DE102012200872A1 - Batterieschaltvorrichtung, Batterie und Kraftfahrzeug mit denselben - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Batterieschaltvorrichtung (100) beschrieben, mit einem Schaltelement (114, 116, 118) zum Schalten einer Batterie (126, 128), insbesondere einer Traktionsbatterie und einem ersten Sensorelement (106, 108) zum Messen eines Ladestroms oder Entladestroms der Batterie (126, 128). Das erste Sensorelement (106, 108) umfasst einen Shunt-Widerstand (106). Die Batterieschaltvorrichtung (100) umfasst außerdem eine Steuereinrichtung (120), die den gemessenen Ladestrom oder den gemessenen Entladestrom auswertet und in Abhängigkeit davon das Schaltelement (114, 116, 118) steuert. Bei der Batterieschaltvorrichtung (100) sind das Schaltelement (114, 116, 118), das erste Sensorelement (106, 108) und die Steuereinrichtung (120) auf einer Platine (102) integriert. Ferner wird eine Batterie (126, 128), umfassend eine Batteriezelle (128), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (128), mit einer Batteriemanagementeinheit (124) und der Batterieschaltvorrichtung (100) vorgeschlagen. Außerdem wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie (126, 128) und der Batterieschaltvorrichtung (100) vorgeschlagen, wobei die Batterie (126, 128) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieschaltvorrichtung mit einem Schaltelement, einem Sensorelement und einer Steuereinrichtung.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Batterie mit einer Batteriemanagementeinheit und der Batterieschaltvorrichtung, wobei die Batterie eine Batteriezelle und insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie und der Batterieschaltvorrichtung. Dabei ist unter einer Batteriezelle und auch unter einer aus Batteriezellen zusammengesetzten Batterie jeweils ein Akkumulator zu verstehen, der elektrisch ladbar und wieder entladbar ist. Die Batteriezelle ist dabei eine einzelne galvanische Zelle, die je nach Kombination der Materialien der Elektroden der Zelle eine charakteristische Spannung liefert. Zum Aufbau einer Batterie aus mehreren Batteriezellen werden diese elektrisch in Serie oder parallel geschaltet.
  • Stand der Technik
  • Es sind Lithium-Ionen Batterien bekannt, die als wiederaufladbare Energiespeicher in tragbaren Elektronikgeräten, etwa Mobiltelefone, Anwendung finden. Auch zum Antrieb von Kraftfahrzeugen sind Lithium-Ionen-Batterien geläufig und werden als Antriebs- oder Traktionsbatterien bezeichnet. Ferner sind Bleiakkumulatoren, insbesondere als Starterbatterien für Verbrennungsmotoren, bekannt.
  • Zum Schutz solcher Batterien vor Beschädigungen, wie Kurzschluss oder Tiefentladung, sind Batterie-Trenneinheiten (engl. Battery Disconnect Units) gebräuchlich. Gängige Trenneinheiten umfassen zwei Schütze, ein Schütz je Batteriepol, um die Batterie im Fehlerfall von Verbrauchern oder Ladeeinrichtungen zu trennen. Schütze sind bekanntermaßen Relais-ähnliche elektromechanische Schalter für hohe Leistungen.
  • Aus der DE 198 55 245 A1 sind außerdem zwei transistorierte Trennmodule mit Abschaltfunktion bekannt, die einen Verbraucher mit einer ersten und einer zweiten Batterien verbinden. Diese Trennmodule können, extern angesteuert oder bei hoher Strombelastung selbstständig schaltend, einen Verbraucher von der ersten Batterie trennen und gleichzeitig die Versorgung aus der zweiten, redundanten, Batterie aufrechterhalten. Die Trennmodule wurden in einer räumlich geschlossenen Anordnung in der Nähe eines Batteriepols oder direkt als Batteriestecker realisiert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Batterieschaltvorrichtung zur Verfügung gestellt, mit einem Schaltelement zum Schalten einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie; einem ersten Sensorelement zum Messen eines Ladestroms oder Entladestroms der Batterie, wobei das erste Sensorelement einen Shunt-Widerstand umfasst; und einer Steuereinrichtung, die den gemessenen Ladestrom oder den gemessenen Entladestrom auswertet und in Abhängigkeit davon das Schaltelement steuert, wobei das Schaltelement, das erste Sensorelement und die Steuereinrichtung auf einer Platine integriert sind.
  • Eine Batterie, umfassend eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, weist ein Batteriemanagementsystem und die erfindungsgemäße Batterieschaltvorrichtung auf.
  • Außerdem umfasst ein Kraftfahrzeug eine Batterie und die erfindungsgemäße Batterieschaltvorrichtung, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Batterieschaltvorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass alle Bauelemente auf einer einzelnen Platine integriert sind. Die Batterieschaltvorrichtung kann dadurch kompakter und preiswerter als herkömmliche Trennmodule hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist insbesondere die Integration der Steuereinrichtung, dadurch kann die erfindungsgemäße Batterieschaltvorrichtung eine intelligente Einheit bilden.
  • Die Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise eine Mess- bzw. Diagnosefunktion sowie eine Auswertefunktion für Batteriemessdaten, z. B. Lade- und Entladestrom.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Schaltelement einen MOSFET umfassen, das heißt einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor bzw. einen anderen halbleiterbasierten Transistor. Solche Schaltelemente sind gegenüber einem herkömmlichen Schütz im Allgemeinen preiswerter und platzsparender. MOSFETs können vorteilhaft bei Spannungen von beispielsweise kleiner gleich sechzig Volt eingesetzt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Schaltelement wenigstens zwei parallel geschaltete Schalter, insbesondere wenigstens zwei parallel geschaltete MOSFETs umfassen. Die Parallelschaltung zweier oder mehrerer MOSFETs erzielt im eingeschalteten bzw. durchgeschalteten Zustand im Wesentlichen einen niedrigen Widerstand und damit eine am Schaltelement geringe Verlustleistung.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Shunt-Widerstand in das Material der Platine integriert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Stromschiene auf der Platine integriert sein. Die beiden vorgenannten Ausführungsformen ermöglichen Kosteneinsparungen und können zu einer kompakten Bauform der erfindungsgemäßen Batterieschaltvorrichtung beitragen.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Batterieschaltvorrichtung ein zweites Sensorelement zum Messen des Ladestroms oder Entladestroms umfassen, das auf der Platine integriert ist. Vorteilhafterweise ist dabei eine Messung des ersten Sensorelements verifizierbar. Auch kann eine höhere Messsicherheit als bei herkömmlichen Trennmodulen erreicht werden.
  • Das zweite Sensorelement kann gemäß einer weiteren Ausführungsform einen Hall-Sensor umfassen, der auf der Stromschiene angeordnet ist. Hall-Sensoren, auch Hall-Sonden oder Hall-Geber genannt, sind im Wesentlichen Halbleiterplättchen, die ein Magnetfeld detektieren können. Hall-Sensoren können insbesondere konstante Magnetfelder und dadurch Gleichströme detektieren.
  • Die Anordnung des zweiten Sensorelements ermöglicht eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Batterieschaltvorrichtung. Außerdem sind Hall-Sensoren im Allgemeinen preisgünstiger und platzsparender als beispielsweise ein weiterer Stromsensor mit Shunt-Widerstand.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Platine mit einem Verguss versehen sein, das heißt, insbesondere sind die Platine und die darauf integrierten Bauelemente beispielsweise mit einem Gießharz umhüllt. Der Verguss kann die Platine und die darauf integrierten Bauelemente vor dem Eindringen von Feuchtigkeit, Staub, Fremdkörpern, Wasser usw. schützen. Außerdem kann der Verguss die elektrische Isolation, das heißt die Spannungsfestigkeit, und den Berührungsschutz erhöhen. Der Verguss kann ferner für eine bessere Fixierung der Bauelemente und für mechanische Stabilität sorgen, sowie eine Erhöhung der Vibrations- und Schockfestigkeit der erfindungsgemäßen Batterieschaltvorrichtung bewirken.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine erfindungsgemäße Batterieschaltvorrichtung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist eine Batterieschaltvorrichtung 100 gezeigt, die eine einzelne Platine 102 umfasst. Auf der Platine 102 ist eine Stromschiene 104 angeordnet bzw. integriert. In das Material der Platine 102 ist ein Shunt-Widerstand 106 integriert. Der Shunt-Widerstand 106 ist zur Stromschiene 104 in Reihe geschaltet und wirkt als erstes Sensorelement 108. Auf der Stromschiene 104 ist außerdem ein Hall-Sensor 110 angeordnet, der als zweites Sensorelement 112 wirkt. Außerdem sind auf der Platine 102 zwei parallel geschaltete MOSFETs 114, 116 angeordnet, die zusammen das Schaltelement 118 bilden. Das erste Sensorelement 108, das zweite Sensorelement 112 und das Schaltelement 118 sind mit einer Steuereinrichtung 120 verbunden. Die Steuereinrichtung 120 ist auf der Platine 102 angeordnet. Die Steuereinrichtung 120 ist außerdem mit einem Kommunikationsmodul 122 verbunden, das z. B. als CAN (Controller Area Network) Modul ausgebildet ist. Das Kommunikationsmodul 122 ist auf der Platine 102 angeordnet und kann mit einer extern angeordneten Batteriemanagementeinheit 124 kommunizieren. Die Steuereinrichtung 120 und das Kommunikationsmodul 122 können einzeln ausgebildet oder zusammen in einem Mikrocontroller integriert sein.
  • Das erste Sensorelement 108, das zweite Sensorelement 112, das Schaltelement 118, die Steuereinrichtung 120 und die Stromschiene 104 sind auf der Platine 102 angeordnet bzw. integriert und bilden zusammen die Batterieschaltvorrichtung 100. Die Batterieschaltvorrichtung 100 ist durch diese Integration kompakter und preiswerter herstellbar als herkömmliche Trennmodule.
  • Die Stromschiene 104 verbindet das erste Sensorelement 108, das zweite Sensorelement 112 und das Schaltelement 118 in Reihe miteinander. Die Stromschiene 104 ist außerdem mit einer Lithium-Ionen-Batterie 126 verbunden. Die Lithium-Ionen-Batterie 126 weist mehrere einzelne Lithium-Ionen-Batteriezellen 128 auf. Die Lithium-Ionen-Batterie 126 weist beispielsweise eine Nennspannung von kleiner gleich sechzig Volt auf, das heißt eine Sicherheitskleinspannung (engl. Safety Extra Low Voltage).
  • Die Batterieschaltvorrichtung 100 ist in Reihe mit der Batterie 126 und einem Verbraucher und/oder einer Ladeeinrichtung geschaltet.
  • Das erste Sensorelement 108 misst den Lade- und/oder Entladestrom der Lithium-Ionen-Batterie 126. Dazu wertet die Steuereinrichtung 120 die Spannung über dem Shunt-Widerstand 106 aus und ermittelt daraus den Lade- oder Entladestrom. Wenn der gemessene Lade- oder Entladestrom eine vorbestimmte Schwelle erreicht oder überschreitet, steuert die Steuereinrichtung 120 beide MOSFETs 114, 116 im Schaltelement 118 derart an, dass diese den Stromkreis der Lithium-Ionen-Batterie 126 unterbrechen. Dadurch schützt die Batterieschaltvorrichtung die Batterie wirksam vor z. B. Beschädigung oder Tiefentladung. Auch kann die Steuereinrichtung 120 von der Batteriemanagementeinheit 124 aus anderen Gründen angewiesen werden, die Lithium-Ionen-Batterie 126 von einem Verbraucher oder einer Ladeeinrichtung zu trennen oder mit diesen zu verbinden. Die Batterieschaltvorrichtung 100 kommt dabei ohne mehrere, große und teure Schütze aus. Die Batterieschaltvorrichtung 100 kann vielmehr durch ihre kompakte und integrierte Bauweise preisgünstig hergestellt und platzsparend ausgeführt und beispielsweise in die Lithium-Ionen-Batterie 126 integriert werden.
  • Wenn die Steuereinrichtung 120 die beiden MOSFETs 114, 116 derart steuert, dass sie durchgeschaltet sind, kann durch die Parallelschaltung der MOSFETs der Durchgangswiderstand des Schaltelements 118 verringert werden, so dass eine geringere Verlustleistung im Stromkreis der Lithium-Ionen-Batterie 126 entsteht.
  • Die Batterieschaltvorrichtung 100 kann durch ihre preisgünstige Herstellbarkeit, platzsparende Bauweise und integrierte intelligente Steuerung beispielsweise bei einem kleinen Elektroantrieb für Elektromotorroller oder bei einem Micro-Hybrid, z. B. einem Bremsenergierückgewinnungssystem oder einer Start/Stop-Automatik, Anwendung finden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19855245 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Batterieschaltvorrichtung (100) mit: einem Schaltelement (114, 116, 118) zum Schalten einer Batterie (126, 128), insbesondere einer Traktionsbatterie; einem ersten Sensorelement (106, 108) zum Messen eines Ladestroms oder Entladestroms der Batterie (126, 128 ), wobei das erste Sensorelement (106, 108) einen Shunt-Widerstand (106) umfasst; und einer Steuereinrichtung (120), die den gemessenen Ladestrom oder den gemessenen Entladestrom auswertet und in Abhängigkeit davon das Schaltelement (114, 116, 118) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (114, 116, 118), das erste Sensorelement (106, 108) und die Steuereinrichtung (120) auf einer Platine (102) integriert sind.
  2. Batterieschaltvorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei welcher das Schaltelement (114, 116, 118) einen MOSFET (114, 116) umfasst.
  3. Batterieschaltvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Schaltelement (114, 116, 118) wenigstens zwei parallel geschaltete Schalter umfasst, insbesondere wenigstens zwei parallel geschaltete MOSFETs (114, 116).
  4. Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Shunt-Widerstand (106) in das Material der Platine (102) integriert ist.
  5. Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Stromschiene (104) auf der Platine (102) integriert ist.
  6. Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zweiten Sensorelement (110, 112) zum Messen des Ladestroms oder Entladestroms, das auf der Platine (102) integriert ist.
  7. Batterieschaltvorrichtung (100) nach Anspruch 5 und 6, bei welcher das zweite Sensorelement (110, 112) einen Hall-Sensor (110) umfasst, der auf der Stromschiene (104) angeordnet ist.
  8. Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Platine (102) mit einem Verguss versehen ist.
  9. Batterie (126, 128), umfassend eine Batteriezelle (128), insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (128), mit einer Batteriemanagementeinheit (124) und einer Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Batterie (126, 128) und einer Batterieschaltvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie (126, 128) mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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