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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
EP 2 442 384 A2 beschreibt eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Entkoppeln einer Batteriezelle aus einem Zellverbund. Die Zelle kann dabei in Reihe zu mehreren anderen Zellen geschaltet sein. In dieser Reihenschaltung ist mindestens ein Schalter angeordnet, der der Zelle zugeordnet ist. Ist der Schalter geschlossen, ist die Zelle mit den anderen Zellen leitend verbunden. Ist der Schalter geöffnet, wird dadurch eine Überbrückung der Zelle bewirkt, so dass diese aus der Reihenschaltung mit den anderen Zellen entkoppelt ist. Weiterhin ist ein Kontroll-Schaltkreis zur Überwachung der Zellspannung mit der Zelle gekoppelt. Dabei wird die Zellspannung über beide Pole der Zelle abgegriffen und ein Schließen und Öffnen des Schalters in Abhängigkeit der Zellspannung bewirkt. Über- oder unterschreitet die Zellspannung beispielsweise einen Grenzwert, wird durch Öffnen des Schalters die Zelle überbrückt. Dadurch kann verhindert werden, dass es bei zu hoher Ladespannung oder bei zu starker Entladung einer Zelle zur Beschädigung der Zelle kommt.
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Nachteilig dabei ist, dass gefährliche Situationen auch aus anderen Gegebenheiten resultieren können, wie beispielsweise Kurzschlüsse, die bei dieser Schaltungsanordnung nicht berücksichtigt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Entkoppeln mindestens einer ersten Zelle einer Batterie bereitzustellen, welche sicherer ausgestaltet ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Entkoppeln mindestens einer ersten Zelle einer Batterie von mindestens einer zweiten Zelle umfasst einen in Reihe zur ersten Zelle angeordneten ersten Schalter und mindestens eine erste Steuerschaltung. Diese ist dazu ausgelegt, ein Öffnen des ersten Schalters zu bewirken und dadurch die erste Zelle von der zweiten Zelle zu entkoppeln. Weiterhin ist die erste Steuerschaltung dazu ausgelegt, eine über dem ersten Schalter abfallende Spannung zu detektieren und das Öffnen des ersten Schalters in Abhängigkeit von der detektierten Spannung nach einem vorbestimmten Kriterium zu bewirken.
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Durch die Detektion der über dem Schalter abfallenden Spannung können so Fehlfunktionen der Batterie oder auch Kurzschlüsse detektiert werden. Durch das Öffnen des Schalters in Abhängigkeit von der detektierten Spannung, kann beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses die erste von der zweiten Zelle entkoppelt werden. Dies stellt darüber hinaus auch die Möglichkeit bereit, den Stromfluss durch die Batterie insgesamt zu unterbinden und so gefährliche Situationen zu verhindern.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betrifft das vorbestimmte Kriterium ein Überschreiten eines Grenzwerts einer aus der detektierten Spannung abgeleiteten Stromstärke. Beispielsweise bei der Verwendung eines Schalters mit ohmscher Charakteristik ist es besonders einfach, aus der detektierten Spannung die Stromstärke abzuleiten. Diese stellt darüber hinaus eine besonders geeignete Größe dar, um beispielsweise Kurzschlüsse detektieren zu können, insbesondere durch das daraus resultierende überschreiten eines Grenzwerts der Stromstärke.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein zweiter Schalter parallel zur ersten Zelle und zum ersten Schalter angeordnet und die erste Steuerschaltung ist dazu ausgelegt, ein Öffnen und ein Schließen des zweiten Schalters zu bewirken.
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Durch das Schließen des zweiten Schalters kann so auf besonders vorteilhafte Weise eine Überbrückung der ersten Zelle bewirkt werden, insbesondere bei gleichzeitigem Öffnen des ersten Schalters. So kann unter Umständen auch nur die erste Zelle von der zweiten Zelle entkoppelt werden, ohne dabei den Stromfluss durch die zweite Zelle unterbinden zu müssen, bzw. ohne den Stromfluss durch das übrige mit der Batterie gekoppelte System, welcher dann zumindest aus der von der zweiten Zelle bereitgestellten Spannung resultiert, unterbinden zu müssen. Dies hat den Vorteil, dass so die erste Zelle situationsabhängig von der zweiten Zelle auf verschiedene Art und Weise entkoppelt werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein Zellverbund mindestens die erste Zelle und die zur ersten Zelle in Reihe geschaltete zweite Zelle auf, wobei in Reihe zur zweiten Zelle ein dritter Schalter angeordnet ist, und wobei in einer Parallelschaltung zur zweiten Zelle und zum dritten Schalter ein vierter Schalter angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung mindestens eine zweite Steuerschaltung, die dazu ausgelegt ist, ein Öffnen und ein Schließen jeweils des dritten und vierten Schalters zu bewirken, wobei die erste und die zweite Steuerschaltung derart miteinander gekoppelt sind, dass das Öffnen des dritten Schalters durch die zweite Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der über dem ersten Schalter abfallenden, detektierten Spannung nach dem vorbestimmten Kriterium bewirkbar ist.
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Dabei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass, wenn der Zellverbund eine Mehrzahl an Zellen aufweist, zu welchen jeweils ein zugeordneter Schalter in Reihe geschaltet ist, dass alle Schalter in Abhängigkeit von der über dem ersten Schalter abfallenden Spannung geöffnet werden können. So kann auf besonders vorteilhafte Weise die gesamte Batterie von beispielsweise einem zu versorgenden System entkoppelt werden. Dies stellt darüber hinaus noch eine besonders sichere Entkoppelung der Batterie dar, da so auch Fehlfunktionen von Schaltern berücksichtigt werden können, welche somit keine Auswirkungen auf eine sichere Entkopplung haben. Insbesondere können die Schalter für eine Spannung in einer Größenordnung von in etwa dem doppelten einer Zellspannung einer Zelle der Batterie ausgelegt sein. Weist dann beispielsweise der erste Schalter einen defekt auf und kann nicht geöffnet werden bzw. den Stromfluss nicht unterbinden, wird dies durch das Öffnen des dritten Schalters übernommen und die Batterie kann dennoch sicher von einem übrigen System entkoppelt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Steuereinrichtung dazu ausgebildet, eine über dem dritten Schalter abfallende Spannung zu detektieren und den dritten Schalter in Abhängigkeit der über dem dritten Schalter abfallenden, detektierten Spannung nach dem vorbestimmten Kriterium zu öffnen. Dabei sind die erste und die zweite Steuerschaltung derart miteinander gekoppelt, dass das Öffnen des ersten Schalters durch die erste Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der über dem dritten Schalter abfallenden, detektierten Spannung nach dem vorbestimmten Kriterium bewirkbar ist.
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Dies ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise, dass sobald eine an irgendeinem Schalter, in Reihe zu irgendeiner der Zellen, detektierte Spannung das vorbestimmte Kriterium erfüllt, auch alle übrigen Schalter geöffnet werden können. Durch entsprechende Dimensionierung können so auch Ausfälle und Defekte von einem oder auch mehreren Schaltern kompensiert werden, wodurch eine äußerst sichere und zuverlässige Schaltungsanordnung zum Entkoppeln einer Batteriezelle und insbesondere der gesamten Batterie bereitgestellt wird.
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Des Weiteren kann zumindest der erste Schalter, und insbesondere auch alle anderen Schalter, als Feldeffekttransistor (FET) oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet sein. Natürlich kommen auch andere Ausbildungen der Schalter in Frage. Die Ausbildung des Schalters kann dabei je nach erforderlicher Sperrspannung, Robustheit oder anderen Kriterien erfolgen, was eine Vielzahl an Möglichkeiten bereitstellt die Schaltungsanordnung für gegebene Erfordernisse zu optimieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einer Batteriezelle, jeweils einem zur Zelle in Reihe und parallel angeordneten Schalter und einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter;
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2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung wie in 1, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine über dem in Reihe zur Zelle angeordneten Schalter abfallende Spannung zu detektieren, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einer Mehrzahl an Zellen und jeweiligen Steuereinrichtungen, die über eine Alarm-Leitung miteinander gekoppelt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 mit einer Batteriezelle 12a, jeweils einem zur Zelle 12a in Reihe angeordneten Schalter SW1 und einem parallel zur Zelle angeordneten Schalter SW2 und einer Steuereinrichtung 14 zur Ansteuerung der Schalter SW1 und SW2. Die Schalter SW1 und/oder SW2 können hierbei beispielsweise als Feldeffekttransistoren und/oder als Bipolartransistor, insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode, ausgebildet sein. Dabei können weiterhin mehrere derartige Schaltungselemente in Reihe zueinander angeordnet sein. Durch das Öffnen des ersten Schalters SW1 und das Schließen des zweiten Schalters SW2 kann die Zelle 12a überbrückt werden und somit vom restlichen System entkoppelt werden. Diese Anordnung der Zelle 12a mit sogenannter Ein-Zellen-Topologie ermöglicht ein separates zu- und wegschalten einzelner Zellen 12a, um diese beispielsweise vor einer Beschädigung zu schützen, falls diese sich in einem für einen Betrieb der Zelle 12a ungeeigneten Zustand befinden. Um nun nicht nur einzelne Zellen 12a entkoppeln zu können, sondern für mehr Sicherheit der gesamten Batterie zu sorgen, wie beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, kann die Schaltungsanordnung 10 wie in 2 dargestellt, ausgestaltet werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 wie in 1, wobei die Steuereinrichtung 14 dazu ausgelegt ist, eine über dem in Reihe zur Zelle 12a angeordneten Schalter SW1 abfallende Spannung zu detektieren, was durch die gepunktete Linie dargestellt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Aufgrund der ohmschen Charakteristik des Schalters SW1, also beispielsweise des FET im leitenden Zustand, gibt eine Spannungsmessung über dem FET Aufschluss über den Strom. Die Stromstärke kann in der Steuereinrichtung 14 berechnet werden, um zu hohe Ströme und Kurzschlüsse zu detektieren und um Gegenmaßnahmen einzuleiten. Somit kann bewerkstelligt werden, dass beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses die gesamte Batterie von einem externen System entkoppelt wird. Durch Kombination der Ein-Zellen-Topologie, wie in 1 dargestellt, mit externen Stromsensoren und/oder einer internen Spannungsüberwachung über dem MOSFET gemäß 2, ist es möglich eine hoch redundante elektronische Sicherung der Batterie ohne zusätzliche Schalter bereitzustellen.
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Ein Nachteil klassischer elektronischer Sicherungen ist die Möglichkeit eines Funktionsverlustes aufgrund von Schalterdefekten. Weist ein Schalter einen Defekt auf, der zu einem permanent leitenden Zustand des Schalters führt, ist die Schutzeigenschaft der Sicherung verloren und die Sicherung ist nutzlos. Auch dieses Problem kann durch die Erfindung gelöst werden, wie zu 3 näher erläutert wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 10 mit einer Mehrzahl an Zellen 12a, 12b und 12c und jeweiligen Steuereinrichtungen 14, die über eine Alarm-Leitung 16 miteinander gekoppelt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Batterien mit Ein-Zellen-Topologie, wie hier dargestellt, gibt es für jede Zelle 12a, 12b und 12c einen in Reihe zur Zelle 12a, 12b bzw. 12c angeordneten Schalter SW1, SW3 bzw. SW5. Weiterhin ist parallel zu einer jeweiligen Zelle 12a, 12b bzw. 12c und dem jeweiligen Schalter SW1, SW3 bzw. SW5 ein weiterer Schalter SW2, SW4 bzw. SW6 angeordnet. Jeder der in Reihe angeordneten Schalter SW1, SW3 bzw. SW5 kann für eine Spannung ausgelegt sein, die größer ist als die Spannung einer Zelle 12, wie beispielsweise für die doppelte Spannung einer Zelle 12a, 12b bzw. 12c. In diesem Szenario könnten 50% der Schalter SW1, SW3 und SW5 in einer Batterie defekt sein, ohne das System zu gefährden. Um dies zu erreichen, können die Steuereinrichtungen 14 der jeweiligen Schalter SW1, SW3 bzw. SW5 über eine Alarm-Leitung 16 miteinander gekoppelt sein. Wenn eine Steuereinrichtung 14 einen gefährlichen Zustand, z. B. einen Kurzschluss, der hier schematisch als gestrichelte Linie 18 dargestellt ist, detektiert, beispielsweise aufgrund eines zu hohen Stroms durch einen Schalter SW1, SW3 bzw. SW5, kann die Steuereinrichtung 14 ein Alarmsignal über die Alarm-Leitung 16 ausgeben, das auch alle anderen Steuereinrichtungen 14 veranlasst, die ihnen zugeordneten Schalter SW1, SW3 bzw. SW5 zu öffnen. Eine solche Alarm-Leitung 16 kann beispielsweise durch eine Spannungsversorgung mit einer hohen Ausgangsimpedanz an der Alarmleitung umgesetzt werden und einer Steuereinrichtung 14 bzw. Steuereinrichtungen 14 mit niedrigen Eingangsimpedanzen (z. B. Open-Collector). Falls eine Steuereinrichtung 14 den Alarm-Modus aktiviert, wird die Alarm-Leitung 16 von einem hohen Potential auf 0 gesetzt.
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Weist nun ein Schalter SW1, SW3 bzw. SW5 einen Defekt auf, so kann durch diese Schaltungsanordnung 10 dennoch ein sicheres Entkoppeln der Batteriezellen 12a, 12b bzw. 12c und insbesondere der gesamten Batterie sichergestellt werden. Dies soll anhand des folgenden Zahlenbeispiels näher erläutert werden: Beispielsweise umfasst die Schaltungsanordnung 10, wie in 3 dargestellt, drei in Reihe geschaltete Zellen 12a, 12b und 12c mit jeweils einer Zellspannung von 4 V, und in Reihe zu den Zellen 12a, 12b und 12c geschaltete und als FET ausgebildete Schalter SW1, SW3 bzw. SW5, die dabei jeweils für eine Spannung bis 10 V ausgelegt sind. Es soll nun angenommen werden, dass der dritte Schalter SW3 defekt ist, also permanent leitend ist. Wenn also die Steuereinrichtung 14, die den ersten Schalter SW1 ansteuert, einen zu hohen Strom detektiert, beispielsweise verursacht durch einen Kurzschluss, wird durch Aktivieren der Alarm-Leitung 16 durch die Steuereinrichtung 14 bewirkt, dass zusätzlich zum Öffnen des ersten Schalters SW1 auch alle anderen Steuereinrichtungen 14 ihre Schalter SW3 und SW5 öffnen. Da der dritte Schalter SW3 defekt ist, wird dementsprechend die Gesamtspannung über die drei Zellen 12a, 12b und 12c, also 12 V, auf die verbleibenden Schalter SW1 und SW5 aufgeteilt, also 6 V pro Schalter SW1 und SW5. Da die Maximalspannung jedes Schalters SW1, SW3 bzw. SW5 10 V beträgt, verletzt der Verlust des dritten Schalters SW3 also nicht das Sicherheitskonzept.
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Insgesamt wird so eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, bei der Batterien mit Ein-Zellen-Topologie gleichzeitig als elektronische Sicherung zur Stromunterbrechung genutzt werden können. Aufgrund der hohen Redundanz der Anordnung wird so eine hohe Toleranz gegenüber Fehlfunktionen der Schalter bewerkstelligt. So kann auf besonders vorteilhafte Weise die Sicherheit einer solchen Schaltungsanordnung erheblich erhöht werden, und insbesondere ohne dafür zusätzliche teure Schalter vorsehen zu müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 12a
- Zelle
- 12b
- Zelle
- 12c
- Zelle
- 14
- Steuereinrichtung
- 16
- Alarm-Leitung
- 18
- Gestrichelte Linie
- SW1
- Schalter
- SW2
- Schalter
- SW3
- Schalter
- SW4
- Schalter
- SW5
- Schalter
- SW6
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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