DE102015009701A1

DE102015009701A1 - Compensation circuit for a battery or battery management systems

Info

Publication number: DE102015009701A1
Application number: DE102015009701.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Golla; Martin Helfrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Eine Ausgleichsschaltung für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs soll einfacher und sicherer gestaltet werden. Dazu wird eine Ausgleichsschaltung für eine Batterie mit einer Minusschiene (2), einer Plusschiene (3) und je Zelle (1) der Batterie: einem ersten elektrischen Schalter (5), der an einen Minuspol der jeweiligen Zelle (1) schaltbar ist und einem zweiten elektrischen Schalter (5'), der an die Plusschiene (3) geschaltet ist, vorgeschlagen. Der erste elektrische Schalter (5) ist mit einer ersten Diode (4) an die Minusschiene (2) geschaltet und der zweite elektrische Schalter (5') mit einer zweiten Diode (4) an einen Pluspol der jeweiligen Zelle (1) schaltbar. Eine galvanisch getrennte Spannungsquelle (6) verbindet die Gates beider elektrischer Schalter (5, 5') und Source des zweiten MOSFET (5).A compensation circuit for a high-voltage battery of a motor vehicle should be made simpler and safer. For this purpose, a compensation circuit for a battery with a negative rail (2), a positive rail (3) and each cell (1) of the battery: a first electrical switch (5) which is switchable to a negative pole of the respective cell (1) and a second electrical switch (5 ') which is connected to the positive rail (3) proposed. The first electrical switch (5) is connected with a first diode (4) to the negative rail (2) and the second electrical switch (5 ') with a second diode (4) to a positive pole of the respective cell (1) switchable. A galvanically isolated voltage source (6) connects the gates of both electrical switches (5, 5 ') and source of the second MOSFET (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsschaltung für eine (Hochvolt)-Batterie eines stationären Batteriespeichers, Kraftfahrzeugs oder Flugzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Hierbei wird eine bestimmte Zelle der Batterie geladen. Die elektrische Energie hierfür wird durch einen Stromversorgungsschiene mit Minus- und Pluspol zugeführt. Jeder Zellabgriff von seriell miteinander verschalteten Zellen ist über elektronische Schalter, hier zwei komplementär gerichtete serielle MOSFETs, an jeweils einem Pol der Versorgungsschiene verbunden.The present invention relates to a compensation circuit for a (high-voltage) battery of a stationary battery storage, motor vehicle or aircraft according to the preamble of claim 1. Here, a specific cell of the battery is charged. The electrical energy for this is supplied by a power supply rail with negative and positive pole. Each cell tap of serially interconnected cells is connected via electronic switches, here two complementary directed serial MOSFETs, to one pole of the supply rail.

Hochvoltbatterien für stationäre Batterien, Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen in der Regel eine Vielzahl an Batteriezellen auf, die in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Zellen sind hinsichtlich ihrer Spannung und ihrer Temperatur individuell zu überwachen.High-voltage batteries for stationary batteries, electric vehicles or hybrid vehicles usually have a plurality of battery cells, which are connected in series. The individual cells must be monitored individually with regard to their voltage and their temperature.

Wird eine zu große Spannungs-, bzw. Ladungsdifferenz detektiert, ist es für die Lebensdauer und die Verfügbarkeit einer Batterie vorteilhaft die Differenz durch Ladungsausgleich wieder anzugleichen. Dies kann durch Entladen (Passives Balancing) der vergleichsweise energiereichen Zellen oder durch das Laden (Aktives Balancing) der schwächsten Zellen realisiert werden. Die Energie für das selektive Laden hierfür kann durch den Zellblock selbst, Umladen von Nachbarzellen oder durch eine äußere Spannungsquelle geschehen. Die hierfür üblichen Ströme sind der Dimension von wenigen mA bis wenigen A.If an excessive voltage or charge difference is detected, it is advantageous for the life and the availability of a battery to equalize the difference by charge equalization. This can be achieved by discharging (passive balancing) the comparatively high-energy cells or by charging (active balancing) the weakest cells. The energy for the selective charging for this can be done by the cell block itself, reloading of neighboring cells or by an external voltage source. The customary currents are the dimension of a few mA to a few A.

Eine bekannte Ausgleichsschaltung wird beispielsweise zum Überwachen und Balancing eines Batterieblocks mit 31 Zellen maximal 4,2 V genutzt, was etwa 130,4 V ergibt. Jede Zelle ist an einer Seite mit einer Minusschiene und an der anderen Seite mit einer Plusschiene verbunden. Die Verbindung wird über gegenläufig geschaltete Dual-MOSFETs erreicht. Diese sperren den Stromfluss in beide Richtungen. Für obigen Batterieblock werden beispielsweise 64 Dual-MOSFETs beziehungsweise 128 Einzel-MOSFETs benötigt. Für das aktive Balancing liegt zwischen den beiden Schienen beispielsweise eine galvanisch getrennte Spannung von 5 bis 6 V an. Spannungsüberhöhungen können notwendig sein, um jede Zelle über 4,2 V zu laden und alle Innenwiderstände zwischen der Spannungsquelle und den Zellabgriffen selbst zu kompensieren. Spannungsabfälle in der Größenordnugen von 1–3 V sind hier typisch.A known equalization circuit is used, for example, for monitoring and balancing a battery block with 31 cells maximum 4.2 V, which gives about 130.4 V. Each cell is connected to a minus rail on one side and to a plus rail on the other side. The connection is achieved via counter-switched dual MOSFETs. These block the flow of current in both directions. For the above battery block, for example, 64 dual MOSFETs or 128 single MOSFETs are needed. For active balancing, for example, a galvanically isolated voltage of 5 to 6 V is applied between the two rails. Voltage excursions may be needed to charge each cell above 4.2V and compensate for any internal resistance between the voltage source and the cell taps themselves. Voltage drops in the order of 1-3 V are typical here.

Hinsichtlich der Sicherheit ist zu erwähnen, dass die Doppel-MOSFETs zum Sperren in beide Richtungen durch einen elektromagnetischen Impuls direkt oder indirekt geschlossen werden könnten. Dadurch könnte ein unkontrolliertes Laden beziehungsweise Entladen erfolgen. Das Konzept dieser Ausgleichsschaltung ist also unter Umständen nicht sicher genug, um ein gemeinsames Durchsteuern der MOSFETs zu verhindern. Beispielsweise wäre ein Kurzschluss der Zellen die Folge. Ein weiterer Nachteil der oben geschilderten Ausgleichsschaltung besteht darin, dass die hohe Bauteilanzahl ein Platz- und Kostenproblem darstellt.With regard to safety, it should be mentioned that the double MOSFETs for blocking in both directions could be closed directly or indirectly by an electromagnetic pulse. This could result in an uncontrolled charging or discharging. The concept of this compensation circuit may therefore not be secure enough to prevent the common MOSFETs from being driven through. For example, a short circuit of the cells would result. Another disadvantage of the above-described compensation circuit is that the high number of components represents a space and cost problem.

Aus der Druckschrift US 2006/0097287 A1 ist eine Spannungsüberwachung für verbundene Energiespeicherzellen bekannt. Eine Spannungsüberwachungsschaltung dient zum Überwachen von weniger als allen Zellen eines seriellen Blocks von Energiespeicherzellen. Die einzelnen Zellspannungen in dem Block werden mit Hilfe eines Spannungs-Equalizers ausgeglichen, sodass die Spannung jeder einzelnen Zelle oder einer Kombination von ausgewählten Zellen einen Hinweis auf die Spannung jeder individuellen Zelle in dem Block gibt.From the publication US 2006/0097287 A1 Voltage monitoring for connected energy storage cells is known. A voltage monitoring circuit serves to monitor less than all cells of a serial block of energy storage cells. The individual cell voltages in the block are balanced by means of a voltage equalizer so that the voltage of each individual cell or a combination of selected cells gives an indication of the voltage of each individual cell in the block.

Darüber hinaus offenbart die Druckschrift US 2004/0135545 A1 einen bidirektionalen Leistungswandler zum Ausgleich von Ladungszuständen zwischen in Serie verbundenen elektrischen Speichereinheiten. Dabei ist es möglich, eine einzelne Zelle durch Einschalten unidirektionaler MOSFET-Schalter zu entladen. Eine Diode in Serie mit jedem unidirektionalen MOSFET-Schalter wird benötigt, um unerwünschte Leitungspfade zu blockieren.In addition, the document discloses US 2004/0135545 A1 a bidirectional power converter for balancing charge states between series-connected electrical storage units. It is possible to discharge a single cell by turning on unidirectional MOSFET switches. A diode in series with each unidirectional MOSFET switch is needed to block unwanted conduction paths.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Sicherheit einer Ausgleichsschaltung zu erhöhen und gleichzeitig die Bauteilkosten und -anzahl zu reduzieren.The object of the present invention is to increase the safety of a compensation circuit while reducing the component cost and number.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ausgleichsschaltung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach z. B. eine Ausgleichsschaltung für eine Hochvoltbatterie mit einer oder mehreren Minusschienen, einer oder mehreren Plusschienen und je Zelle der Hochvoltbatterie einem ersten MOSFET, der an einen Minuspol der jeweiligen Zelle schaltbar ist und einem zweiten MOSFET, der an die Plusschiene geschaltet ist, bereitgestellt. Über die Minusschiene und die Plusschiene wird die Energie zum aktiven Balancing geliefert. Der erste MOSFET ist mit einer ersten Diode in Serie an die Minusschiene geschaltet. Des Weiteren ist der zweite MOSFET mit einer zweiten Diode in Serie an einen Pluspol der jeweiligen Zelle schaltbar.According to the invention this object is achieved by a compensation circuit according to claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims. Accordingly, according to the present invention z. B. a compensation circuit for a high-voltage battery with one or more negative bars, one or more plus rails and each cell of the high-voltage battery a first MOSFET, which is switchable to a negative pole of each cell and a second MOSFET, which is connected to the positive rail provided. Over the negative rail and the plus rail, the energy is supplied for active balancing. The first MOSFET is connected in series with a first diode to the negative rail. Furthermore, the second MOSFET with a second diode can be connected in series to a positive pole of the respective cell.

Bei einer Batterievorrichtung, bei der die Hochvoltbatterie an die Ausgleichsschaltung angeschlossen ist, ist also der erste MOSFET direkt an den Minuspol der jeweiligen Zelle geschaltet und ebenso der zweite MOSFET über die zweite Diode direkt an den Pluspol der jeweiligen Zelle. Insgesamt ist somit jede Batteriezelle nicht über zwei gegenläufige Dual-MOSFETs, sondern über zwei Serienschaltungen von jeweils MOSFET und Diode an die Minusschiene und die Plusschiene geschaltet. Aus dem Stand der Technik ist jedem Dual-MOSFET je ein Fototkoppler zugeordnet. Erfindungsgemäß ist die Schaltung jedoch so ausgeführt, dass jeder Zelle ist ein Fotokoppler zugeordnet werden kann. Durch diese Schaltungsanordnung kann sowohl der MOSFET des jeweiligen Pluspols, als auch des Minuspols durch einen gemeinsamen Foto-Koppler über eine positive Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source des N-dotierten MOSFETs angesteuert werden. Bei den genannten Schaltungen handelt es sich immer um N-MOSFETs. Für P-MOSFETs ist die jeweilige Schaltung entsprechend abzuwandeln. Ein Fotokoppler besitzt eine Lichtquelle (zum Beispiels LED) und eine Solarzelle. Er liefert also ausgangsseitig Energie, bzw. eine SchaltspannungIn a battery device in which the high-voltage battery is connected to the equalization circuit, so the first MOSFET is connected directly to the negative pole of the respective cell and also the second MOSFET via the second diode directly to the positive pole of the respective cell. Overall, therefore, each battery cell is not connected via two opposing dual MOSFETs, but via two series circuits of each MOSFET and diode to the negative bus and the positive rail. From the prior art each photomode is assigned to each dual MOSFET. According to the invention, however, the circuit is designed so that each cell is a photocoupler can be assigned. By means of this circuit arrangement, both the MOSFET of the respective positive pole and of the negative pole can be driven by a common photo-coupler via a positive voltage difference between the gate and source of the N-doped MOSFET. These circuits are always N-MOSFETs. For P-MOSFETs, the respective circuit must be modified accordingly. A photocoupler has a light source (for example LED) and a solar cell. So it provides output side energy, or a switching voltage

Vorzugsweise verbindet ausschließlich ein Widerstand Gate und Source des ersten MOSFET am Minuspol der jeweiligen Zelle und das Gate dieses ersten MOSFET ist auch an den Fotokoppler angeschlossen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dieser Widerstand abhängig von der Leistung der Spannungsquelle einen Widerstandswert zwischen 100 kOhm und 100 MOhm und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 MOhm besitzt. Durch diese Beschaltung kann ein Fotokoppler für beide MOSFETs verwendet werden. Dadurch wird die Komplexität der Bauteile wiederum reduziert, und es können Kosten eingespart werden.Preferably, only one resistor connects the gate and source of the first MOSFET to the negative terminal of the respective cell, and the gate of this first MOSFET is also connected to the photocoupler. In particular, it is advantageous if this resistor, depending on the power of the voltage source, has a resistance value between 100 kOhm and 100 MOhm, and preferably in the range of 5 to 10 MOhm. Through this wiring, a photocoupler can be used for both MOSFETs. This in turn reduces the complexity of the components and saves costs.

In einer Weiterbildung entfällt auch der erste MOSFET an der ersten Zelle der Hochvoltbatterie. Dabei liegt die erste Zelle am Anfang eines Zellblocks beziehungsweise der gesamten Hochvoltbatterie, welche durch eine Serienschaltung von Zellen gebildet werden. Der zweite MOSFET wird praktisch überbrückt, sodass der Minuspol der ersten Zelle direkt mit der Anode der ersten Diode verbunden ist, während die Kathode der ersten Diode direkt mit der Minusschiene verbunden ist. Durch diese Maßnahme lässt sich erneut ein MOSFET einsparen.In a further development, the first MOSFET is also omitted from the first cell of the high-voltage battery. The first cell is at the beginning of a cell block or the entire high-voltage battery, which are formed by a series connection of cells. The second MOSFET is virtually bypassed, so that the negative pole of the first cell is directly connected to the anode of the first diode, while the cathode of the first diode is connected directly to the negative rail. This measure can again save a MOSFET.

Auch an der Zelle mit dem höchsten Potential der Hochvoltbatterie kann der zweite MOSFET am Pluspol der Zelle entfallen und überbrückt sein. Dabei ist die Plusschiene über die Anode der zweiten Diode direkt mit dem Pluspol der letzten Zelle verbunden. Es lässt sich also auch hier ein MOSFET einsparen.Even at the cell with the highest potential of the high-voltage battery, the second MOSFET at the positive pole of the cell can be omitted and bridged. The plus rail is connected via the anode of the second diode directly to the positive pole of the last cell. It is also possible to save a MOSFET here.

Auch an der letzten Zelle der Hochvoltbatterie kann der zweite MOSFET entfallen indem er durch eine Diode ersetzt wird. Dabei ist die Plusschiene über die Anode der zweiten Diode direkt mit dem Pluspol der letzten Zelle verbunden. Der erste Mosfet entfällt, da das Laden der nächst höheren Zelle nicht existiert und kein Strom in die negative Laderichtung fließen kann. Somit lassen sich auch hier zwei MOSFET einsparen.Even at the last cell of the high-voltage battery, the second MOSFET can be omitted by being replaced by a diode. The plus rail is connected via the anode of the second diode directly to the positive pole of the last cell. The first mosfet is omitted because the loading of the next higher cell does not exist and no current can flow in the negative charging direction. Thus, two MOSFETs can also be saved here.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung beispielhaft wiedergibt.The present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing, which exemplifies a circuit diagram of a compensation circuit according to the invention.

Die nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in anderen, technisch sinnvollen Kombinationen oder auch in Alleinstellung realisiert werden können.The embodiments described below represent preferred embodiments of the present invention. It should be noted that the individual features can be realized not only in the described combinations, but also in other technically meaningful combinations or in isolation.

Ziel der Erfindung ist beispielsweise eine Optimierung der Schaltung für das derzeitig verwendete Verfahren des aktiven Balancings in Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wird mit einer potenzialfreien Spannungsquelle über einen Array aus Doppel-MOSFETs gezielt jeweils ausschließlich eine Batteriezelle gleichzeitig geladen. Jedes MOSFET-Paar wird dabei von einem potenzialfreien Fotokoppler getrieben. Die Optimierung besteht aus einer Schaltplananpassung mit Bauteilreduktion. Die Schaltung wird günstiger und gleichzeitig sicherer. Vorher kam es unter bestimmten Umständen (Störpegeln) zu einem unerwünschten Öffnen mehrerer MOSFETs und keinem selbstständigen Schließen, was zur Entladung mehrerer Zellen führen kann.The aim of the invention is, for example, an optimization of the circuit for the currently used method of active balancing in lithium-ion batteries. In this case, with a potential-free voltage source via an array of double MOSFETs, only one battery cell is specifically charged at a time. Each MOSFET pair is driven by a potential-free photocoupler. The optimization consists of a circuit diagram adaptation with component reduction. The circuit is cheaper and at the same time safer. Previously, under certain circumstances (noise levels), unwanted opening of multiple MOSFETs, and no self-closing, could result in the discharge of multiple cells.

In der Figur ist symbolisch eine Batterie mit fünf Einzelzellen 1 dargestellt. Beispielsweise besitzt jede Zellspannung den Wert 4 V. Eine Hochvoltbatterie, deren Spannung über 60 V liegt, besitzt eine entsprechende Anzahl an Einzelzellen.In the figure is symbolically a battery with five single cells 1 shown. For example, each cell voltage has the value 4 V. A high-voltage battery whose voltage is above 60 V has a corresponding number of individual cells.

Das Balancing erfolgt über einen Lade- und Entladebus, der eine Minusschiene 2 und eine Plusschiene 3 aufweist. Der Minuspol jeder einzelnen Zelle 1 ist separat mit der Minusschiene 2 verbunden. Ebenso ist der Pluspol jeder einzelnen Zelle 1 separat mit der Plus-Schiene 3 verbunden. In allen Verbindungen sorgt jeweils eine Diode dafür, dass Kurzschlüsse zu dem Lade- und Entladebus verhindert werden. Dabei ist in Verbindungen zu der Minus-Schiene 2 jeweils die Kathode der entsprechenden Dioden der Minusschiene 2 zugewandt, während in den Verbindungen zu der Plusschiene 3 jeweils die Anoden der jeweiligen Dioden mit der Plus-Schiene 3 verbunden sind.The balancing takes place via a loading and unloading bus, which is a minus rail 2 and a plus rail 3 having. The negative pole of every single cell 1 is separate with the minus rail 2 connected. Likewise, the plus pole of every single cell 1 separately with the plus rail 3 connected. In each connection, a diode ensures that short circuits to the charging and discharging bus are prevented. It is in connections to the minus rail 2 in each case the cathode of the corresponding diodes of the negative rail 2 facing while in the connections to the plus rail 3 in each case the anodes of the respective diodes with the plus rail 3 are connected.

Der Pluspol jeder Zelle 1 ist über einen MOSFET 5 und die jeweilige Diode 4 an die Plus-Schiene 3 gelegt. In gleicher Weise ist jeder Minuspol der einzelnen Zellen 1 über einen MOSFET 5 und die jeweilige Diode 4 an die Minus-Schiene 2 gelegt. Ausnahmen sind lediglich die Verbindung der negativsten Zelle in der Serienschaltung der Zellen mit der Minus-Schiene 2 und die Verbindung der positivsten Zelle in der Serienschaltung der Zellen 1 mit der Plus-Schiene 3. In beiden Verbindungen kann der jeweilige MOSFET entfallen und der dort an sich vorgesehene Transistor ist überbrückt. Diese beiden Verbindungen an der ersten Zelle und an der letzten Zelle weisen also nur eine jeweilige Diode 4 auf.The positive pole of every cell 1 is via a mosfet 5 and the respective diode 4 to the plus rail 3 placed. In the same way every negative pole of the individual cells is 1 via a MOSFET 5 and the respective diode 4 to the minus rail 2 placed. Exceptions are only the connection of the Most negative cell in the series connection of the cells with the minus rail 2 and the connection of the most positive cell in the series connection of the cells 1 with the plus rail 3 , In both compounds, the respective MOSFET can be omitted and there provided transistor itself is bypassed. These two connections to the first cell and to the last cell thus have only one respective diode 4 on.

Gegenüber herkömmlichen Ausgleichsschaltungen, bei denen sämtliche Verbindungen der Batteriezellen zu den Minus- und Plusschienen jeweils einen Doppel-MOSFET aufweisen, besitzt die erfindungsgemäße Ausgleichsschaltung in jeder Verbindung maximal einen MOSFET. Die Hälfte der MOSFETs ist durch Dioden 4 ersetzt. In dem oben gewählten Beispiel können somit 64 MOSFETs durch 64 Dioden ersetzt werden. Weiterhin kann auf die überflüssigen MOSFETs an den Block-Abschlüssen verzichtet werden, wodurch weitere zwei Stück MOSFETs eingespart werden. Der Platzbedarf der Bauteile reduziert sich dadurch erheblich (im Beispiel etwa 50%).Compared to conventional equalization circuits, in which all the connections of the battery cells to the negative and plus rails each have a double MOSFET, the compensation circuit according to the invention has in each connection a maximum of a MOSFET. Half of the MOSFETs are through diodes 4 replaced. Thus, in the example above, 64 MOSFETs can be replaced by 64 diodes. Furthermore, the redundant MOSFETs can be dispensed with the block terminations, which saves another two pieces of MOSFETs. The space requirement of the components is thereby reduced considerably (in the example about 50%).

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Ausgleichsschaltung prinzipiell erläutert. Sowohl im angeschalteten wie auch im abgeschalteten Zustand ist jeder zweite MOSFET in Bezug auf die Stromrichtung durch seine Bulk- beziehungsweise Body-Diode leitend. Die MOSFET-Funktion reduziert lediglich im geschlossenen Zustand die Abfallspannung beziehungsweise den Widerstand. Die Sperrfunktion dieser überbrückten Body-Diode wird erfindungsgemäß mit einer kostengünstigeren Diode ersetzt, wenn der permanente Spannungsabfall vertretbar ist. Zudem ist eine permanent sperrende Diode durch einen elektromagnetischen Impuls nicht leitend, sodass im Störfall kein Strom in Sperrrichtung fließen kann. Der Kurzschluss einer Zelle über eine der Ladeleitungen ist somit unwahrscheinlich.In the following, the operation of the equalization circuit will be explained in principle. Both in the on and off state, each second MOSFET is conductive with respect to the current direction through its bulk or body diode. The MOSFET function only reduces the drop voltage or the resistance when closed. The blocking function of this bridged body diode is replaced according to the invention with a less expensive diode when the permanent voltage drop is justifiable. In addition, a permanently blocking diode is non-conductive due to an electromagnetic pulse, so that in the event of a fault, no current can flow in the reverse direction. The short circuit of a cell via one of the charging lines is unlikely.

An den Enden des Batterieblocks können, wie bereits angedeutet wurde, sämtliche MOSFETs entfallen. Zum Laden einer Zelle muss hier in Abhängigkeit vom Ladestrom (zum Beispiel 0,5 A) und der zugehörigen Abfallspannung (über zwei Dioden etwa 2 × 0,58 V welche zudem stark strom- und temperaturabhängig ist) die Ladespannung beispielsweise 1,2 V über die maximale Zellspannung gesetzt werden, das heißt die Ladeschiene sollte beispielsweise von 5 V auf 6 V erhöht werden.As already indicated, all MOSFETs can be dispensed with at the ends of the battery block. For charging a cell here, depending on the charging current (for example, 0.5 A) and the associated waste voltage (about two diodes about 2 × 0.58 V which is also highly current and temperature dependent), the charging voltage, for example 1.2 V above For example, the charging voltage should be increased from 5V to 6V.

Die MOSFETs 5 werden, wie die Figur zeigt, mithilfe von Fotokopplern 6 gesteuert, welche ihrerseits durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung (zum Beispiel Mikrocontroller) angesteuert werden. Dabei ist das Gate eines MOSFET 5 mit dessen Source über den Fotokoppler 6 verbunden. Dies ist in allen Verbindungen des Batteriestrangs mit der Plus-Schiene 3 der Fall. Wie aus der Fig. hervorgeht, kann der Fotokoppler 6 zur Steuerung eines MOSFET 5' in einer Plus-Schienenverbindung auch dazu genutzt werden, den MOSFET 5 in der korrespondierenden Minus-Schienenverbindung zu steuern. Dadurch kann auf jeden zweiten Fotokoppler verzichtet werden. Die Anzahl der Fotokoppler wird dadurch halbiert. In den Minus-Schienenverbindungen ist das Gate des jeweiligen MOSFET 5 hier über einen hochohmigen Widerstand von zum Beispiel 5 bis 10 MOhm an Source des MOSFET angeschlossen.The MOSFETs 5 are, as the figure shows, using photocouplers 6 controlled, which in turn are controlled by a control device, not shown (for example, microcontroller). The gate of a MOSFET is 5 with its source via the photocoupler 6 connected. This is in all connections of the battery string with the plus rail 3 the case. As is apparent from the Fig., The photocoupler 6 for controlling a MOSFET 5 ' in a plus rail connection also be used to the mosfet 5 in the corresponding minus rail connection. This can be dispensed with every second photocoupler. The number of photocouplers is thereby halved. In the minus rail connections is the gate of the respective MOSFET 5 here connected to the source of the MOSFET via a high-resistance of, for example, 5 to 10 MOhm.

Wenn in einem konkreten Beispiel die zweite Zelle 1 von links geladen wird, schaltet der zugehörige Fotokoppler 6, womit die Minus-Schiene 2 auf dem negativen Zellpotenzial (zum Beispiel 4 V) und die Plus-Schiene auf dem positiven Zellpotenzial (zum Beispiel 8 V) liegt. Zwischen beiden Schienen liegt also einfache Zellspannung an. Die zweite Zelle kann so durch eine Spannungsquelle mit Strombegrenzung geladen werden. Der MOSFET schaltet am Pluspol mit 9 V (vom Fotokoppler) und am Minuspol die Differenz von 9 V und der Zellspannung, was etwa 5 V entspricht. Das Potenzial zum Sperren an den Gates wird zum einen über den Widerstand der Fotokoppler und zum anderen über den jeweiligen hochohmigen Widerstand 7 mit 0 V und „0 V Zellpotenzial” hergestellt.If in a concrete example the second cell 1 is loaded from the left, switches the associated photocoupler 6 , bringing the minus rail 2 on the negative cell potential (for example 4 V) and the positive rail on the positive cell potential (for example 8 V). So between both rails is simple cell voltage. The second cell can thus be charged by a voltage source with current limitation. The MOSFET switches at the positive pole with 9 V (from the photocoupler) and at the negative pole the difference of 9 V and the cell voltage, which corresponds to about 5 V. The potential for blocking at the gates is on the one hand on the resistance of the photocouplers and the other on the respective high-impedance resistor 7 with 0 V and "0 V cell potential" produced.

Die Funktionsweise kann anhand eines beispielhaften Potenzialbezugs auf die niedrigste Zellspannung (hier definiert als 0 V) verdeutlicht werden. Ist kein Fotokoppler 6 aktiv, liegen auf der Minus-Schiene 2 0 V an. Ist einer der Fotokoppler 6 aktiv, dann liegt auf der Minus-Schiene 2 das entsprechende Zellpotenzial an. Das Potenzial ist höher als 0 V. Es fließt also kein Strom zur ersten Zelle. Entsprechendes gilt für die Plus-Schiene 3. Wird ein Fotokoppler geschaltet, liegt auf der Minus-Schiene das Zellpotenzial des negativen Pols der entsprechenden kontaktierten Zelle an. Auf der Plus-Schiene 3 liegt entsprechend das Potenzial plus die Ladespannung. Wird noch dazu der MOSFET 5' am positiven Pol der Zelle geöffnet (geschieht zeitgleich), dann kann Strom von der Plus-Schiene 3 in diese Zelle fließen, aber in keine andere, da die Spannung nicht hoch genug ist, um die Diode zu überbrücken.The mode of operation can be illustrated by an example reference to the lowest cell voltage (defined here as 0 V). Is not a photocoupler 6 active, lie on the minus rail 2 0V on. Is one of the photocouplers 6 active, then lies on the minus rail 2 the corresponding cell potential. The potential is higher than 0 V. So no current flows to the first cell. The same applies to the plus rail 3 , When a photocoupler is switched, the cell potential of the negative pole of the corresponding contacted cell rests on the negative bus. On the plus rail 3 is correspondingly the potential plus the charging voltage. In addition, the MOSFET 5 ' Opened at the positive pole of the cell (happens at the same time), then can power from the plus rail 3 flow into this cell, but no other, because the voltage is not high enough to bridge the diode.

In vorteilhafter Weise sind bei der erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung gegenüber einer reinen MOSFET-Lösung etwa die Hälfte der MOSFETs durch Dioden ersetzt. Der Spannungsabfall an den Dioden kann durch die Wahl einer Stromquelle mit höherer Spannung kompensiert werden. Durch diesen Aufbau können geringere Kosten erreicht werden. Die jeweilige Diode wird in Sperrrichtung durch Störpegel nicht leitfähig.Advantageously, in the inventive compensation circuit compared to a pure MOSFET solution about half of the MOSFETs are replaced by diodes. The voltage drop across the diodes can be compensated by choosing a higher voltage power source. By this construction, lower costs can be achieved. The respective diode becomes non-conductive in the reverse direction due to interference levels.

Ein zweiter Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgleichsschaltung besteht darin, dass nicht jeder MOSFET durch einen separaten Fotokoppler angesteuert werden muss. Vielmehr kann ein Fotokoppler zwei MOSFETs steuern. Um eine Zelle aktiv ausgleichen zu können, muss der Minuspol der Zelle auf den Minuspol der potenzialfreien Spannungsquelle geschaltet werden. Entsprechendes gilt für die Pluspole. Erfindungsgemäß sind dafür nur noch ein einziger Fotokoppler und zwei Einzel-MOSFETs sowie die Dioden notwendig. Der Fotokoppler treibt den einen MOSFET mit seiner Eigenspannung und den anderen mit seiner Eigenspannung plus einer Zellspannung. Durch eine solche Spannung werden weniger Bauteile benötigt und es ergeben sich geringere Kosten. Außerdem ergibt sich eine erhöhte Störfestigkeit, da der MOSFET auf der Plusseite einer Zelle mit negativer Spannung gesperrt wird.A second advantage of the equalization circuit according to the invention is that not every MOSFET is separated by a separate photocoupler must be controlled. Rather, a photocoupler can control two MOSFETs. In order to actively balance a cell, the negative pole of the cell must be switched to the negative pole of the potential-free voltage source. The same applies to the positive poles. According to the invention only a single photocoupler and two single MOSFETs and the diodes are necessary for it. The photocoupler drives one MOSFET with its residual voltage and the other with its residual voltage plus a cell voltage. Such a voltage requires fewer components and results in lower costs. In addition, there is an increased immunity to interference, since the MOSFET is blocked on the plus side of a cell with negative voltage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Zellecell
22: Minus-SchieneMinus-rail
33: Plus-SchienePlus rail
44: Diodediode
5, 5'5, 5 ': MOSFETMOSFET
66: Fotokopplerphotocoupler
77: Widerstandresistance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2006/0097287 A1 [0006]
US 2004/0135545 A1 [0007]

Claims

Compensation circuit for a battery with - a negative rail ( 2 ), - a plus rail ( 3 ) and - per cell ( 1 ) of the battery: - a first electrical switch ( 5 ) connected to a negative terminal of the respective cell ( 1 ) is switchable and - a second electrical switch ( 5` ) connected to the positive rail ( 3 ), wherein - the first electrical switch ( 5 ) with a first diode ( 4 ) to the negative rail ( 2 ) and - the second electrical switch ( 5 ' ) with a second diode ( 4 ) to a positive pole of the respective cell ( 1 ), characterized in that - a galvanically isolated voltage source ( 6 ) the gates of both electrical switches ( 5 . 5 ' ) and source of the second MOSFET.

Compensation circuit according to claim 1, characterized in that the electrical switch is designed as an IGBT, bipolar transistor or MOSFET.

Compensation circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the galvanically isolated voltage source is implemented as a photocoupler, coil with rectification, as a capacitive charged source or as an opto-coupler transistor circuit.

Compensation circuit according to one of the preceding claims, characterized in that only one resistor ( 7 ) Gate and source of the first MOSFET ( 5 ) connects.

Compensation circuit according to claim 4, characterized in that the resistance of the resistor ( 7 ) is between 100 kohms and 100 megohms, and preferably in the range of 5 to 10 megohms.

Compensation circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at the first cell ( 1 ) of the high-voltage battery, the first electrical switch ( 5 ) and replaced by a diode.

Compensation circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at the last cell ( 1 ) of the high-voltage battery, the second electrical switch ( 5 ' ) and replaced by a diode.