DE102014012067A1

DE102014012067A1 - Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014012067A1
Application number: DE102014012067.8A
Authority: DE
Inventors: Julian Feinauer; Markus Haberl; Andreas Maier; Andres Pott
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2016-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellenanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, die eine Schaltungsanordnung (16) zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle (12) mit zwei Polen (12a; 12b) aufweist, wobei parallel zur Batteriezelle (12) eine Teilschaltung (14) der Schaltungsanordnung (16) geschaltet ist. Die Teilschaltung (14) weist einen elektronisch steuerbaren Schalter (18) auf, der parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist und mit den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) verbunden ist, wobei der Schalter (18) dazu ausgelegt ist, in einem geöffneten Zustand die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) zu unterbrechen. Weiterhin weist die Teilschaltung (14) einen Widerstand (R1) auf, der in Reihe zu dem Schalter (18) und parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist, wobei der Schalter (18) mit einer Steuereinheit (22) zum Steuern des Schalters (18) koppelbar ist. Der Widerstand (R1) ist als temperaturabhängiger Widerstand (R1) ausgebildet, dessen Widerstandswert sich mit zunehmender Temperatur vergrößert.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Batteriezellenanordnung eine Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle mit zwei Polen aufweist, und wobei parallel zur Batteriezelle eine Teilschaltung der Schaltungsanordnung geschaltet ist. Dabei weist die Teilschaltung einen elektronisch steuerbaren Schalter auf, der parallel zur Batteriezelle geschaltet ist und mit den zwei Polen der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist. Weiterhin ist der Schalter mit einer Steuereinheit zum Steuern des Schalters koppelbar.
Aus dem Stand der Technik sind Batteriezellenanordnungen mit mehreren Batteriezellen und jeweiligen Teilschaltungen bekannt, bei denen eine Steuereinheit die jeweiligen Schalter dabei so steuert, dass es zwischen den Batteriezellen zu einem Ladungsausgleich kommt. Üblicherweise befindet sich dabei ein Widerstand in Reihe zum Schalter einer jeweiligen Teilschaltung und parallel zur jeweiligen Batteriezelle, der sich und damit auch die Batteriezelle beim Ladungsausgleich erwärmt. Dabei muss sichergestellt werden, dass sich die Zelle nicht zu stark erhitzt, da es sonst zu einer Beschädigung der Batteriezelle kommt. Um dies zu gewährleisten, überwacht die Steuereinheit die Zelletemperatur und schaltet den Ladungsausgleichsvorgang ab, wenn sich die Zelle zu stark erhitzt. Wenn die Steuereinheit den Ladungsausgleichsvorgang nicht rechtzeitig abschaltet, kann es zu einer Überhitzung und Beschädigung der Zelle während des Ladungsausgleichsvorgangs kommen. Zudem ist eine derartige Überwachung der Zellen dabei sehr aufwendig und teuer.
Die US 2014/0042972 A1 schlägt vor, einen PTC(Postive Temperature Coefficient)-Widerstand vorzusehen, der zwischen dem Schalter und der Steuereinheit angeordnet ist. Der PTC-Widerstand ist dabei räumlich nahe und parallel ausgerichtet zum Widerstand, der parallel zur Zelle geschaltet ist, angeordnet. Bei einer zu starken Erwärmung des Widerstands parallel zur Zelle erhöht sich der Widerstandswert des PTC-Widerstands so stark, dass der Schalter öffnet und der Ladungsausgleichsvorgang unterbrochen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriezellenanordnung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezellenanordnung bereitzustellen, die auf möglichst einfache Weise eine Überhitzung der Batteriezelle verhindern.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Batteriezellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch eine Batteriezellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batteriezellenanordnung.
Die Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle mit zwei Polen auf. Dabei ist parallel zur Batteriezelle eine Teilschaltung der Schaltungsanordnung geschaltet, wobei die Teilschaltung einen elektronisch steuerbaren Schalter aufweist, der parallel zur Batteriezelle geschaltet ist und mit den zwei Polen der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist. Der Schalter ist weiterhin dazu ausgelegt, in einem geöffneten Zustand die durch die Teilschaltung bereitgestellte elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Polen der Batteriezelle zu unterbrechen. Darüber hinaus weist die Teilschaltung einen Widerstand auf, der in Reihe zu dem Schalter und parallel zur Batteriezelle geschaltet ist. Insbesondere ist dabei die Reihenschaltung aus dem Widerstand und dem Schalter parallel zur Batteriezelle geschaltet. Der Schalter ist weiterhin mit einer Steuereinheit zum Steuern des Schalters koppelbar. Erfindungsgemäß ist der Widerstand als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet, dessen Widerstandswert sich mit zunehmender Temperatur vergrößert.
Dadurch, dass der temperaturabhängige Widerstand, wie z. B. ein PTC-Widerstand, in Reihe mit dem Schalter parallel zur Batteriezelle angeordnet ist, kann der durch die Teilschaltung bereitgestellte Stromfluss zwischen den zwei Polen der Batteriezelle auch bei geschlossenem Schalter auf vorteilhafte Weise bei einer zu starken Erwärmung der Batteriezelle unterbrochen werden bzw. nahezu zum Erliegen gebracht werden. Bei einer Erwärmung der Batteriezelle erwärmt sich auch der Widerstand, wodurch sich dessen Widerstandswert erhöht und dadurch den Stromfluss zwischen den Polen der Batteriezelle verringert. Die Verringerung des Stromflusses ist insbesondere ab einer bestimmten Temperatur der Batteriezelle so stark, dass durch den verringerten Stromfluss eine weitere Erwärmung der Batteriezelle verhindert wird. Durch diese Ausbildung der Batteriezellenanordnung wird somit ein Selbstschutz der Batteriezelle vor Überhitzung bereitgestellt und es muss keine aufwendige Überwachung durch eine Steuereinheit bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise wird dies durch die Erfindung auf besonders einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, denn es ist in diesem Fall kein zusätzlicher Widerstand erforderlich, da der üblicherweise im Stand der Technik ohnehin vorhandene und als ohmscher Widerstand ausgebildete Widerstand, der zusammen mit dem Schalter parallel zur Batteriezelle geschaltet ist, durch einen wärmeabhängigen Widerstand ersetzt werden kann. Zudem ist dabei auch keine aufwendige Konzeptionierung der Anordnung der einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung erforderlich. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der PTC-Widerstand in direkter Nähe des weiteren Widerstands angeordnet werden muss, um ein Überhitzen der Batteriezelle zu verhindern, ist erfindungsgemäß der Widerstand, über den bei einem Ladungsausgleichsvorgang Strom fließt und der dementsprechend Wärme abgibt, die zur Erhitzung der Batteriezelle führt, selbst als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet. Die Anordnung des temperaturabhängigen Widerstands ist dabei also an keine weiteren Komponenten der Schaltungsanordnung gebunden und der Widerstand kann an beliebiger Stelle angeordnet werden. Darüber hinaus ist es ein besonders großer weiterer Vorteil der Erfindung, dass der Widerstand unabhängig von einer Schalterstellung den Stromfluss nahezu zum Erliegen bringen kann. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, da so auch z. B. in einem Fehlerfall des Schalters, wenn dieser nicht öffnen kann, eine Überhitzung der Zelle dennoch vermieden wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Abschnitt der Teilschaltung zwischen dem Schalter und einem Pol der Batteriezelle als gewundener Heizdraht ausgebildet, z. B. schlangenförmig. Dies hat den besonders großen Vorteil, dass so die Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich gleichzeitig auch zum Beheizen der Batteriezelle genutzt werden kann. Die gewundene Ausbildung des Heizdrahts bewirkt dabei, dass eine möglichst gleichmäßige, über die Batteriezelle verteile Wärmeabgabe über den Heizdraht bewerkstelligt werden kann. Der temperaturabhängige Widerstand kann, wie beschreiben, an beliebiger Stelle in Reihe zum Schalter und damit z. B. auch an beliebiger Stelle im Heizdraht angeordnet sein. Eine durch den Heizdraht abgegebenen Wärme kann somit auf besonders vorteilhafte Weise direkt durch den temperaturabhängigen Widerstand kontrolliert werden, so dass auch bei einem Heizvorgang jederzeit durch den temperaturabhängigen Widerstand gewährleistet ist, dass es zu keiner unzulässigen Überhitzung der Batteriezelle kommt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Schalter drei Anschlusspunkte auf, wobei ein erster Anschlusspunkt und ein zweiter Anschlusspunkt jeweils mit einem der zwei Pole der Batteriezelle gekoppelt ist und ein dritter Anschlusspunkt mit einer Steuereinheit zum Steuern des Schalters koppelbar ist. Der Schalter kann dabei z. B. als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor oder MOSFET, ausgebildet sein. Die drei Anschlüssen können dabei eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor des Transistors darstellen, wobei die Basis mit der Steuereinheit koppelbar ist und der Emitter und der Kollektor jeweils mit je einem der zwei Pole der Batteriezelle gekoppelt sind, insbesondere eine dieser beiden Anschlusspunkte über den temperaturabhängigen Widerstand. Der elektronisch steuerbare Schalter ist dabei weiterhin bevorzugt so ausgestaltet, dass zum Schließen des Schalters eine vorbestimmte Mindestspannung, auch Durchschaltspannung genannt, insbesondere zwischen Basis und Emitter, erforderlich ist. Durch eine Kopplung der Basis mit einer Steuereinheit kann die am Schalter abfallende Spannung, damit der Schalter und somit vorteilhafterweise der Ladungsausgleichsvorgang und/oder Heizvorgang der Batteriezelle gesteuert werden.
Darüber hinaus kann es bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Teilschaltung einen NTC(Negative Temperature Coefficient)-Widerstand aufweist, der zwischen zwei der drei Anschlusspunkte geschaltet ist, und dabei mit dem dritten Anschlusspunkt gekoppelt ist. Insbesondere ist der NTC-Widerstand mit der Basis und dem Emitter des Transistors verbunden. Dadurch kann auf besonders vorteilhafte Weise die am Schalter abfallende Spannung temperaturabhängig gesteuert werden. Der NTC-Widerstand verringert seinen Widerstandswert bei zunehmender Temperatur. Damit einhergehend verringert sich auch die am Schalter abfallende Spannung. Der NTC-Widerstand ist dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass dessen Widerstandswert beim Überschreiten einer vorbestimmten Grenztemperatur so gering ist, dass die am Schalter abfallende Spannung die Durchschaltspannung unterschreitet und damit der Schalter öffnet. Durch diesen NTC-Widerstand wird vorteilhafterweise ein weiterer Selbstschutzmechanismus der Batteriezellenanordnung zum Schutz der Batteriezelle vor Überhitzung bereitgestellt, denn ein zu starkes Erwärmen der Batteriezelle bewirkt eine Erwärmung des NTC-Widerstands und damit das Öffnen des Schalters, so dass ein Ladungsausgleichsvorgang oder Heizvorgang unterbrochen wird. Der NTC-Widerstand steht dabei im thermischen Kontakt mit der Batteriezelle, jedoch ist seine Anordnung von der Anordnung des PTC-Widerstands unabhängig, was wiederum mehr Freiheiten bei der Anordnung der einzelnen Komponenten der Teilschaltung mit sich bringt. Weiterhin wird durch diesen zweiten temperaturabhängigen Widerstand ein doppelter Schutzmechanismus der Batteriezelle bereitgestellt, und auf besonders vorteilhafte Weise ebenfalls wiederum durch ein passives Bauelement, so dass keine teure und aufwendige Ausgestaltung, wie bei einer Überwachung der Zelltemperatur durch eine Steuereinheit, nötig ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Batteriezelle ein Zellgehäuse auf, wobei die Schaltungsanordnung außerhalb des Zellgehäuses angeordnet ist und zumindest die Teilschaltung zumindest zum Teil als am Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnete Heizmatte ausgebildet ist. Alternativ könnte die Teilschaltung auch in der Batteriezelle bzw. innerhalb deren Zellgehäuse verbaut werden, jedoch stellt die außenseitige Anordnung eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar, da so die Herstellung einer derartigen Batteriezellenanordnung deutlich einfacher und kostengünstiger ist. Zudem ist die Teilschaltung auch einfacher zugänglich, was z. B. bei einem Defekt in der Teilschaltung oder bei der Notwendigkeit die Teilschaltung oder Komponenten dieser auszutauschen besonders vorteilhaft ist.
Darüber hinaus umfasst die Batteriezellenanordnung bevorzugt eine Mehrzahl an in Reihe geschaltete Batteriezellen und die Schaltungsanordnung eine Mehrzahl an den jeweiligen Batteriezellen zugeordneten Teilschaltungen. Die Teilschaltungen sind dabei jeweils wie die zur mindestens einen Batteriezelle parallel geschaltete Teilschaltung ausgestaltet, so dass für jede der Batteriezellen der Batteriezellenanordnung auf besonders einfache und sichere Weise ein Schutz der jeweiligen Batteriezelle vor Überhitzung bereitgestellt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit auf, die mit dem Schalter gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, den Schalter zu steuern. Insbesondere ist dabei die Steuereinheit mit jedem Schalter einer jeweiligen Teilschaltung gekoppelt und ausgelegt diesen zu steuern. Zum Ladungsausgleich ist weiterhin vorgesehen, dass die Steuereinheit Spannungsmesseinrichtungen aufweist, die die Spannungsdifferenzen zwischen zwei Batteriezellen, insbesondere zwischen je zwei in der Reihenschaltung der Batteriezellen aufeinanderfolgende Batteriezellen, messen und die Steuereinheit die Schalter in Abhängigkeit der gemessenen Spannungsdifferenzen ansteuert, so dass vorteilhafterweise bei auftretenden Spannungsdifferenzen ungleich Null ein Ladungsausgleich bewirkt wird.
Die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist eine Schaltungsanordnung zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle mit zwei Polen auf. Dabei ist parallel zur Batteriezelle eine Teilschaltung der Schaltungsanordnung geschaltet, wobei die Teilschaltung einen elektronisch steuerbaren Schalter aufweist, der parallel zur Batteriezelle geschaltet ist und mit den zwei Polen der Batteriezelle elektrisch leitend verbunden ist. Der Schalter ist dazu ausgelegt, in einem geöffneten Zustand die durch die Teilschaltung bereitgestellte elektrische leitende Verbindung zwischen den zwei Polen der Batteriezelle zu unterbrechen, wobei der Schalter mit einer Steuereinheit zum Steuern des Schalters koppelbar ist. Erfindungsgemäß weist die Teilschaltung einen temperaturabhängigen Widerstand auf, der zwischen einen mit der Steuereinheit koppelbaren Anschlusspunkt des Schalters und einem der zwei Pole der Batteriezelle geschaltet ist, und der als NTC-Widerstand ausgebildet ist.
Eine Temperaturerhöhung des NTC-Widerstands kann so ebenfalls auf besonders einfache Weise ein Überhitzen der Batteriezelle verhindern, indem der Widerstand ab einer vorbestimmten Grenztemperatur durch Verringerung seines Widerstandswerts ein Öffnen des Schalters bewirkt. Alle für die erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung gemäß dem ersten Aspekt genannten Ausgestaltungen, Merkmale und Merkmalskombinationen sind dabei auch ohne Einschränkung mit der Batteriezellenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kombinierbar, auch unabhängig vom Vorsehen eines PTC-Widerstands in Reihe zum Schalter. Insbesondere kann auch hierbei der Schalter wieder als Transistor ausgebildet sein, und der NTC-Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors angeordnet werden, so dass ein Überschreiten einer Grenztemperatur des NTC-Widerstands ein Abfallen der Spannung am Schalter unter die Durchschaltspannung und damit ein Öffnen des Schalters bewirkt.
Dadurch kann auf besonders vorteilhafte Weise die am Schalter abfallende Spannung temperaturabhängig gesteuert werden. Durch diesen NTC-Widerstand wird vorteilhafterweise ein weiterer, besonders einfach ausgestalteter Selbstschutzmechanismus der Batteriezellenanordnung zum Schutz der Batteriezelle vor Überhitzung bereitgestellt, und auch diese Ausgestaltung erfordert vorteilhafterweise damit keine aufwendige Überwachung der Zelltemperatur durch eine Steuereinheit.
Darüber hinaus kann die Batteriezellenanordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weiterhin auch einen temperaturabhängigen zweiten Widerstand aufweisen, dessen Widerstandswert sich mit zunehmender Temperatur vergrößert, und der in Reihe zum Schalter und parallel zur Batteriezelle geschaltet ist, insbesondere sowie dies gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen ist. Auf diese Weise kann ein doppelter Schutzmechanismus der Batteriezelle bereitgestellt werden, was die Batteriezelle somit noch sicherer vor Überhitzung und daraus resultierender Beschädigung schützt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Batteriezellenanordnung gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung oder mit einer deren Ausgestaltungen. Die für die Batteriezellenanordnung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt und deren Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der folgenden Zeichnung.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit einer Batteriezelle und einer Teilschaltung einer Schaltungsanordnung zum Beheizen der Batteriezelle und für einen Ladungsaugleich, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit mehreren Batteriezellen, einer Schaltungsanordnung zum Beheizen der Batteriezellen und für einen Ladungsaugleich und weiterhin einer Steuereinheit zum Steuern eines Heiz- und Ladungsausgleichsvorgangs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Darstellung eine Batteriezellenanordnung mit einer Batteriezelle 12, z. B. einer Lithium-Ionen-Zelle, und mit einer Teilschaltung 14 einer Schaltungsanordnung 16 (vgl. 2) zum Beheizen der Batteriezelle 12 und für einen Ladungsausgleich zwischen mehreren solcher Batteriezellen 12, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Batteriezellenanordnung 12 ist dabei bevorzugt in einer HV-Batterie vorgesehen, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die Teilschaltung 14 weist dabei einen elektronisch steuerbaren Schalter 18 auf, der parallel zur Batteriezelle 12 geschaltet ist und insbesondere mit den zwei Polen, insbesondere einem Pluspol 12a und einem Minuspol 12b, der Batteriezelle 12 gekoppelt ist. Weiterhin ist der Schalter 18 an einem Steuereinheitsanschlusspunkt 20 mit einer Steuereinheit 22 (vgl. 2) zum Steuern des Schalters 18 koppelbar. Der Schalter 18 kann beispielsweise als Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor FET oder auch als MOSFET, ausgebildet sein, und drei Anschlusspunkte aufweisen, insbesondere eine Basis B, einen Emitter E und einen Kollektor K. Die beiden Anschlusspunkte E und K sind dabei jeweils mit einem der Pole 12a bzw. 12b der Batteriezelle 12 gekoppelt und der Anschlusspunkt B mit dem Steuereinheitsanschlusspunkt 20. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schalter 18 und zumindest einem der Pole 12a bzw. 12b kann dabei als gewundener Heizdraht 24 ausgestaltet sein, so dass durch diese Teilschaltung 14 nicht nur ein Ladungsausgleich sondern auch ein Beheizen der Batteriezelle 12 möglich ist. Die Teilschaltung 14 kann dabei in einem Gehäuse 26 der Batteriezelle 12 verbaut sein oder aber auch außenseitig als Heizmatte ausgebildet am Gehäuse 26 angeordnet sein. Weiterhin weist die Teilschaltung 14 einen ersten Widerstand R1 auf, der in Reihe zum Schalter 18 geschaltet ist. Dieser Widerstand R1 kann dabei z. B. zwischen dem Emitter E des Schalters 18 und einem Pol, insbesondere dem Pluspol 12a, der Batteriezelle 12 oder auch zwischen dem Kollektor und einem Pol, insbesondere dem Minuspol 12b, der Batteriezelle 12 angeordnet sein.
Dieser erste Widerstand R1 kann nun vorteilhafterweise als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet sein, insbesondere als PTC-Widerstand, der seinen Widerstandswert mit zunehmender Temperatur vergrößert. Ist nun zum Ladungsausgleich oder zum Beheizen der Zelle der Schalter 18 geschlossen, wird durch den ersten Widerstand R1 und den Heizdraht 24 Wärme erzeugt, die zu einer Erwärmung der Batteriezelle 12 führt. Damit einhergehend vergrößert der erste Widerstand R1 seinen Widerstandswert, so dass der Strom durch den Heizdraht 24 abnimmt. Dabei ist der erste Widerstand R1 so ausgestaltet, dass bei Überschreiten einer vorbestimmten Grenztemperatur der Widerstandswert so groß ist, dass der verbleibende Stromfluss durch den Heizdraht 24 kleiner ist als ein weiterer vorbestimmter Grenzwert, der insbesondere so bemessen ist, dass es zu keiner weiteren Erwärmung der Batteriezelle 12 kommt. Insbesondere kommt der Stromfluss dabei fast vollständig zum erliegen. Auf diese Weise kann durch den ersten Widerstand R1 ein Selbstschutz der Batteriezelle 12 vor Überhitzung bereitgestellt werden, der unabhängig von der Funktionsweise des Schalters 18 ist und es zudem ermöglicht, auf eine aufwendige Zelltemperaturüberwachung durch die Steuereinheit 22 komplett zu verzichten.
Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass die Teilschaltung 14 einen zweiten temperaturabhängigen Widerstand R2 aufweist, der insbesondere als NTC-Widerstand ausgebildet ist, und zwischen der Basis B und dem Emitter E des Schalters 18 angeordnet ist bzw. mit der Basis B und dem Emitter E gekoppelt ist. Der zweite Widerstand R2 verkleinert seinen Widerstandswert bei zunehmender Temperatur, was bewirkt, dass weniger Spannung am Schalter 18, insbesondere zwischen Basis B und Emitter E, abfällt. Der Schalter 18 ist dabei so ausgestaltet, dass dieser sich öffnet, wenn diese Spannung zwischen Basis B und Emitter E kleiner ist als eine vorbestimmte Durchschaltspannung. Wird die Batteriezelle 12 zu heiß, so bewirkt der zweite Widerstand R2, dass die Spannung am Schalter 18 unter die Durchschaltspannung fällt und damit der Heiz- bzw. Ladungsausgleichsvorgang unterbrochen wird. So kann ebenfalls auf besonders einfache Weise ein Selbstschutz der Batteriezelle 12 vor Überhitzung bereitgestellt werden. Bei einer Teilschaltung 14, die einen derartigen zweiten Widerstand R2 aufweist, kann statt des temperaturabhängigen ersten Widerstands R1 auch ein ohmscher Widerstand bereitgestellt sein, da bereits durch den zweiten Widerstand R2 ein Überhitzungsschutz gegeben ist. Die Ausgestaltung mit zwei temperaturabhängigen Widerständen R1 und R2, insbesondere einem PTC- und einem NTC-Widerstand, hat dabei den Vorteil, dass ein doppelter Schutz vor Überhitzung bereitgestellt ist und mehr Freiheiten bei der Ausgestaltung der Widerstände R1 und R2 zu Verfügung stehen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass bei ansteigender Zelltemperatur, die sich jedoch noch unterhalb eines ersten Grenzwert befindet, der Stromfluss durch den Heizdraht 24 durch die Vergrößerung des Widerstandswerts des ersten Widerstands R1 zunächst nur mäßig verringert wird, aber nicht vollständig unterbunden wird, so dass dennoch der Heizvorgang bzw. Ladungsausgleich weiter erfolgen kann, jedoch mit reduziertem Strom. Sollte diese Reduktion der Stromstärke jedoch nicht ausreichend sein, um einen weiteren Anstieg der Zelltemperatur zu verhindern und steigt die Zelltemperatur weiter an und über den Grenzwert hinaus, so kann durch den zweiten Widerstand R2 ein vollständiges Abschalten des Heizvorgangs bzw. Ladungsausgleichs durch Öffnen des Schalters 18 bewirkt werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung 10 mit einer Mehrzahl an Batteriezellen 12, von denen hier exemplarisch nur drei dargestellt sind, und mit einer Schaltungsanordnung 16 zum Beheizen der Batteriezellen 12 und für einen Ladungsaugleich zwischen den Batteriezellen 12. Die Schaltungsanordnung 16 weist dabei mehrere Teilschaltungen 14 auf, wobei je eine Teilschaltung 14 einer Batteriezelle 12 zugeordnet ist. Die Anordnung und Ausgestaltung der jeweiligen Teilschaltungen 14 ist dabei analog zu der zu 1 beschriebenen.
Weiterhin weist in dieser Darstellung die Schaltungsanordnung 16 noch eine Steuereinheit 22 auf. Diese ist über jeweilige Steuereinheitsanschlusspunkte 20 mit der Basis B der jeweiligen Schalter 18 gekoppelt und steuert diese entsprechend. Dazu weist die Steuereinheit 22 der Anzahl der Batteriezellen 12 entsprechend viele, in Reihe zu jeweiligen dritten, ohmschen Widerständen R3 geschaltete, elektronische Schalter 28 auf, die von jeweiligen Mikrokontrollern 30, insbesondere in Abhängigkeit von den zwischen den jeweiligen Batteriezellen 12 durch Spannungsmesseinrichtungen U abgreifbaren Spannungsdifferenzen, gesteuert werden.
Die jeweiligen Teilschaltungen 14 weisen nun, wie bereits zu 1 für eine Teilschaltung 14 beschreiben, also jeweils einen elektronisch steuerbaren Schalter 18 und zumindest einen temperaturabhängigen Widerstand R1 bzw. R2 auf. Dabei kann also beispielsweise der erste Widerstand R1, der in Reihe zum Schalter 18 geschaltet ist als PTC-Widerstand ausgebildet sein und auf den hier dargestellten zweiten Widerstand R2 verzichtet werden. Durch die Ausgestaltung des ersten Widerstands als PTC-Widerstand kann auf vorteilhafte Weise ein unzulässiges Überhitzen der jeweiligen Batteriezelle 12 verhindert werden. Bei Anstieg der Temperatur an der Zelle 12 erhöht sich der Widerstandwert des ersten Widerstands R1, bis er so hochohmig wird, dass der Stromfluss nahezu zum Erliegen kommt. Dadurch wird der Heiz- und Ladungsausgleich abgeschaltet.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur der zweite, zwischen der Basis B und dem Emitter E des Schalters 18 angeordnete Widerstand R2 als temperaturabhängiger Widerstand, insbesondere als NTC-Widerstand, ausgebildet ist. Dann kann der erste Widerstand R1 einen normalen ohmschen Widerstand darstellen. Auch hierdurch schützt sich das System selbst vor unzulässiger Überhitzung. Durch das Ausführen des zweiten Widerstands R2 als NTC-Widerstand verringert sich der Widerstandswert von R2 bei Anstieg der Temperatur an der Zelle 12. Durch die Verringerung des Widerstandswerts des zweiten Widerstands R2 verringert sich auch die für den elektronischen Schalter 18 der jeweiligen Teilschaltungen 14 zur Verfügung stehende Spannung. Fällt die Spannung unter den Wert, bei dem der elektronische Schalter 18 durchschaltet, wird auch der Heiz- und Ladungsausgleichsvorgang abgeschaltet.
Es ist auch möglich dass beide Widerstände R1 und R2 als temperaturabhängige Widerstände ausgebildet sind, um einen doppelten Schutz der jeweiligen Batteriezelle 12 vor Überhitzung bereitzustellen.
Insgesamt kann so durch die Erfindung durch einfache passive Bauelemente ein Selbstschutz der Schaltung und der Batteriezellen vor unzulässiger Überhitzung dargestellt werden und eine aufwändige, teure Überwachung durch die Steuereinheit ist nicht nötig.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezellenanordnung
12: Batteriezelle
12a: Pluspol
12b: Minuspol
14: Teilschaltung
16: Schaltungsanordnung
18: Schalter
20: Steuereinheitsanschlusspunkt
22: Steuereinheit
24: Heizdraht
26: Gehäuse
28: Schalter
30: Mikrokontroller
R1: erster Widerstand
R2: zweiter Widerstand
B: Basis
E: Emitter
K: Kollektor
U: Spannungsmesseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0042972 A1 [0003]

Claims

Batteriezellenanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, die Batteriezellenanordnung (10) aufweisend eine Schaltungsanordnung (16) zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle (12) mit zwei Polen (12a; 12b), wobei parallel zur Batteriezelle (12) eine Teilschaltung (14) der Schaltungsanordnung (16) geschaltet ist, wobei die Teilschaltung (14) einen elektronisch steuerbaren Schalter (18) aufweist, der parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist und mit den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Schalter (18) dazu ausgelegt ist, in einem geöffneten Zustand die durch die Teilschaltung (14) bereitgestellte, elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) zu unterbrechen, wobei die Teilschaltung (14) einen Widerstand (R1) aufweist, der in Reihe zu dem Schalter (18) und parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist, wobei der Schalter (18) mit einer Steuereinheit (22) zum Steuern des Schalters (18) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (R1) als temperaturabhängiger Widerstand (R1) ausgebildet ist, dessen Widerstandswert sich mit zunehmender Temperatur vergrößert.
Batteriezellenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt zwischen dem Schalter (18) und einem der zwei Pole (12a; 12b) der Batteriezelle (12) der Teilschaltung (14) als gewundener Heizdraht (24) ausgebildet ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (18) drei Anschlusspunkte (B; E; K) aufweist, wobei ein erster (E) Anschlusspunkt und ein zweiter Anschlusspunkt (K) jeweils mit einem der zwei Pole (12a; 12b) der Batteriezelle (12) gekoppelt ist und ein dritter Anschlusspunkt (B) mit einer Steuereinheit (22) zum Steuern des Schalters (18) koppelbar ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschaltung (14) einen NTC-Widerstand (R2) aufweist, der zwischen zwei der drei Anschlusspunkte (B; E; K) geschaltet ist und dabei mit dem dritten Anschlusspunkt (B) gekoppelt ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (12) ein Zellgehäuse (26) aufweist, wobei die Schaltungsanordnung (16) außerhalb des Zellgehäuses (26) angeordnet ist und zumindest die Teilschaltung (14) zumindest zum Teil als am Zellgehäuse (26) der Batteriezelle (12) angeordnete Heizmatte ausgebildet ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenanordnung (10) eine Mehrzahl an in Reihe geschaltete Batteriezellen (12) und die Schaltungsanordnung (16) eine Mehrzahl an den jeweiligen Batteriezellen (12) zugeordneten Teilschaltungen (14) aufweist.
Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (16) eine Steuereinheit (22) aufweist, die mit dem Schalter (18) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, den Schalter (18) zu steuern.
Batteriezellenanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, die Batteriezellenanordnung (10) aufweisend eine Schaltungsanordnung (16) zum Ladungsausgleich und mindestens eine Batteriezelle (12) mit zwei Polen (12a; 12b), wobei parallel zur Batteriezelle (12) eine Teilschaltung (14) der Schaltungsanordnung (16) geschaltet ist, wobei die Teilschaltung (14) einen elektronisch steuerbaren Schalter (18) aufweist, der parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist und mit den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Schalter (18) dazu ausgelegt ist, in einem geöffneten Zustand die durch die Teilschaltung (14) bereitgestellte, elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei Polen (12a; 12b) der Batteriezelle (12) zu unterbrechen, wobei der Schalter (18) mit einer Steuereinheit (22) zum Steuern des Schalters (18) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschaltung (14) einen temperaturabhängigen Widerstand (R2) aufweist, der zwischen einen mit der Steuereinheit (22) koppelbaren Anschlusspunkt (20; B) des Schalters (18) und einem der zwei Pole (12a; 12b) der Batteriezelle (12) geschaltet ist, und der als NTC-Widerstand ausgebildet ist.
Batteriezellenanordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellenanordnung (10) einen temperaturabhängigen Widerstand (R1) aufweist, dessen Widerstandswert sich mit zunehmender Temperatur vergrößert, und der in Reihe zum Schalter (18) und parallel zur Batteriezelle (12) geschaltet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Batteriezellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.