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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbbrückenschaltung für eine Batteriezelle oder für eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei die Halbbrückenschaltung dazu ausgebildet ist, unter Verwendung eines Schaltmittels, den Stromfluss durch die Batteriezelle(n) zu messen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2008 002 179 A1 ist es bekannt, Batteriesysteme aus mehreren identischen Speicherelementen zusammenzusetzen. Als Speicherelemente kommen dabei insbesondere wiederaufladbare elektrochemische Zellen beziehungsweise Batteriezellen in Betracht. Sofern die Batteriesysteme eine höhere Spannung aufweisen sollen als ein einzelnes Speicherelement, so wird die Spannung des Batteriesystems durch Serienschaltung einzelner Speicherelemente erhöht. Sofern das Batteriesystem eine höhere Gesamtkapazität oder eine höhere Stromlieferfähigkeit aufweisen soll als ein einzelnes Speicherelement, so werden mehrere Speicherelemente parallel miteinander verschaltet. Weiterhin sind Kombinationen aus Serien- und Parallelverschaltung gebräuchlich, bei welchen beispielsweise drei seriell miteinander verschaltete Elemente zu drei weiteren seriell miteinander verschalteten Elementen parallel geschaltet sind (3s2p-Konfiguration). Ein solches Batteriesystem weist die dreifache Spannung und die doppelte Kapazität eines einzelnen Speicherelementes auf.
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Kommt es bei solchen Batteriesystemen, die eine Vielzahl zueinander in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweisen, zu einem Fehler beziehungsweise einem Fehlverhalten einzelner Batteriezellen, so müssen diese Batteriezellen innerhalb des Batteriestrangs, in dem sie verschaltet sind, überbrückt werden, damit das Batteriesystem als Ganzes funktionstüchtig bleibt. Zu diesem Zweck werden einzelne oder mehrere Batteriezellen innerhalb sogenannter Halbbrückenschaltungen in Serie geschaltet, welche per Ansteuerung das Hinzuschalten beziehungsweise das Entkoppeln der Batteriezelle(n) von dem Batteriestrang ermöglichen.
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Eine solche Halbbrückenschaltung 20 des Standes der Technik für das wahlweise Hinzuschalten oder Entkoppeln einer Batteriezelle 14 ist in der 1 gezeigt. Dabei ist die Batteriezelle 14 innerhalb einer Halbbrückenschaltung 20 mit zwei Schaltmitteln 11, 12 innerhalb eines Batteriestrangs 18 verschaltet. Über die Ansteuerung der Schaltmittel 11, 12 kann die Batteriezelle 14 dem Batteriestrang 18 hinzugeschaltet oder von diesem entkoppelt werden. Dabei ist die Batteriezelle 14 dem Batteriestrang 18 zugeschaltet, wenn das Schaltmittel 11 geschlossen und das Schaltmittel 12 geöffnet ist. Ist hingegen das Schaltmittel 12 geschlossen und das Schaltmittel 11 geöffnet, ist die Batteriezelle 14 von dem Batteriestrang 18 entkoppelt.
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Um einen Fehler der Batteriezelle erkennen und eine Überbrückung der selbigen innerhalb des Batteriestrangs einleiten zu können, ist es unter anderem wichtig, den Strom, welcher durch die Batteriezelle fließt, zu messen. Beispielsweise aufgrund eines gemessenen Überstroms der Batteriezelle kann dann eine Überbrückung der selbigen veranlasst werden. Zur Messung des Stromes einer Batteriezelle sind dem Stand der Technik viele schaltungstechnische Realisierungsmöglichkeiten bekannt. Allerdings weisen viele dieser Realisierungsmöglichkeiten Nachteile auf. So ist beispielsweise die Verwendung eines stromdurchflossenen Strom-Shunts aus Kostengründen und aufgrund der bei Verwendung eines Strom-Shunts auftretenden hohen Verlustleistung nachteilig. Auch der Verbau von Hall-Sensoren ist sehr kostenaufwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Halbbrückenschaltung zur Verfügung gestellt, welche mindestens zwei Schaltmittel umfasst, welche dazu ausgebildet sind, mindestens eine Batteriezelle per Ansteuerung zu einem Batteriestrang hinzuzuschalten oder von diesem zu entkoppeln. Erfindungsgemäß ist die Halbbrückenschaltung unter Verwendung eines der Schaltmittel dazu ausgebildet, den Stromfluss durch die Batteriezelle zu messen.
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Auf diese Weise kann die Halbbrückenschaltung als Stromsensor mit genutzt werden. Dadurch werden die genannten Nachteile des Standes der Technik behoben, da keine teuren Bauteile zur Strommessung je Batteriezelle beziehungsweise Batteriezellgruppe mehr verbaut werden müssen. Des Weiteren kann, da die Halbbrückenschaltung bei zugeschalteter Batteriezelle ohnehin stromdurchflossen ist, die bei der Strommessung auftretende Verlustleistung stark reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zur Messung des Stromflusses verwendete Schaltmittel als Sense-FET ausgeführt, welcher einen Source-Anschluss und einen Anschluss zur Strommessung aufweist. Sense-FETs sind sehr energieeffiziente Bauteile, da sie neben der Funktion eines üblichen Feldeffekttransistors auch einen Anschluss zur Strommessung aufweisen, welcher einen Strom zur Verfügung stellt, der proportional zu dem durch den Sense-FET zwischen Drain und Source des Sense-FETs fließenden Strom ist. Durch die Verwendung von Sense-FETs kann auf Messwiderstände, Hall-Sensoren oder andere Zusatzkomponenten mit dem Zweck der Strommessung verzichtet werden.
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Vorzugsweise werden der Source-Anschluss sowie der Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs über eine externe Beschaltung auf dem gleichen elektrischen Potenzial gehalten. In einer derartigen Schaltungskonfiguration eignet sich der Sense-FET gut zu einer Strommessung.
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Bevorzugt umfasst die externe Beschaltung einen rückgekoppelten Verstärker mit einem nicht-invertierenden Eingang und einem invertierenden Eingang sowie einen auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Ausgang, wobei ein Eingang des rückgekoppelten Verstärkers mit dem Source-Anschluss und ein Eingang des invertierenden Verstärkers mit dem Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs verbunden sind. Rückgekoppelte Verstärker eignen sich aufgrund ihrer Rückkopplung des Ausgangs auf den invertierenden Eingang sehr gut zu einer Homogenisierung der an den Eingängen des rückgekoppelten Verstärkers anliegenden Potenzials. Einem zwischen dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang des rückgekoppelten Verstärkers auftretenden Spannungsabfall wird aufgrund der Rückkopplung des Ausgangs entgegengewirkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der nicht-invertierende Eingang mit dem Source-Anschluss des Sense-FETs und der invertierende Eingang mit dem Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs verbunden. Bei einer derartigen Realisierung ist die Potenzialhomogenisierung des rückgekoppelten Verstärkers gut auf die Funktion der Halbbrückenschaltung abgestimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der rückgekoppelte Verstärker als Operationsverstärker ausgeführt. Operationsverstärker sind kurzschlussfest, benötigen keine Frequenzkompensation, weisen sehr große Eingangsspannungsbereiche auf und nehmen wenig Leistung auf.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform weist der rückgekoppelte Ausgang einen Widerstand auf. Da der durch diesen, im rückgekoppelten Ausgang des invertierenden Verstärkers angeordneten Widerstand fließende Strom proportional zu dem fließenden Batteriezellstrom ist, kann der Stromfluss durch den Widerstand zur Bestimmung des Batteriezellstromes herangezogen werden.
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Bevorzugt umfasst die externe Beschaltung ferner eine Messverstärker-Schaltung, die mit dem rückgekoppelten Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers verbunden und dazu ausgebildet ist, die über dem Widerstand im rückgekoppelten Ausgang abfallende Spannung zu messen und zu verstärken. Auf diese Weise kann eine Messung des Batteriezellstroms über die über dem Widerstand im rückgekoppelten Ausgang des invertierenden Verstärkers abfallende Spannung in vorteilhafter Weise erfolgen. Mit einem Messverstärker werden elektrische Größen gefiltert, linearisiert, verstärkt und normiert, so dass sie verwertbar sind.
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In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist die Messverstärker-Schaltung als Instrumentenverstärker ausgeführt. Ein Instrumentenverstärker ist eine besonders präzise Operationsverstärker-Schaltung mit sehr hochohmigen Eingängen. Instrumentenverstärker weisen einen sehr hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand auf. Der Verstärkungsfaktor des Instrumentenverstärkers ist sehr präzise über die in diesem verbauten Widerstände einstellbar.
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Ebenfalls bevorzugt ist die Messverstärker-Schaltung als Differenzverstärker-Schaltung ausgeführt. Die Differenzverstärker-Schaltung ist eine elektronische Schaltung der Analogtechnik zur Messung von elektrischen Potenzialdifferenzen. Sie weist eine hohe Gleichtaktunterdrückung auf. Mit einer Differenzverstärker-Schaltung ist es also gut möglich, Störungen, die additiv auf den symmetrischen Signalen der beiden Eingänge einer Differenzverstärker-Schaltung vorhanden sind, zu beseitigen.
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Ferner wird eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung bereitgestellt, wobei die Batterie besonders bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgeführt ist. Vorteile solcher Batterien sind unter anderem in ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte sowie ihrer großen thermischen Stabilität gegeben. Ein weiterer Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien ist, dass diese keinem Memory Effekt unterliegen.
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Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie mit einer erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Halbbrückenschaltung des Standes der Technik für das wahlweise Hinzuschalten oder Entkoppeln einer Batteriezelle, und
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2 eine erfindungsgemäße Halbbrückenschaltung mit Sense-FET und externer Beschaltung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Halbbrückenschaltung 20 mit Sense-FET und externer Beschaltung 15 dargestellt. Innerhalb der erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung 20 ist eine nicht weiter definierte Anzahl an Batteriezellen 14 verschaltet, von denen in 2 eine dargestellt ist, während die verbleibenden Batteriezellen 14 über eine Punktlinie angedeutet sind. Diese nicht weiter definierte Anzahl an Batteriezellen 14 ist über die Halbbrückenschaltung 20 per Ansteuerung zu einem Batteriestrang 18 hinzuschaltbar beziehungsweise von diesem entkoppelbar.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei Schaltmittel 11, 12 auf, wobei das obere Schaltmittel 11 als Sense-FET und das untere Schaltmittel 12 als MOSFET ausgeführt ist. Die beiden Schaltmittel 11, 12 dienen dazu, die nicht weiter definierte Anzahl an Batteriezellen 14 wahlweise zu dem Batteriestrang 18 hinzuzuschalten beziehungsweise von diesem zu entkoppeln. Dabei sind die Batteriezellen 14 dem Batteriestrang 18 zugeschaltet, wenn das Schaltmittel 11 leitend und das Schaltmittel 12 nicht leitend ist. Ist hingegen das Schaltmittel 12 leitend und das Schaltmittel 11 nicht leitend, sind die Batteriezellen 14 von dem Batteriestrang 18 entkoppelt, das heißt innerhalb des Batteriestrangs 18 überbrückt.
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Die Ausführung und Anordnung der Schaltmittel 11, 12 innerhalb der Halbbrückenschaltung 20 ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. So kann beispielsweise auch das untere Schaltmittel 12 als Sense-FET oder als anderes Schaltmittel ausgeführt sein, welches in der Lage ist, den Stromfluss durch die Batteriezellen 14 zu messen. Auch die Ausführung des unteren Schaltmittels 12 als MOSFET ist in dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Dieses kann beispielsweise auch als bipolarer Transistor oder als Schaltmittel einer ganz anderen Art, beispielsweise als elektromechanisches Schaltmittel ausgeführt sein. Die Ansteuerung der Schaltmittel 11, 12 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel jeweils über das Gate-Terminal des MOSFETs beziehungsweise des Sense-FETs, und wird über eine in diesem Ausführungsbeispiel nicht weiter definierte logische Einheit ausgeführt.
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Das als Sense-FET ausgeführte Schaltmittel 11 weist einen Source-Anschluss sowie einen Anschluss zur Strommessung auf. Beide Anschlüsse sind mit einer externen Beschaltung 15 verbunden. Der Source-Anschluss ist dabei mit dem nicht-invertierenden Eingang eines in diesem Ausführungsbeispiel als Operationsverstärker ausgeführten rückgekoppelten Verstärkers 2 elektrisch leitend verbunden. Der invertierende Eingang dieses rückgekoppelten Verstärkers 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs verbunden. Der Ausgang 3 des rückgekoppelten Verstärkers 2 ist auf dessen invertierenden Eingang zurückgeführt beziehungsweise zurückgekoppelt.
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Aufgrund des rückgekoppelten Ausgangs 3 des rückgekoppelten Verstärkers 2 liegen sowohl der Source-Anschluss als auch der Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs auf dem gleichen elektrischen Potenzial. Sowohl die Verwendung eines rückgekoppelten Verstärkers 2 im Rahmen der externen Beschaltung 15 als auch dessen Ausführung als Operationsverstärker ist dabei rein optional und in dem Ausführungsbeispiel der 2 rein beispielhaft gewählt. Bei Verwendung eines rückgekoppelten Verstärkers 2 kann dieser auch als beliebige andere Schaltung ausgeführt sein, welche die Eigenschaften eines rückgekoppelten Verstärkers 2 aufweist beziehungsweise dessen Funktion erfüllt. Auch die Verbindung der Eingänge des rückgekoppelten Verstärkers 2 mit den Anschlüssen des Sense-FETs beziehungsweise dem strommessenden Schaltmittel ist in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt und kann von diesem abweichen. So kann beispielsweise auch der nicht-invertierende Eingang des rückgekoppelten Verstärkers 2 mit dem Anschluss zur Strommessung des Sense-FETs und der invertierende Eingang mit dem Source-Anschluss des Sense-FETs verbunden sein.
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Der rückgekoppelte Ausgang 3 des als Operationsverstärker ausgeführten rückgekoppelten Verstärkers 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Widerstand 4 auf. Eine als Instrumentenverstärker ausgeführte Messverstärker-Schaltung 5 ist jeweils unmittelbar vor und nach dem Widerstand 4 mit dem rückgekoppelten Ausgang 3 des rückgekoppelten Verstärkers 2 verbunden und dazu ausgelegt, die über dem Widerstand 4 abfallende Spannung zu messen. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Eingänge der als Instrumentenverstärker ausgeführten Messverstärker-Schaltung 5 mit den beiden Anschlüssen des im rückgekoppelten Ausgang 3 angeordneten Widerstandes 4 direkt verbunden. Der durch den Widerstand 4 fließende Strom ist dabei proportional zu dem durch die Drain-Source-Strecke des Sense-FETs fließenden Stroms und erzeugt über dem Widerstand 4 einen Spannungsabfall, der ebenfalls proportional zu dem Stromfluss durch die Drain-Source-Strecke des Sense-FETs ist. Diese Spannung wird von dem Instrumentenverstärker gemessen, verstärkt und über den Ausgang des Instrumentenverstärkers zur Auswertung an eine in dem Ausführungsbeispiel der 2 nicht weiter definierte Auswerteeinheit übermittelt. Die Ausführung der Messverstärker-Schaltung 5 als Instrumentenverstärker ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel rein beispielhaft gewählt. Die Messverstärker-Schaltung 5 kann in einer erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung 20 auch auf andere Art und Weise, beispielsweise als Differenzverstärker-Schaltung oder als eine ganz andere Schaltung ausgeführt sein. Auch die schaltungstechnische Realisierung, mit welcher die Messung beziehungsweise Verstärkung des Spannungsabfalls über dem Widerstand 4 beziehungsweise des Stromflusses durch den Widerstand 4 erfolgt, kann von der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten abweichen. Beispielsweise kann die Messverstärker-Schaltung 5 auch nur an einem Punkt mit dem rückgekoppelten Ausgang 3 verbunden sein.
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Ferner kann in einer erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung 20 auch nur eine Batteriezelle 14 innerhalb der Halbbrückenschaltung 20 verbaut und von der Halbbrückenschaltung 20 durch Ansteuerung der Schaltmittel 11, 12 zu dem Batteriestrang 18 hinzuschaltbar oder von diesem entkoppelbar sein.
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Die Ansteuerung der Schaltmittel 11, 12 kann bei einer erfindungsgemäßen Halbbrückenschaltung 20 beispielsweise über eine Steuereinheit, einen Mikrocontroller, eine Schaltlogik oder eine sonstige elektronische Einheit erfolgen. Eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Signals am Ausgang der Messverstärker-Schaltung 5 kann dabei rein beispielhaft einen Mikrocontroller, jedoch auch eine beliebige sonstige elektronische Einheit umfassen, welche in der Lage ist, eine Auswertung des gemessenen und verstärkten Signals vorzunehmen. Auch kann das Signal am Ausgang der Messverstärker-Schaltung 5 ohne Auswertung direkt verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008002179 A1 [0002]
