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Die Erfindung betrifft eine Batterie, umfassend wenigstens zwei Batteriezellen, denen jeweils eine Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und einem Entladeschalter, insbesondere einem Transistor, zugeordnet ist, sowie eine Steuereinrichtung, die zu einem Angleich der an den einzelnen Batteriezellen anliegenden Zellenspannungen aneinander durch Ansteuerung der Entladeschaltung ausgebildet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus US 2010 / 0 253 287 A1 bekannt ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie.
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Batterien, die aus mehreren Batteriezellen bestehen, sind bereits bekannt. Derartige Batterien werden beispielsweise als Hochspannungs-Batterien in Hybrid- und Elektrokraftfahrzeugen eingesetzt. Dabei liegt die Spannung einer derartigen Hochspannungs-Batterie höher als die eines üblichen, von einer Niedrigspannungsbatterie genutzten Bordnetzes.
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In einer Batterie, die mehrere Batteriezellen aufweist, kann es vorkommen, dass sich die verschiedenen Batteriezellen in ihrer Spannungslage unterscheiden. Eine Ursache hierfür kann ein häufiges Laden und Entladen sein. Bei größeren Unterschieden in den Spannungslagen führt dies zu Einschränkungen der nutzbaren Kapazität der Batterie.
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Um dem entgegenzuwirken, wurde vorgeschlagen, die Batteriezellen einem sogenannten „Balancing“ zu unterwerfen, das bedeutet, die Spannungen der einzelnen Batteriezellen werden durch Entladung der Batteriezellen mit den höheren Spannungen aneinander angeglichen. Hierfür sind Entladeschaltungen bekannt, die meist einen Entladewiderstand, häufig einen ohmschen Widerstand, und einen Entladeschalter, häufig einen Transistor, umfassen. Schließt der Transistor, kann die Batteriezelle über dem Entladewiderstand entladen werden.
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Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt dabei üblicherweise über eine Steuereinrichtung, die von Sensoren empfangene Daten zu den aktuell vorliegenden Zellenspannungen erhält und entsprechend die Transistoren ansteuert.
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Wie beschrieben, werden die Batteriezellen über die Entladewiderstände entladen. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass eine zu starke Entladung der Batteriezellen ein Sicherheitsrisiko für die Batterie darstellt. Beispielsweise kann es zu Beschädigungen kommen, nach denen die Batteriezellen nicht mehr voll aufgeladen werden können. Um zu vermeiden, dass die Batteriezellen zu stark entladen werden, müssen die gemessenen Zellenspannungen heutzutage softwareseitig ausgewertet werden. Diese Auswertung stellt jedoch hohe Anforderungen an die Sicherheit, so dass der Aufwand, derartige Software zu erstellen und zu validieren, sehr hoch ist.
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US 2011 / 0 074 355 A1 betrifft ein Balancierungssystem für Batterieeinheiten. Ein Entladekreis soll automatisch aktiviert werden, wenn eine Spannung der Batterieeinheit eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, um einen konstanten Entladestrom aus der Batterieeinheit zu ziehen, bis die Spannung der Batterieeinheit unter die vorbestimmte Schwelle fällt. Der Entladeschaltkreis kann aus einem Spannungsteilerkreis, einem Komparatorkreis und einem oder mehreren Stromquellenkreisen aufgebaut sein. Die Spannung, bis zu der entladen wird, kann programmierbar sein.
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US 7 508 165 B2 betrifft eine Zellenspannungsangleichungsvorrichtung für ein kombiniertes Batteriepack. Ein Vergleichskreis vergleicht eine Spannung an einem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen benachbarten Batteriezellen mit einer Referenzspannung und kann aufgrund des Ergebnisses einen Entladeschaltkreis aktivieren. Der Vergleichskreis wird über die Potentialdifferenz der mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt gekoppelten Zellenanschlüsse betrieben.
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WO 2011/ 146 198 A1 betrifft die Ladeangleichung bei Batteriezellen. Während des Ladevorgangs wird ein Teil des Ladestroms von einer Batteriezelle weg umgeleitet, wenn deren Spannung einen ersten Schwellwert überschreitet. Diese Umleitung wird aufrechterhalten, so lange die Zellenspannung einen zweiten Schwellwert erfüllt.
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JP 2000 -
287 370 A offenbart einen Spannungsregulierer für eine Batterie, der eine zu starke Entladung und eine zu starke Aufladung von Batteriezellen vermeiden soll. Eine Umgebungstemperatur wird durch einen Thermistor bestimmt und ein Entladen von Zellen wird unterbunden, wenn eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder unterschritten wird, auch wenn ein Komparator ein Entladesignal liefert.
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US 2010 / 0 253 287 A1 offenbart eine Balancierungsvorrichtung für ein Batteriepack, die eine Funktion zum Schutz vor Überentladung aufweist. Es ist ein Entladewiderstand vorgesehen, der über eine Entladeschalteinheit zugeschaltet wird. Die Entladeschalteinheit wird betrieben, indem bei vorliegendem Entladesignal eines Steuerprozessors die Ladespannung der Batterie als Schaltspannung an die Entladeschalteinheit gegeben wird. Die Entladeschalteinheit weißt eine Schließspannung auf, die so gewählt ist, dass die Entladeschalteinheit bei zu niedriger Ladespannung der Batterie öffnet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Reduzierung des Softwareaufwandes anzugeben, die trotzdem ein Unterschreiten einer kritischen Zellenspannung durch eine Batteriezelle vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Batterie der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Funktionalität, die ein Unterschreiten einer kritischen Grenzspannung an einer Batteriezelle vermeidet, gänzlich als eine Hardwarelösung, nämlich die Zusatzschaltung, zu realisieren. Es sind mithin entsprechende, softwarefreie Bauelemente vorgesehen, durch die die für die Entladung zuständigen Entladeschalter, insbesondere Transistoren, automatisch abgeschaltet werden, wenn die kritische Grenzspannung unterschritten wird. Auf diese Weise kann eine Überwachung in der Software der Steuereinrichtung vollständig entfallen.
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Das hat den Vorteil, dass keine sicherheitsrelevante Überwachung der Spannungen durch eine Software notwendig ist. Zusatzschaltungen können, insbesondere in den im Folgenden dargestellten konkreten Ausführungsformen, leicht realisiert werden. Jede Batteriezelle wird einzeln überwacht und bei Unterschreitung der kritischen Grenzspannung wird das „Balancing“ vollkommen automatisch nur für diese Batteriezelle abgeschaltet.
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Es ist vorgesehen, dass bei einem bei Unterschreiten eines Schwellwerts für eine Schaltspannung, insbesondere eine Gate-Spannung an einem Transistor, öffnenden Entladeschalter die Zusatzschaltung die Zellenspannung in eine als Schaltspannung zu nutzende Ausgangsspannung umsetzt. Ein Transistor als Schalter schließt beispielsweise, wenn die Gate-Spannung als Schaltspannung einen Schwellwert überschreitet. Sinkt die Gate-Spannung wieder unter den Schwellwert, öffnet der Transistor wieder. Entsprechend kann die Zusatzschaltung so ausgelegt werden, dass die Zellenspannung, die ja die kritische Grenzspannung nicht unterschreiten soll, derart in die Schaltspannung umgesetzt wird, dass bei Gefahr einer zu starken Entladung der Entladeschalter, konkret der Transistor, wieder öffnet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Bauteile der Zusatzschaltung so dimensioniert sind, dass bei Abfallen der Zellenspannung auf oder unter die kritische Grenzspannung die Ausgangsspannung den Schwellwert für die Schaltspannung unterschreitet.
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In einer ersten, vorteilhaften, konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschaltung einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen aufweist, wobei die Ausgangsspannung an einem Widerstand abgegriffen wird. Spannungsteiler sind bereits bekannt und können besonders einfach realisiert werden. Die Höhe der verschiedenen Widerstände wird dann so angepasst, dass dann, wenn die Zellenspannung die kritische Grenzspannung erreicht bzw. zu unterschreiten droht, auch der Schwellwert für die Schaltspannung unterschritten wird.
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In einem bevorzugten zweiten, konkreten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Zusatzschaltung eine Reihenschaltung einer Zenerdiode und eines Widerstands aufweist, wobei die Ausgangsspannung an dem Widerstand abgegriffen wird. Gegenüber dem zuvor diskutierten Spannungsteiler hat eine Zusatzschaltung mit einer Zenerdiode den Vorteil, dass der Abschaltpunkt, das bedeutet, der Zeitpunkt, an dem die Ausgangsspannung als Schaltspannung den Schwellwert unterschreitet, genauer festgelegt und eingehalten werden kann.
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Schließlich ist es in einer weiteren, weniger bevorzugten, dritten konkreten Ausführungsbeispiel auch denkbar, dass die Zusatzschaltung wenigstens einen Komparator aufweist. Auch über Komparatoren lässt sich mithin eine Zusatzschaltung realisieren, die jedoch im Vergleich zu den zuvor genannten Ausführungsbeispielen aufwändiger ist.
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Bei allen diesen Ausführungsbeispielen ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zum Verwenden des Potentials an dem positiven Pol und des Potentials an dem negativen Pol der Batteriezelle als Steuersignale zum Entladen oder Nichtentladen über die Entladeschaltung ausgebildet ist, wobei die Zusatzschaltung mit der positiven oder der negativen Elektrode der Batteriezelle verbunden ist. Auf diese Weise wird von einer zentralen Steuereinheit der Steuereinrichtung, beispielsweise einem Mikrocontroller, nur die Information benötigt, ob die Zelle gerade entladen werden soll. Ist dies der Fall, wird das positive bzw. negative Potential der Batteriezelle an die Zusatzschaltung angelegt, zum Deaktivieren das negative oder positive Potential der Batteriezelle. Ist beispielsweise der eine Bezugspunkt der Zusatzschaltung das Potential an der positiven Elektrode der Batteriezelle, liegt dann, wenn auch am anderen Bezugspunkt der Zusatzschaltung das Potential an dem positiven Pol anliegt, keinerlei Potentialdifferenz an der Zusatzschaltung vor, so dass mithin auch keine Ausgangsspannung entsprechend der Zellenspannung erzeugt wird - das Entladen ist grundsätzlich deaktiviert. Wird an dem anderen Bezugspunkt der Zusatzschaltung jedoch das Potential am negativen Pol der Batteriezelle angelegt, liegt die Zellenspannung wie gewünscht auch an der Zusatzschaltung an und kann in die Ausgangsspannung umgesetzt werden - die Entladung ist grundsätzlich aktiv.
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Es ist grundsätzlich denkbar, dass die vorliegende Erfindung mit nur einer einzigen Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller, auskommt, über den eine entsprechende Beschaltung der Zusatzschaltung stattfindet, um das Balancing zu realisieren. Zweckmäßig kann es jedoch sein, wenn die Steuereinrichtung eine zentrale Steuereinheit und jeweils wenigstens einer Zelle zugeordnete lokale Steuereinheiten umfasst. An die lokalen Steuereinheiten können dann beispielsweise Zielspannungen, auf die die Balancierung an einer Batteriezelle stattfinden soll, übergeben werden, wobei diese dann den konkreten Zeitraum der Entladung durch entsprechendes Ansteuern der Entladeschaltung und der Zusatzschaltung, beispielsweise wie oben beschrieben, bestimmen. Üblicherweise ist im Allgemeinen die Entladung so lange aktiv, bis der Angleich zwischen den Batteriezellen abgeschlossen ist.
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Allgemein ist es vorteilhaft, wenn die Zusatzschaltung wenigstens eine Sicherheitsschaltung zum Überspannungsschutz umfasst. Eine solche Sicherheitsschaltung kann beispielsweise einen Widerstand und/oder eine Diode aufweisen. Vom Schalten herrührende Spannungsspitzen und dergleichen werden dann nicht an die Zusatzschaltung weitergegeben.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass kritische Grenzspannungen für verschiedene Batteriezellen im Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt sind und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung entsprechend Berücksichtigung finden können. Die konkrete Ermittlung solcher kritischer Grenzspannungen ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Neben der Batterie betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße Batterie. Gerade für Hochspannungsbatterien in Kraftfahrzeugen, die eine höhere Spannung als eine Niedrigspannungsbatterie in dem Kraftfahrzeug aufweisen, lässt sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft einsetzen, da derartige Batterien häufigen Lade- und Entladezyklen unterworfen sind. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Batterie lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin dieselben Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Batterie,
- 2 eine Möglichkeit zur Realisierung der Zusatzschaltung,
- 3 eine zweite Möglichkeit zur Realisierung der Zusatzschaltung, und
- 4 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Batterie 1. Diese umfasst mehrere Batteriezellen 2, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nur vier Stück dargestellt sind. Die Batteriezellen 2 liefern in ihrer Gesamtheit die durch die Batterie abzugebende elektrische Energie bzw. speichern diese ein.
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Um ein Balancing durchführen zu können, das bedeutet, die Spannungslage an den Batteriezellen 2 möglichst gleichförmig zu halten, ist jeder Batteriezelle 2 eine Entladeschaltung 3 zugeordnet, die, wie im Folgenden noch genauer diskutiert werden wird, einen Entladewiderstand und einen Entladeschalter, der hier als Transistor ausgebildet ist, aufweist. Eine zentrale Steuereinheit 4 einer Steuereinrichtung der Batterie 1 empfängt Messdaten über die Zellenspannungen der Batteriezellen 2, die von hier nicht näher gezeigten Sensoren geliefert werden. Über lokale Steuereinheiten 5, die beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein können, sollen nun die Entladeschaltungen 3 derart angesteuert werden, dass zwar die höheren Zellenspannungen hin zu den niedrigeren Zellenspannungen angeglichen werden, jedoch für die einzelnen Batteriezellen 2 definierte kritische Grenzspannungen nicht unterschritten werden, um eine Beschädigung der Batteriezellen 2 zu vermeiden. Diese weitere Funktionalität, also der Schutz vor zu niedrigen Zellenspannungen, wird nun jedoch nicht über Software in der zentralen Steuereinheit 4 umgesetzt, sondern es ist jeder Entladeschaltung eine Zusatzschaltung 6 zugeordnet, die den Entladeschalter während eines Entladevorgangs öffnet, wenn eine kritische Grenzspannung an der jeweiligen Batteriezelle 2 unterschritten ist. Die Zusatzschaltung 6, wie der Name bereits aussagt, umfasst dabei nur Hardware-Bauteile.
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Beispielhafte Realisierungen der Zusatzschaltung 6 und der Entladeschaltung 3 sind in den 2 und 3 dargestellt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform, in der ein Spannungsteiler verwendet wird. Ersichtlich ist mit dem positivem Pol 7 und dem negativen Pol 8 der Batteriezelle 2 zunächst die Entladeschaltung 3 verbunden, die den Entladewiderstand R2 und als Entladeschalter einen Transistor M1 aufweist. Der Entladewiderstand R2 ist nach der gewünschten und geeigneten Entladegeschwindigkeit dimensioniert.
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Die Spannung am Gate des Transistors M1 bestimmt, wann dieser öffnet oder schließt. Sie kann daher als Schaltspannung bezeichnet werden. Unterschreitet diese einen Schwellwert, ist der Entladeschalter geöffnet, überschreitet sie den Schwellwert, schließt der Transistor M1 und es findet ein Entladevorgang statt.
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Die Schaltspannung wird dabei von der Zusatzschaltung 6a erzeugt, die einen Spannungsteiler mit den Widerständen R3 und R4 umfasst. Die Schaltspannung wird am Widerstand R3 abgegriffen.
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Ersichtlich ist die Zusatzschaltung 6a zum einen mit dem positiven Pol 7 der Batteriezelle 2 verbunden, zum anderen weist sie einen weiteren Eingang 9 auf, an den die lokale Steuereinheit 5 entweder die Spannung am positiven Pol 7 der Batteriezelle 2, hier das Potential V+, oder das Potential an dem negativen Pol 8 der Batteriezelle 2, hier das Potential V-, anlegt. Ist das Potential V+ angelegt, existiert kein Spannungsunterschied über den Spannungsteiler, so dass keine Schaltspannung erzeugt wird: der Transistor M1 bleibt in jedem Fall geöffnet. Dies ist mithin der Fall, wenn kein Entladevorgang gewünscht ist.
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Ist ein Entladevorgang gewünscht, wird das Potential V- an den Eingang 9 angelegt. Über den Spannungsteiler der Zusatzschaltung 6a entsteht an dem Widerstand R3 eine Schaltspannung. Die Widerstände R3, R4 sind dabei so ausgelegt, dass bei Abfallen der nun ja über den Spannungsteiler anliegenden Zellenspannung auf unter die kritische Grenzspannung die als Schaltspannung verwendete Ausgangsspannung am Widerstand R3 den Schwellwert für die Schaltspannung unterschreitet. Mit anderen Wort bedeutet dies, dass aufgrund der speziellen Ansteuerung beim Entladevorgang der Entladevorgang für eine bestimmte Batteriezelle 2 dann zum Schutz der Batteriezelle 2 unterbrochen wird, wenn die kritische Grenzspannung für die Zellenspannung V+ minus V- unterschritten wird.
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Die Diode D1 und der Widerstand R1 sind Teil einer Sicherheitsschaltung 10, die dem Überspannungsschutz dient.
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Eine gegenüber 2 modifizierte, zweite Ausführungsform zeigt 3. Dort wird kein Spannungsteiler verwendet, sondern die dortige Zusatzschaltung 6b weist statt dem Widerstand R4 eine Zenerdiode D2 auf, die ein genaueres Einstellen des Schaltpunktes während des Entladevorgangs erlaubt. Der Widerstand R5, über den die Schaltspannung abgegriffen wird, ist entsprechend zu dimensionieren.
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Weitere, hier nicht gezeigte Ausführungsformen können beispielsweise mit Komparatoren arbeiten.
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4 zeigt schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 11, welches vorliegend als ein Elektrokraftfahrzeug ausgebildet ist. Dieses weist eine erfindungsgemäße Batterie 1 auf, die eine Elektromaschine 12 antreiben bzw. auch durch diese geladen werden kann.
