.
Das Stromventil 4 könnte aber auch als npn-Transistor ausgeführt sein. In diesem Falle könnte der Transistor 2-3 einfach in den anderen Zweig des Differenzverstärkers geschaltet werden (zwischen den Pluspol der Batteriezelle 1 und den Transistor 2-2).
Die Stromquelle 9 führt vorzugsweise einen Strom, der der Hälfte des Stromes der Stromquelle 10 entspricht. Im eingeschwungenen Zustand der Regelzelle wird sich der Strom der Stromquelle 10 idealerweise zu gleichen Teilen auf die beiden Zweige des Differenzverstärkers aufteilen. In diesem Fall wird auch der Transistor 2-4 einen Strom ausgeben, der der Hälfte des Stromes der Stromquelle 10 entspricht, so dass die Spannung an der Steuerelektrode des Stromventils 4 konstant bleibt. Anstelle der Stromquelle 9 könnten jedoch beispielsweise auch ein einfacher Widerstand oder andere geeignete Schaltmittel zum Einsatz kommen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer aus mehreren erfindungsgemäßen Zellelektroniken beziehungsweise Batteriezellmodulen aufgebauten Messvorrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere Regelzellen aufgebaut und kaskadiert. Die Transimpedanzverstärker 2 sind wiederum als Differenzverstärker aufgebaut, wobei jedoch der durch einen Zweig eines jeweiligen Differenzverstärkers fließende Strom als Stromquelle für den übergeordneten Differenzverstärker dient. Nur der unterste Differenzverstärker ist mit einer Stromquelle 10 verbunden, welche beispielsweise gemeinsam mit der Stromquelle 9 als Stromspiegel aufgebaut ist. Allerdings sind selbstredend auch andere Realisationsformen der Stromquellen 9 und 10 möglich. Die Stromquellen 9 und/oder 10 sind bevorzugt Teil einer für die gesamte Batterie vorgesehenen Auswerteelektronik, welche dann nur mit dem nächstliegenden Batteriezellmodul verbunden werden muss, welches dann seinerseits mit den weiteren Batteriezellmodulen kaskadiert wird. Dabei ist vorteilhaft, dass ein jeweiliges Batteriezellmodul immer nur mit seinen beiden direkten Nachbarn verbunden zu werden braucht.
Außer den Transimpedanzverstärkern 2 sind auch die Widerstände 3 kaskadiert. Da die Kaskade von Transimpedanzverstärkern aber nur einen einzigen Ausgangsstrom ausgibt, ist weiterhin nur ein Stromventil 4 vorgesehen, das als Transistor oder in einer anderen der gezeigten Arten realisiert sein kann. Auch das Stromventil 4 ist bevorzugt Teil der Auswerteelektronik. Um eine lange Verbindung von einer Zellelektronik eines obersten Batteriezellmoduls zu der Auswerteelektronik zu vermeiden, kann die Verbindung zwischen dem Transistor 2-4 und der Steuerelektrode des Stromventils 4 beispielsweise durch eine Kette von Teilverbindungen zwischen direkt benachbarten Batteriezellmodulen verwirklicht werden.
Um das Potential oberhalb jedes der Widerstände 3 an dasjenige des Pluspols der jeweils zugeordneten Batteriezelle 1 anzugleichen, ohne den Stromfluss durch die Widerstände 3 zu beeinflussen, wird außerdem bei den unteren Regelzellen eine Potentialreplikationseinrichtung vorgesehen, die beispielsweise ein Paar von komplementären Transistoren 12 und 13 umfassen kann. Um dabei den Strom durch die kaskadierten Transistoren 13 zu begrenzen, wird außerdem vorzugsweise ein Widerstand 11 vorgesehen. Anstelle der Transistoren 12 und 13 sowie des Widerstandes 11 können jedoch auch andere Schaltungen vorgesehen werden, die das Potential an den Widerständen 3 demjenigen an den Pluspolen der Batteriezellen 1 angleichen.
Der mit den Batteriezellen 1 verbundene Eingang der Differenzverstärker kann einen aus Widerständen 2-7 und 2-8 gebildeten Spannungsteiler aufweisen, da andernfalls für den obersten Differenzverstärker kein ausreichend hohes Potential an den Kollektoren beziehungsweise für den untersten Differenzverstärker an den Emittern der Transistoren 2-1 und 2-2 mehr zur Verfügung stünde.
Die Messvorrichtung von 3 besitzt die besondere Eigenschaft, dass die Zellspannungen von mehreren Batteriezellen 1 gleichzeitig gemessen werden können, wobei jedoch nur die minimale Zellspannung aller Batteriezellen 1 gemessen wird. Das heißt, dass der von der Kaskade der Differenzverstärker ausgegebene Strom bei dem Ausführungsbeispiel der 3 proportional zu der kleinsten aller Zellspannungen ist. Die Messvorrichtung der 3 kann dabei selbstredend auch für nur zwei Batteriezellmodule oder eine größere Zahl von Batteriezellmodulen ausgeführt werden.
Die minimale Zellspannung aller Batteriezellen 1 wird bestimmt, um die Zellspannungen der weiteren Batteriezellen mit der minimalen Zellspannung vergleichen und bei einer hinreichend großen Abweichung die Zellspannungen der weiteren Batteriezellen gezielt reduzieren zu können. Durch dieses Cell-Balancing werden die Ladungszustände aller Batteriezellen einander angeglichen, was sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt. Indem die Erfindung ein einfaches Mittel zur Bestimmung der minimalen Zellspannung sowie Mittel zum Vergleichen der Spannung und zum Entladen der Batteriezellen zur Verfügung stellt, kann eine Vorrichtung zum Cell-Balancing realisiert werden, welche vollständig autark innerhalb der Batterie und ohne Einbeziehung von aufwendigen Komponenten wie Mikrocontrollern und dergleichen arbeiten kann.
Die Schaltung von 3 kann auch zur Bestimmung einer maximalen Zellspannung ausgelegt werden, was beispielsweise vorteilhaft bei der Überwachung von Ladungsvorgängen ist, bei denen eine Überladung ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Zu diesem Zweck werden die Differenzverstärker in alternativer Weise verschaltet, wobei der in 3 jeweils mit dem Pol der zugehörigen Batteriezelle verbundene Zweig des Differenzverstärkers mit dem Fußpunkt des jeweils übergeordneten Differenzverstärkers und dafür der in 3 derart kaskadierte Zweig mit dem Pol der Batteriezelle verbunden wird. Um sowohl die minimale als auch maximale Zellspannung erfassen zu können, kann die Schaltung von 3 dementsprechend doppelt ausgeführt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vergleichers und einer Entladeeinheit zum Einsatz im Rahmen der Erfindung. Der Vergleicher 14 ist bevorzugt als gewöhnlicher Differenzverstärker ausgeführt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional zu einer zwischen seinen beiden Eingängen bestehenden Spannungsdifferenz ist. Aufgrund der hohen Verstärkung des Differenzverstärkers führen bereits geringe Spannungsdifferenzen zu einer Sättigung der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers, so dass diese Ausgangsspannung als binäres Steuersignal angesehen werden kann. Dieses Steuersignal wird an einen Steuereingang einer Entladeeinheit 15 ausgegeben, welche abhängig vom logischen Pegel des Steuersignals eine mit der Entladeeinheit 15 verbundene Batteriezelle entlädt oder aber einen Stromfluss zwischen den Anschlusspunkten C und D durch die Entladeeinheit 15 hindurch unterbindet. Die Entladeeinheit 15 umfasst bevorzugt einen Schalttransistor 17, welcher beispielsweise als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgeführt sein kann. Der Schalttransistor 17 wird in diesem Fall direkt durch das von dem Vergleicher 14 erzeugte Steuersignal geschaltet. Um den Stromfluss durch die Entladeeinheit 15 im Fall des Entladens der Batteriezelle zu begrenzen, ist bevorzugt ein Begrenzungswiderstand 16 vorgesehen.
Einer der Eingänge des Vergleichers 14 kann auch über eine Spannungsquelle mit dem zugeordneten Anschlusspunkt verbunden sein. Die Spannungsquelle erzeugt eine Differenzspannung, welche die Spannung an dem Eingang des Vergleichers 14 verändert. Dadurch wird der Vergleicher 14 den logischen Pegel des Steuersignals unter Berücksichtigung der Offsetspannung erzeugen. Dies bewirkt, dass eine mit dem Vergleicher 14 und der Entladeeinheit 15 verbundene Batteriezelle erst dann entladen wird, wenn die Zellspannung der Batteriezelle um mindestens die Offsetspannung größer als die minimale Zellspannung ist, wodurch fehlerhaftes Entladen durch Störeffekte wie Rauschen, Lastsprünge oder sonstige dynamische Einflüsse vermieden werden kann.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer einzelnen Zellelektronik. Die Schaltung von 3 unterteilt sich in für jede Batteriezelle gleichartige Abschnitte, die jeweils eine Zellelektronik darstellen und mit der zugeordneten Batteriezelle zu einem Batteriezellmodul integriert werden. Die Beschaltung der untersten Zellelektronik mit den Stromquellen 9 und 10 sowie dem Stromventil 4 wird bevorzugt in der Auswerteelektronik verwirklicht. Dadurch ergeben sich allein für die oberste Zellelektronik Abweichungen in Form der Transistoren 2-3, 24 sowie weiterer Schaltungselemente. Da es hinsichtlich eines möglichst ökonomischen Fertigungsprozesses nachteilig ist, spezielle Schaltungsvarianten zu fertigen, stellt 5 eine bevorzugte Ausführung einer einzelnen Zellelektronik dar, die abhängig von der externen Beschaltung in jeder der Zellelektroniken eingesetzt werden kann. Die Zellelektronik der 5 enthält dazu jedes der Schaltungselemente, die in wenigstens einer der beiden Ausführungen der Zellelektroniken enthalten sind. Eine Zuordnung der Schaltungselemente der 3 und 5 ist einfach über die Bezugszeichen möglich. Je nachdem, ob die Zellelektronik in einem obersten Batteriezellmodul oder in einem verbleibenden Batteriezellmodul eingesetzt werden soll, werden die Anschlüsse 20-1 bis 20-11 entsprechend beschaltet. Für den Einsatz in einem obersten Batteriezellmodul würden beispielsweise die Anschlüsse 20-2, 20-3 und 20-8 bis 20-11 offen gelassen oder mit einem geeigneten der Pol der Batteriezelle des obersten Batteriezellmoduls verbunden werden, um die angeschlossenen Schaltungselemente elektrisch zu neutralisieren. Bei einem verbleibenden Batteriezellmodul hingegen würden die Anschlüsse 20-4, 20-5, 20-6, 20-7 offen gelassen oder mit einem Geeigneten der Pole der zugehörigen Batteriezelle verbunden werden. Einer der mit B1 und B2 gekennzeichneten Anschlusspunkte wird entsprechend mit dem Anschlusspunkt B von 4 oder einer ähnlichen Schaltung verbunden.
Bei einer bevorzugten Variante der Zellelektronik kann auch der Kollektor des Transistors 2-1 mit einem Anschluss verbunden werden. In diesem Fall kann die Zellelektronik abhängig von der externen Verdrahtung entweder zum Bestimmen einer minimalen oder einer maximalen Zellspannung eingesetzt werden.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Batterie mit mehreren Batteriezellmodulen 30-1 bis 30-3 und einer Auswerteelektronik 40. Die Batteriezellmodule umfassen eine Batteriezelle und darauf angeordnet eine Zellelektronik 50-1 bis 50-3 und sind zu einer Batterie in Serie geschaltet. Natürlich kann eine solche Batterie eine beliebige Mehrzahl von Batteriezellmodulen enthalten, aus Gründen der Darstellung beschränkt sich 6 auf drei Batteriezellmodule. Die Auswerteelektronik 40 ist nur mit einer Zellelektronik 50-1 eines ersten Batteriezellmoduls 30-1 verbunden. Die Zellelektronik 50-1 des ersten Batteriezellmoduls 30-1 wiederum ist zusätzlich nur mit der Zellelektronik 50-2 eines direkt benachbarten Batteriezellmoduls 30-2 verbunden. Auch alle verbleibenden Batteriezellmodule sind ausschließlich mit direkt benachbarten Batteriezellmodulen verbunden, was den Verbindungsaufwand und vor allem die zu überwindenden Distanzen vorteilhaft senkt. Die elektrischen Verbindungen werden dabei bevorzugt durch Bond-Drähte oder ähnliche Verfahren verwirklicht.

Claims

Ein Batteriezellmodul (30) mit einer Batteriezelle (1) und einer integrierten Zellelektronik (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Zellelektronik (50) mit der Batteriezelle (1) verbunden und ausgebildet ist, eine Zellspannung der Batteriezelle (1) zu erfassen und mit einer Vergleichsspannung zu vergleichen und abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs einen Entladestrom aus der Batteriezelle (1) fließen zu lassen.
Das Batteriezellmodul (30) gemäß Anspruch 1, bei dem die Zellelektronik (50) außerdem ausgebildet ist, einen Vergleichsstrom zu empfangen und in die Vergleichsspannung zu wandeln.
Das Batteriezellmodul (30) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Zellelektronik (50) ausgebildet ist, den Entladestrom fließen zu lassen, wenn ein Betrag der Zellspannung der Batteriezelle (1) größer als ein Betrag der Vergleichsspannung ist.
Das Batteriezellmodul (30) gemäß Anspruch 3, bei dem die Zellelektronik (50) ausgebildet ist, den Entladestrom fließen zu lassen, wenn ein Betrag der Zellspannung der Batteriezelle (1) größer als ein Betrag der Vergleichsspannung zuzüglich einer Schwellspannung ist.
Das Batteriezellmodul (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zellelektronik (50) einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang (20-2) besitzt und ausgebildet ist, den ersten Ausgang hochohmig zu schalten, wenn die Vergleichsspannung größer als die erfasste Zellspannung ist, und andernfalls den zweiten Ausgang (20-2) hochohmig zu schalten.
Eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellmodulen (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Auswerteelektronik (40), wobei ein erstes Batteriezellmodul (30-1) der Batteriezellmodule (30) mit der Auswerteelektronik (40) und einem benachbarten (30-2) der verbleibenden Batteriezellmodule und jedes verbleibende der Batteriezellmodule (30-2, 30-3) nur mit direkt benachbarten Batteriezellmodulen durch elektrische Verbindungen verbunden sind.
Die Batterie gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei der die elektrischen Verbindungen durch Bond-Drähte verwirklicht sind.
Die Batterie gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die Batteriezellmodule (30) gemäß den Ansprüchen 2 und 5 ausgebildet sind und bei dem ein Eingang für den Vergleichsstrom eines jeweiligen Batteriezellmoduls (30) mit einem Ausgewählten von erstem und zweiten Ausgang (20-2) eines direkt benachbarten Batteriezellmoduls (30) oder mit der Auswerteelektronik (40) verbunden ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Batterie gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, mit den Schritten: Bereitstellen einer Mehrzahl von Batteriezellmodulen (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5; Bereitstellen einer Auswerteelektronik (40); elektrisches Verbinden der Batteriezellen (1) der Batteriezellmodule (30), so dass die Batteriezellen (1) in Reihe geschaltet sind; und elektrisches Verbinden der Zellelektroniken (50) der Batteriezellmodule (30), vorzugsweise durch ein Bond-Verfahren.