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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Angleichen von Zellspannungen einzelner Zellen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mittels eines Entladekreises.
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Innerhalb einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, die aus mehreren in Serie geschalteten einzelnen Zellen besteht, gibt es im Allgemeinen Abweichungen zwischen den elektrochemischen Eigenschaften einzelner Zellen. Dies führt dazu, dass insbesondere beim Ladevorgang der Batterie gewisse Zellen bereits voll geladen sind, während andere ihr maximales Speichervermögen noch nicht erreicht haben. Die an der Batterie insgesamt anliegende Spannung gibt über den Zustand einzelner Zellen keine Information. Daher werden die einzelnen Zellen gemäß dem Stand der Technik einzeln überwacht, beispielsweise durch Überwachen des Stroms durch einzelne Zellen sowie durch Überwachen der an einzelnen Zellen abfallenden Spannung. Bei drohender Überladung werden einzelne Zellen üblicherweise über ohmsche Widerstände entladen und über zusätzliche Sensoren eine Temperaturüberwachung durchgeführt, um thermische Beschädigungen zu vermeiden.
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In der Schrift
DE 10 2007 029 156 A1 wird eine derartige Überwachungsschaltung offenbart. Hier können Spannungs- und Temperaturerfassungseinrichtungen direkt mit Zellen verbunden werden, ohne dass eine galvanische Trennung durch induktive Sensoren oder durch geschaltete Kapazitäten notwendig ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Aufbau einer Vorrichtung zum Angleichen von Zellspannungen einzelner Zellen einer Batterie zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Angleichen von Zellspannungen einzelner Zellen einer Batterie und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Angleichen von Zellspannungen einzelner Zellen einer Batterie weist einen Entladekreis auf, wobei der Entladekreis einen temperaturabhängigen Widerstand hat, dessen Widerstandswert in einem für den Betrieb der Vorrichtung vorgesehenen Temperaturbereich um mindestens zwei Größenordnungen variiert. Dadurch wird eine im Widerstand umgesetzte Leistung temperaturabhängig variiert. Dies hat den Vorteil, dass einzelne Zellen zum Angleichen der Zellspannung entladen werden können, ohne die Vorrichtung zu überhitzen oder eine zusätzliche, insbesondere aktive Ansteuerung einzusetzen, welche die umgesetzte Energiemenge begrenzt. Bei korrekter Auslegung des temperaturabhängigen Widerstandes kann so also die maximale Temperatur der Vorrichtung unabhängig von aktiven Bauelementen auf ein sicheres Niveau begrenzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der temperaturabhängige Widerstand ein Widerstand auf Keramik- oder Polymerbasis ist. Das hat den Vorteil, dass der Widerstandswert derartiger handelsüblicher Widerstände in dem für den Betrieb vorgesehenen Temperaturbereich mehrere Größenordnungen durchläuft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der temperaturabhängige Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Das hat den Vorteil, dass der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstands mit steigender Temperatur zunimmt und ein selbstregulatorischer Effekt eintritt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der temperaturabhängige Widerstand einen nicht-linearen Widerstandsverlauf auf. Das hat den Vorteil, dass der Entladevorgang von dem temperaturabhärtgigen Widerstand weitgehend unbeeinflusst bleibt und so eine Entladung mit hoher Rate möglich ist, solange sich die Temperatur noch nicht einem kritischen Bereich annähert.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Zellen jeweils an einen eigenen Entladekreis angeschlossen sind. Das hat den Vorteil, dass die Zellen jeweils individuell überwacht werden, und in jedem Entladekreis mit maximaler Leistung entladen werden kann, ohne die Vorrichtung zu beschädigen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass jeder Entladekreis einen eigenen Schalter oder eine eigene Schalteinheit umfasst. Dies hat den Vorteil, dass jede Zelle individuell entladen werden kann, bzw. der Entladevorgang individuell von zusätzlichen Bauelementen der Vorrichtung oder von außen gesteuert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in dem Entladekreis parallel und/oder seriell zu dem temperaturabhängigen Widerstand zumindest ein weiterer Widerstand verbaut ist. Das hat den Vorteil, dass die Entladecharakteristik des Entladekreises über einen weiten Bereich an spezifische Erfordernisse angepasst werden kann.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein Kraftfahrzeug mit einer oder mehreren der oben beschriebenen Vorrichtungen zum Angleichen von Zellspannungen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
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Dabei zeigt:
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Fig. Einen Schaltkreis einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Angleichen von Zellspannungen.
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In Fig. ist eine mögliche Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Entladekreis 1 für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Parallel zu beispielsweise einer einzelnen Zelle 2 der Batterie des Kraftfahrzeugs wird der Entladekreis 1 geschaltet. Der Entladekreis 1 hat einen begrenzenden Summenwiderstand 3 und zum Beispiel einen Schalter 4. Der Schalter 4 kann auch zusätzliche Teile aufweisen, sodass an Stelle von Schalter 4 gegebenenfalls von einer Schalteinheit gesprochen werden kann. Der begrenzende Summenwiderstand 3 umfasst einen temperaturabhängigen Widerstand 6, bevorzugt mit positivem Temperaturkoeffizienten. Insbesondere kann dies zum Beispiel ein sogenannter PTC-Kaltleiter sein. Möglicherweise ist dieser ein Widerstand auf Keramik- oder Polymerbasis. Zu diesem können zur Bildung des Summenwiderstands 3 weitere Widerstände zum Beispiel in Serie oder in Reihe geschaltet werden. Mit den weiteren Widerständen kann die Entladecharakteristik des Entladekreises 1 auf die vorliegenden Bedürfnisse abgestimmt werden. Der Entladekreis 1 kann auch weitere Elemente 5 enthalten, die beispielsweise Mess-, Regelungs-, oder Steuerfunktionen übernehmen.
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Übersteigt die Spannung der Zelle 2 einen vorgegebenen Wert, so wird die Zelle über den Entladekreis 1 entladen. Insbesondere bei modernen Batteriesystemen, beispielsweise auf Lithium-Ionen-Basis, wird so durch Überladung ausgelösten Beschädigungen und möglichen gefährlichen Kettenreaktionen vorgebeugt. Der Entladestrom setzt im Summenwiderstand 3 elektrische in thermische Energie um. Mit steigender Temperatur steigt auch der Widerstand des temperaturabhängigen Widerstandes 6 und eine Selbstregulierung des Entladevorgangs tritt ein.
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Entscheidend ist für die Selbstregulierung hier die korrekte Auslegung des temperaturabhängigen Widerstandes 6. Unter korrekter Auslegung ist zum Beispiel die Wahl eines temperaturabhängigen Widerstandes 6 zu verstehen, der so dimensioniert ist, dass eine Platine, auf der er montiert ist, in keinem Betriebspunkt überhitzen kann. Da die Abwärme erfindungsgemäß direkt im begrenzenden Bauteil wirkt, ist sichergestellt, dass in einem definierten Spannungsbereich keine Beschädigung der Platine bei hoher umgesetzter Energiemenge verursacht wird. Wenn zum Beispiel jeder Entladekreis 1 über einen separaten temperaturabhängigen Widerstand 6 – wie beispielsweise einen PTC-Kaltleiter – verfügt, kann in jedem Entladekreis 1 mit maximaler Leistung entladen werden, ohne die Platine zu beschädigen. Gleichzeitig können die temperaturabhängigen Widerstände 6 zum Beispiel die üblicherweise verwendeten teuren, platzraubenden und anfälligen Sensoren zur Temperaturüberwachung ersetzen. Diese Sensoren mitteln die Temperaturen über einen größeren Einzugsbereich, eine lokale Überwachung der Temperatur ist nur mittels des erheblichen Aufwands sehr vieler Sensoren realisierbar.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines oder mehrerer temperaturabhängiger Widerstände 6 ist eine lokale Überwachung der Temperatur hingegen intrinsisch auf kostengünstige und platzsparende Weise gegeben.
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Insbesondere bringt die Wahl eines temperaturabhängigen Widerstandes 6 mit nichtlinearer Kennlinie hier zum Beispiel den Vorteil, dass das Überschreiten eines bestimmten Temperaturwertes zu einem sprungartigen Anstieg des Widerstandwertes führt. Der Widerstand 6 wird dann vorzugsweise so gewählt, dass der besagte bestimmte, nicht zu überschreitende Temperaturwert beispielsweise unterhalb einer Temperatur liegt, die der Platine schadet. Durch den sprungartigen Anstieg des Widerstandswertes kann der Widerstandswert bei Normalbetrieb aufgrund der durch die selbstregulierende Funktion des temperaturabhängigen Widerstandes 6 intrinsisch gegebenen Sicherheit relativ klein gewählt werden. So bleibt bei Normalbetrieb eine Entladung mit hoher Rate möglich. Gleichzeitig wird bei einer Hitzeentwicklung, die andere Bauteile wie zum Beispiel die Platine gefährdet, durch den sprungartigen Anstieg des Widerstandwertes der Entladestrom schnell verringert werden und der Entladevorgang wird ohne weitere, insbesondere aktive, Bauelemente abgebrochen oder stark verlangsamt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Entladekreis
- 2
- Zelle einer Batterie
- 3
- Summenwiderstand
- 4
- Schalter
- 5
- Weiteres Element
- 6
- Temperaturabhängiger Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007029156 A1 [0003]
