DE102016210108A1

DE102016210108A1 - Charge balance arrangement and method for charge equalization

Info

Publication number: DE102016210108A1
Application number: DE102016210108.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Echelmeyer; Michael Roscher; Philipp Just; Marcel Kramer; Lars Ebert
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp System Engineering GmbH
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladungsausgleichsanordnung für zumindest zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen.The invention relates to a charge balancing arrangement for at least two battery cells connected in series.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladungsausgleichsanordnung für zumindest zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen, mit einer Ladeelektronik zum Laden der zumindest zwei Batteriezellen und zumindest zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen und eine der Anzahl der Batteriezellen entsprechende Anzahl an Steuerungsmodulen, die zu jeweils einer Batteriezelle parallel geschaltet sind. The invention relates to a charge balance arrangement for at least two series-connected battery cells, with a charging electronics for charging the at least two battery cells and at least two series-connected battery cells and the number of battery cells corresponding number of control modules, which are connected in parallel to each of a battery cell.

Bei der Herstellung von modernen Batterien aus einer Vielzahl einzelner in Reihe geschalteter Batteriezellen werden zusätzlich Sensoren und parallele Stromkreise angeschlossen. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Batteriezellen. Die Sensoren und die parallelen Stromkreise dienen der Überwachung der einzelnen Batteriezellen und dem Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batteriezellen. Da sich die in Reihe geschalteten Batteriezellen nur gemeinsein laden beziehungsweise entladen lassen, wird die Leistungsfähigkeit der gesamten Batterie ohne Maßnahmen zum Ladungsausgleich von den Batteriezellen mit der geringsten Kapazität bestimmt. Da unterschiedliche Ladungszustände der Batteriezellen diese unterschiedlich altern lassen, ergibt sich im Zeitverlauf eine fortschreitende Abweichung der Kapazitäten der Batteriezellen untereinander. Über die Sensoren und die parallelen Stromkreise kann eine Überladung der Zellen erkannt und verhindert und ein nahezu einheitlicher Ladungszustand der Batteriezellen gewährleistet werden. Stand der Technik hierzu ist beispielsweise in der EP 2 610 996 A1 beschrieben. In the manufacture of modern batteries from a large number of individual battery cells connected in series, additional sensors and parallel circuits are connected. This applies in particular to lithium-ion battery cells. The sensors and the parallel circuits serve to monitor the individual battery cells and charge balance between the individual battery cells. Since the series-connected battery cells can only be charged or discharged together, the performance of the entire battery is determined by the battery cells with the least capacity without measures for charge compensation. Since different charge states of the battery cells let them age differently, a progressive deviation of the capacities of the battery cells with one another results over time. Over the sensors and the parallel circuits overcharge of the cells can be detected and prevented and a nearly uniform state of charge of the battery cells can be ensured. The state of the art for this purpose is for example in the EP 2 610 996 A1 described.

Insgesamt sind die beschriebenen Anordnungen mit großem Aufwand verbunden, da die Sensoren und die parallelen Stromkreise an jede der Batteriezellen angeschlossen, überwacht und angesteuert werden müssen. Dies bedeutet Material- und Fertigungsaufwand und erhöht das Gewicht und die Größe der gesamten Batterie. Overall, the described arrangements are associated with great expense, since the sensors and the parallel circuits must be connected to each of the battery cells, monitored and controlled. This means material and manufacturing costs and increases the weight and size of the entire battery.

Besondere Relevanz erhält die beschriebene Problematik in einer Anwendung, in der die Batterie als Bipolarbatterie aufgebaut ist. Da bei einer Bipolarbatterie keine Anschlusspole im üblichen Sinn vorhanden sind, ist es nicht ohne Weiteres möglich parallele Stromkreise vorzusehen. Das Anbringen von Sensoren ist besonders aufwendig. Ein Beispiel hierzu kann der EP 1 704 616 B1 entnommen werden. The problem described becomes particularly relevant in an application in which the battery is constructed as a bipolar battery. Since there are no connection poles in the usual sense in a bipolar battery, it is not readily possible to provide parallel circuits. The attachment of sensors is particularly expensive. An example of this can be the EP 1 704 616 B1 be removed.

In der EP 2 719 012A1 ist schließlich eine Überwachung einer Vielzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen mittels eines externen Frequenzgenerators bekannt, der verschiedene Frequenzen erzeugt, um damit gezielt bestimmte Batteriezellen zu untersuchen. Dies ist mit einem erheblichen schaltungstechnischen Aufwand verbunden. In the EP 2 719 012A1 Finally, a monitoring of a plurality of series-connected battery cells by means of an external frequency generator is known, which generates different frequencies in order to specifically investigate certain battery cells. This is associated with a considerable circuit complexity.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anwendung der Vorrichtung bereitzustellen, die es mit geringem technischen Aufwand ermöglichen in Reihe geschaltete Batteriezellen sicher ohne Überladung einzelner Batteriezellen zu laden und dabei die einzelnen Batteriezellen unterscheidbar zu machen. Proceeding from this, the object of the present invention is to provide a device and a method for the application of the device, which allow with little technical effort to charge battery cells connected in series safely without overcharging individual battery cells and thereby make the individual battery cells distinguishable.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ladungsausgleichsanordnung für zumindest zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen, umfassend eine Ladeelektronik zum Laden der zumindest zwei Batteriezellen, zumindest zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen und eine der Anzahl der Batteriezellen entsprechende Anzahl an Steuerungsmodulen, die zu jeweils einer Batteriezelle parallel geschaltet sind und wobei jedes Steuerungsmodul einen spannungsgesteuerten Schalter und einen Oszillator aufweist, wobei der spannungsgesteuerte Schalter in Abhängigkeit einer Ladegrenzspannung der Batteriezelle zwischen einer ungeschalteten und einer geschalteten Stellung schaltbar ist und in der geschalteten Stellung den Oszillator mit der Ladespannung der Batteriezelle zu beaufschlagen, um über den Oszillator einen oszillierenden Entladestrom mit einer Frequenz über den Oszillator zur Entladung der Batteriezelle zu erzeugen. The object is achieved by a charge balancing arrangement for at least two series-connected battery cells, comprising a charging electronics for charging the at least two battery cells, at least two series-connected battery cells and a number of battery cells corresponding number of control modules, which are connected in parallel to each of a battery cell and wherein each control module comprises a voltage controlled switch and an oscillator, wherein the voltage controlled switch is switchable in response to a charging limit voltage of the battery cell between an unswitched and a switched position and in the switched position, the oscillator with the charging voltage of the battery cell to apply via the oscillator to generate an oscillating discharge current having a frequency across the oscillator for discharging the battery cell.

Erfindungsgemäß wird ein integriertes Schaltmodul bereitgestellt, das einfach parallel zu den Anschlusskontakten einer Batteriezelle angeordnet werden kann. Dieses Anordnen kann einfach bei der Herstellung der Batterie, beziehungsweise dem Zusammensetzen der einzelnen Batteriezellen zu einer Batterie, durchgeführt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das integrierte Schaltmodul beziehungsweise die Steuerungsmodul direkt in jede der Batteriezellen integriert wird. Bei der Ladegrenzspannung kann es sich beispielsweise um eine Ladeschlussspannung handeln, die bei Lithium-Ionen-Batteriezellen regelmäßig im Bereich von 4,1 Volt bis 4,2 Volt liegt. Bevorzugt ist nun vorgesehen, dass bei Erreichen oder alternativ bei Überschreiten der Ladegrenzspannung der spannungsgesteuerte Schalter die geschaltete Stellung einnimmt beziehungsweise in diese schaltet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oszillatoren der Steuerungsmodule jeweils Entladeströme mit voneinander unterscheidbarer Frequenz erzeugen. Durch individuell definierte Frequenzen können mehrere Batteriezellen gleichzeitig überwacht werden, da verschiedene, gleichzeitig auftretende Frequenzen unterschieden werden können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Oszillator durch einen astabilen Multivibrator gebildet wird. According to the invention, an integrated switching module is provided which can be arranged simply parallel to the terminal contacts of a battery cell. This arrangement can be easily carried out in the manufacture of the battery, or the assembly of the individual battery cells to form a battery. Alternatively, it can also be provided that the integrated switching module or the control module is integrated directly into each of the battery cells. The charging limit voltage may be, for example, a charging final voltage, which is regularly in the range of 4.1 volts to 4.2 volts for lithium-ion battery cells. Preferably, it is now provided that upon reaching or alternatively when the charging limit voltage is exceeded, the voltage-controlled switch assumes the switched position or switches into it. Furthermore, it is preferably provided that the oscillators of the control modules each generate discharge currents with mutually distinguishable frequency. Individually defined frequencies allow multiple battery cells to be monitored at the same time, since different, simultaneously occurring frequencies can be distinguished. It is preferably provided that the oscillator is formed by an astable multivibrator.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ladeelektronik dazu ausgebildet ist, den Entladestrom definierter Frequenz zu erkennen und in Abhängigkeit eines Erkennens des Wechselstroms einen Ladestrom zu den Batteriezellen zu unterbrechen. Hierdurch ist gewährleistet, dass erkannt werden kann, wenn eine der Batteriezellen ihre Ladegrenzspannung, beispielsweise ihre Ladeschlussspannung, erreicht hat. Über die individuelle Frequenz des entsprechenden Oszillators kann die Batteriezelle gezielt von der Ladeelektronik erkannt werden. Hierdurch kann darauf verzichtet werden, jede einzelne Batteriezelle mit einer Sensorik und einer Verkabelung auszurüsten. Wird eine Oszillation im Ladestrom erkannt, kann der Ladevorgang unterbrochen werden. Die entsprechende Batteriezelle wird nun über das ideengemäße Modul entladen, bis die Spannung unter die definierte Ladegrenzspannung gesunken ist. Dieser Vorgang kann in der Ladeelektronik anhand der weiterhin erkennbaren Oszillation überwacht werden. Ist keine Oszillation mehr messbar, kann der Ladevorgang fortgesetzt werden. So können alle Zellen schrittweise auf ein einheitliches Ladeniveau gebracht werden, ohne die Gefahr einzelne Zellen zu überladen und ohne die Notwendigkeit über externe Maßnahmen eine Überwachung und einen Ladungsausgleich durchführen zu müssen. An advantageous embodiment of the invention provides that the charging electronics is designed to the discharge of defined frequency recognize and interrupt a charging current to the battery cells as a function of detecting the alternating current. This ensures that it can be detected when one of the battery cells has reached its charging limit voltage, for example its charge end voltage. About the individual frequency of the corresponding oscillator, the battery cell can be selectively detected by the charging electronics. This makes it possible to dispense with equipping each individual battery cell with a sensor system and a wiring. If an oscillation is detected in the charging current, the charging process can be interrupted. The corresponding battery cell is now discharged via the module according to the idea until the voltage has fallen below the defined charging limit voltage. This process can be monitored in the charging electronics based on the still recognizable oscillation. If no more oscillation is measurable, the charging process can be continued. Thus, all cells can be gradually brought to a uniform level of charge, without the risk of overloading individual cells and without the need to perform external monitoring and charge balancing.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedes Steuerungsmodul zumindest einen zweiten spannungsgesteuerten Schalter und zumindest einen zweiten Oszillator aufweist, wobei der zweite spannungsgesteuerte Schalter in Abhängigkeit einer zweiten Ladegrenzspannung der Batteriezelle zwischen einer ungeschalteten und einer geschalteten Stellung schaltbar ist, um in der geschalteten Stellung den zweiten Oszillator mit der Ladespannung der Batteriezelle zu beaufschlagen, so dass der zweite Oszillator einen zweiten Entladestrom mit einer zweiten definierten Frequenz erzeugt. Durch diese mögliche Ausgestaltung ist gewährleistet, dass verschiedene Ladezustände einer einzelnen Batteriezelle erkannt werden können. So kann beispielsweise bei einer unteren Ladegrenzspannung U1 der erste spannungsgesteuerte Schalter in die geschaltete Stellung geschaltet werden, der einen Stromfluss mit einer Frequenz 1 erzeugt. Dies kann bedeuten, dass die Batteriezelle vollständig geladen ist, bei einer weiteren Ladung allerdings noch keine Schäden zu erwarten sind. Erkennt die Ladeelektronik demnach Frequenz 1, wird die Batteriezelle weiter geladen. Wird nun eine obere Ladegrenzspannung U2 erreicht, bei deren Überschreitung Schäden an der Batteriezelle zu erwarten sind, und eine Frequenz 2 erkannt, so beendet die Ladeelektronik den Ladevorgang. Die Ladeelektronik kann nun beobachten bis sich die Batteriezelle über das Steuerungsmodul bis unter die untere Ladegrenzspannung U1 entladen hat, d.h. bis Frequenz 1 nicht mehr erkannt wird, und anschließend das Laden fortsetzen, bis wiederum die obere Ladegrenzspannung U2 erreicht und Frequenz 2 erkannt wird. An advantageous embodiment of the invention provides that each control module has at least one second voltage-controlled switch and at least one second oscillator, wherein the second voltage-controlled switch in response to a second charging terminal voltage of the battery cell between an unswitched and a switched position is switchable to in the switched position To apply the charging voltage of the battery cell to the second oscillator, so that the second oscillator generates a second discharge current having a second defined frequency. This possible embodiment ensures that different states of charge of a single battery cell can be detected. For example, in the case of a lower charging limit voltage U1, the first voltage-controlled switch can be switched to the switched position, which has a current flow with one frequency 1 generated. This may mean that the battery cell is fully charged, but no further damage is expected from another charge. Detects the charging electronics accordingly frequency 1 , the battery cell continues to charge. If now an upper charging limit voltage U2 is reached, beyond which damage to the battery cell can be expected, and a frequency 2 detected, the charging electronics ends the charging process. The charging electronics can now observe until the battery cell has discharged via the control module to below the lower charging limit voltage U1, ie to frequency 1 is no longer detected, and then continue charging until in turn reaches the upper limit charging voltage U2 and frequency 2 is recognized.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Ladungsausgleich zwischen zumindest zwei in Reihe geschalteter Batteriezellen unter Anwendung einer Ladungsausgleichanordnung wie zuvor beschrieben, mit den Schritten:

– Laden der zumindest zwei Batteriezellen mittels der Ladeelektronik,
– Überwachen der Ladespannung jeder Batteriezelle mittels der Steuerungsmodule,
– Schalten des spannungsgesteuerten Schalters einer jeden der Batteriezellen von dem ungeschalteten in den geschalteten Zustand beim Erreichen einer definierten Ladegrenzspannung,
– Beaufschlagen des Oszillators mit der Ladespannung der Batteriezelle über den im geschalteten Zustand befindlichen spannungsgesteuerten Schalter, um über einen oszillierenden Entladestrom mit einer definierten Frequenz über den Oszillator die Batteriezelle zu entladen.

The object is further achieved by a method for charge equalization between at least two series-connected battery cells using a charge balancing arrangement as described above, with the following steps:

Charging the at least two battery cells by means of the charging electronics,
Monitoring the charging voltage of each battery cell by means of the control modules,
Switching the voltage-controlled switch of each of the battery cells from the non-switched to the switched state when a defined charging limit voltage is reached,
- Actuation of the oscillator with the charging voltage of the battery cell via the voltage-controlled switch located in the switched state to discharge the battery cell via an oscillating discharge at a defined frequency via the oscillator.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein Erkennen des durch den Oszillator erzeugten oszillierenden Entladestroms mittels der Ladeelektronik und Unterbrechen des Ladens der zumindest zwei Batteriezellen vor. An advantageous embodiment of the method provides for detecting the oscillating discharge current generated by the oscillator by means of the charging electronics and interrupting the charging of the at least two battery cells.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht ein fortgesetztes Laden der zumindest zwei Batteriezellen vor, sobald die Ladeelektronik ein Erliegen des oszillierenden Entladestroms erkennt. An advantageous embodiment of the method provides for a continued charging of the at least two battery cells, as soon as the charging electronics detects a cessation of the oscillating discharge current.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Batteriezelle, umfassend eine Anode und eine Kathode, mit einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Steuerungsmodul wie zuvor beschrieben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Batteriezelle um eine Bipolarbatterie handelt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Steuerungsmodul als flächig ausgebildetes Element ausgeführt ist. Bevorzugt ist das Steuerungsmodul als gedruckter Schaltkreis, vorzugsweise aus Papier, ausgeführt. Weiterhin bevorzugt ist, dass Oberseite und Unterseite des gedruckten Schaltkreises als elektrische Kontakte ausgeführt sind. Die Steuerungsmodule können mittels eines leitfähigen Klebers elektrisch mit jeweils benachbarten Elektroden einer Bipolarbatterie verbunden sein. Die die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmenden Komponenten, beispielsweise Kondensatoren, sind so ausgeführt, dass die Frequenz durch Trimmen, beispielsweise mittels eines Lasers, in einem einfachen Bearbeitungsschritt vor oder nach dem Einkleben einstellbar ist. Die zentrale Ladeelektronik erfasst die Spannung der Gesamtbatterie und ist in der Lage, zu erkennen, wenn einzelne Batteriezellen von dem dezentralen Steuerungsmodul entladen werden, da sich dies durch oszillierendes Einbrechen der Batterieladespannung um wenige Millivolt äußert. Aus der Frequenz dieser Einbrüche lässt sich auf jede Batteriezelle einzeln schließen. The object is further achieved by a battery cell comprising an anode and a cathode, with a control module arranged between anode and cathode as described above. In particular, it can be provided that the battery cell is a bipolar battery. An advantageous embodiment of the invention provides that the control module is designed as a flat design element. Preferably, the control module is designed as a printed circuit, preferably made of paper. It is further preferred that the top and bottom of the printed circuit are designed as electrical contacts. The control modules can be electrically connected to adjacent electrodes of a bipolar battery by means of a conductive adhesive. The oscillating frequency of the oscillator determining components, such as capacitors, are designed so that the frequency is adjustable by trimming, for example by means of a laser in a simple processing step before or after gluing. The central charging electronics detects the voltage of the entire battery and is able to detect when individual battery cells are discharged from the decentralized control module, as this is expressed by oscillating collapse of the battery charging voltage by a few millivolts. From the frequency of these burglaries can be closed individually on each battery cell.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen The invention is explained below with further features, details and advantages with reference to the accompanying figures. The figures illustrate only exemplary embodiments of the invention. Show here

1 eine Ladungsausgleichsanordnung mit zwei Batteriezellen; 1 a charge balancing arrangement with two battery cells;

2 Reihenschaltungen von drei Batteriezellen mit

a) parallel angeordnetem Steuerungsmodul;
b) integriertem Steuerungsmodul;

2 Series connections of three battery cells with

a) parallel control module;
b) integrated control module;

3 Verlauf einer Ladespannung über aufgenommener Ladungsmenge einer Batteriezelle und 3 Course of a charging voltage on absorbed amount of charge of a battery cell and

4 Beispiel einer Bipolarzelle mit einem erfindungsgemäßen Steuerungsmodul. 4 Example of a bipolar cell with a control module according to the invention.

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ladungsausgleichsanordnung 10, mit zwei Steuerungsmodulen 12 ₁ und 12 ₂, zwei Batteriezelle 20 ₁ und 20 ₂ und eine Ladeelektronik 30. Eine der Steuerungsmodule 12 ist lediglich schematisch dargestellt. Die Batteriezellen 20 ₁ und 20 ₂ sind in einer Reihenschaltung an die Ladeelektronik 30 angeschlossen und jedes der Steuerungsmodule 12 ₁, 12 ₂ ist parallel zu einer der Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂ angeordnet. Vorliegend sind exemplarisch nur zwei Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂ dargestellt, wobei in praktischer Ausgestaltungen bis zu 100 oder mehr Batteriezellen vorgesehen sein können. Die Ladeelektronik 30 ist in nicht näher zu konkretisierender Weise dazu ausgebildet, die in Reihe geschalteten Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂ mit einer Ladespannung zu beaufschlagen, so dass ein Ladestrom durch die Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂ hindurchfließt und diese geladen werden. The 1 shows a charge compensation arrangement according to the invention 10 , with two control modules 12 ₁ and 12 ₂ , two battery cell 20 ₁ and 20 ₂ and a charging electronics 30 , One of the control modules 12 is shown only schematically. The battery cells 20 ₁ and 20 ₂ are connected in series to the charging electronics 30 connected and each of the control modules 12 ₁ , 12 ₂ is parallel to one of the battery cells 20 ₁ , 20 ₂ arranged. In the present example, only two battery cells 20 ₁ , 20 ₂ , wherein in practical embodiments, up to 100 or more battery cells can be provided. The charging electronics 30 is designed in a manner not to be concretized to the battery cells connected in series 20 ₁ , 20 ₂ to apply a charging voltage, so that a charging current through the battery cells 20 ₁ , 20 _{2 flows} through and these are charged.

Das Steuerungsmodul 12 umfasst einen spannungsgesteuerten Schalter 14, der als Komparator ausgeführt sein kann. Der Schalter 14 befindet sich in einem Ausgangszustand in einer ungeschalteten Stellung. Außerdem ist ein Oszillator 16 vorgesehen, der als astabiler Multivibrator ausgeführt sein kann. Der Oszillator 16 umfasst einen Lastwiderstand 18. Der Schalter 14 wird von der Spannung der Batteriezelle 20 beaufschlagt und befindet sich unterhalb einer Ladegrenzspannung U_G in dem Ausgangszustand in der ungeschalteten Stellung, in der der Oszillator 16 von der Spannung der Batteriezelle 20 getrennt ist. Erreicht beziehungsweise übersteigt die Spannung der Batteriezelle 20 infolge des Ladevorgangs durch die Ladeelektronik 30 die Ladegrenzspannung U_G schaltet der Schalter 14 in eine geschaltete Stellung, in der der Oszillator 16 ebenfalls mit der Spannung der Batteriezelle 20 beaufschlagt ist. Durch den hierdurch über den Oszillator 16 und den Lastwiderstand 18 fließenden Entladestrom entlädt sich die Batteriezelle 20 und außerdem wird der Entladestrom durch den Oszillator 16 zu einem oszillierende Strom mit einer voreingestellten Frequenz gewandelt. Die Ladeelektronik 30 ist nun in der Lage die Frequenz dieses oszillierenden Stroms zu erkennen und in Abhängigkeit hiervon bestimmte Schaltzustände einzunehmen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei Erkennen der Frequenz der Ladevorgang unterbrochen wird, bis die betreffende Batteriezelle 20 soweit entladen ist, dass ihre Spannung unter die Ladegrenzspannung U_G gefallen ist. Fällt die Spannung der Batteriezelle 20 unter die Ladegrenzspannung U_G, schaltet der Schalter 14 in die ungeschaltete Stellung und trennt folglich den Oszillator 16 von der Spannung der Batteriezelle 20, so dass der Entladestrom zum Erliegen kommt und keine Frequenz von der Ladeelektronik 30 erkannt werden kann. Hiernach startet die Ladeelektronik 30 erneut den Ladevorgang der Batteriezellen 20. The control module 12 includes a voltage controlled switch 14 which can be designed as a comparator. The desk 14 is in an initial state in an unswitched position. There is also an oscillator 16 provided, which can be designed as an astable multivibrator. The oscillator 16 includes a load resistor 18 , The desk 14 is determined by the voltage of the battery cell 20 is applied and located below a charging limit voltage U _G in the initial state in the unswitched position in which the oscillator 16 from the voltage of the battery cell 20 is disconnected. Reaches or exceeds the voltage of the battery cell 20 as a result of the charging process by the charging electronics 30 the charging limit voltage U _G switches the switch 14 in a switched position in which the oscillator 16 also with the voltage of the battery cell 20 is charged. By doing this over the oscillator 16 and the load resistance 18 flowing discharge current discharges the battery cell 20 and also the discharge current through the oscillator 16 converted to an oscillating current with a preset frequency. The charging electronics 30 is now able to detect the frequency of this oscillating current and to assume certain switching states as a function of this. For example, it can be provided that, when the frequency is detected, the charging process is interrupted until the relevant battery cell 20 is discharged so far that its voltage has fallen below the charging limit voltage U _G. If the voltage of the battery cell falls 20 below the charging limit voltage U _G , the switch turns 14 in the unswitched position and thus separates the oscillator 16 from the voltage of the battery cell 20 , so that the discharge current comes to a halt and no frequency from the charging electronics 30 can be recognized. After that the charging electronics starts 30 recharge the battery cells 20 ,

Die 2a zeigt eine Reihenschaltung von drei Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂, 20 ₃ mit parallel geschalteten erfindungsgemäßen Steuerungsmodulen 12 ₁, 12 ₂, 12 ₃. Die 2b zeigt eine Reihenschaltung von drei Batteriezellen 20 ₁, 20 ₂, 20 ₃ mit jeweils integrierten Steuerungsmodulen 12 ₁, 12 ₂, 12 ₃. The 2a shows a series connection of three battery cells 20 ₁ , 20 ₂ , 20 ₃ with parallel control modules according to the invention 12 ₁ , 12 ₂ , 12 ₃ . The 2 B shows a series connection of three battery cells 20 ₁ , 20 ₂ , 20 ₃ each with integrated control modules 12 ₁ , 12 ₂ , 12 ₃ .

Die 3 zeigt einen Ladespannungsverlauf einer Batteriezelle 20 unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Steuerungsmoduls 12 in einer Ausführungsform mit zwei spannungsgesteuerten Schaltern 14 und zwei Oszillatoren 16. Es ist die Ladespannung U einer Batteriezelle über deren aufgenommener Ladungsmenge Q aufgetragen. Hierbei unterscheiden sich die beiden spannungsgesteuerten Schalter 14 dadurch voneinander, dass sie bei unterschiedlichen Ladegrenzspannungen U_G in die geschaltete Stellung übergehen. Hierüber lassen sich zwei unterschiedliche Ladungszustände anhand unterschiedlicher Frequenzen, die durch die beiden Oszillatoren 16 erzeugt werden, einer Batteriezelle 20 erkennen. So kann beispielsweise bei einer unteren Ladegrenzspannung U1 der erste spannungsgesteuerte Schalter in die geschaltete Stellung geschaltet werden, der einen Stromfluss mit einer Frequenz 1 erzeugt. Erkennt die Ladeelektronik demnach Frequenz 1, wird die Batteriezelle 20 weiter geladen, da noch keine Schäden zu erwarten sind. Alternativ kann nach einem Erkennen der Frequenz 1 der Ladestrom angepasst, insbesondere reduziert, werden. Wird nun eine obere Ladegrenzspannung U2 erreicht, bei deren Überschreitung Schäden an der Batteriezelle 20 zu erwarten sind, und eine Frequenz 2 erkannt, so beendet die Ladeelektronik den Ladevorgang. Die Ladeelektronik kann nun beobachten bis sich die Batteriezelle über das Modul bis unter die untere Ladegrenzspannung U1 entladen hat, d.h. bis Frequenz 1 nicht mehr erkannt wird, und anschließend das Laden fortsetzen, bis wiederum die obere Ladegrenzspannung U2 erreicht und Frequenz 2 erkannt wird. The 3 shows a charging voltage characteristic of a battery cell 20 using a control module according to the invention 12 in an embodiment with two voltage controlled switches 14 and two oscillators 16 , It is the charging voltage U of a battery cell on the recorded amount of charge Q applied. Here, the two voltage-controlled switches differ 14 characterized in that they pass at different charging limit voltages U _G in the switched position. This allows two different charge states based on different frequencies, by the two oscillators 16 be generated, a battery cell 20 detect. For example, in the case of a lower charging limit voltage U1, the first voltage-controlled switch can be switched to the switched position, which has a current flow with one frequency 1 generated. Detects the charging electronics accordingly frequency 1 , the battery cell becomes 20 charged further, since no damage is to be expected. Alternatively, after detecting the frequency 1 the charging current adapted, in particular reduced, be. If now an upper charging limit voltage U2 is reached, exceeding it damages the battery cell 20 are to be expected, and a frequency 2 detected, the charging electronics ends the charging process. The charging electronics can now observe until the battery cell via the module has discharged to below the lower charging limit voltage U1, ie to frequency 1 is no longer detected, and then continue charging until in turn reaches the upper limit charging voltage U2 and frequency 2 is recognized.

Die 4 zeigt exemplarisch eine Anwendung von erfindungsgemäßen Steuerungsmodulen 12 an Bipolarbatterien. Hierbei zeigt die 4a eine Draufsicht auf eine Batteriezelle 20 in Form einer Bipolarbatteriezelle. Zu erkennen ist eine Elektrode 22, die umrandet ist von einer Dichtung 24, und ein im Bereich einer Ecke zwischen der Elektrode 22 und der Dichtung 24 angeordnetes Steuerungsmodul 12, wobei dieses bevorzugt eingeklebt ist. Das Steuerungsmodul 12 ist ein flächig ausgebildetes Element und vorzugsweise als gedruckter Schaltkreis auf Papier oder einem ähnlichen Substrat ausgeführt. Die Kontakte des Steuerungsmoduls 12 sind als Ober- und Unterseite/-fläche der gedruckten Schaltung ausgeführt. Die Steuerungsmodule 12 sind mittels einer leitfähigen Klebeverbindung 26 elektrisch mit jeweils benachbarten Elektroden einer Bipolarbatterie verbunden, siehe Querschnitt in 4b. Die die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmenden Komponenten sind so ausgeführt, dass die Frequenz durch Trimmen, beispielsweise mittels Laserbearbeitung, in einem einfachen Bearbeitungsschritt vor und/oder nach dem Einkleben einstellbar ist. The 4 shows an example of an application of control modules according to the invention 12 on bipolar batteries. This shows the 4a a plan view of a battery cell 20 in the form of a bipolar battery cell. To recognize is an electrode 22 that is edged by a seal 24 , and one in the area of a corner between the electrode 22 and the seal 24 arranged control module 12 , this is preferably glued. The control module 12 is a planarized element and preferably designed as a printed circuit on paper or a similar substrate. The contacts of the control module 12 are executed as the top and bottom / surface of the printed circuit. The control modules 12 are by means of a conductive adhesive bond 26 electrically connected to adjacent electrodes of a bipolar battery, see cross section in FIG 4b , The oscillating frequency of the oscillator determining components are designed so that the frequency is adjustable by trimming, for example by means of laser processing, in a simple processing step before and / or after gluing.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Ladeausgleichsanordnung Load balancing arrangement
12 12: Steuerungsmodul control module
14 14: spannungsgesteuerter Schalter voltage controlled switch
16 16: Oszillator oscillator
18 18: Lastwiderstand load resistance
20 20: Batteriezelle battery cell
22 22: Elektrode electrode
24 24: Dichtung poetry
26 26: Klebeverbindung adhesive bond
30 30: Ladeelektronik charging electronics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2610996 A1 [0002]
EP 1704616 B1 [0004]
EP 2719012 A1 [0005]

Claims

Charge balancing arrangement ( 10 ) for at least two battery cells connected in series ( 20 ₁ , 20 ₂ ), comprising at least two series-connected battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) and one of the number of battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) corresponding number of control modules ( 12 ₁ , 12 ₂ ), each to a battery cell ( 20 ) are connected in parallel and wherein each control module ( 12 ₁ , 12 ₂ ) a voltage-controlled switch ( 14 ) and an oscillator ( 16 ), wherein the voltage-controlled switch ( 14 ) as a function of a charging limit voltage (U _G ) of the battery cell ( 20 ) is switchable between an unswitched and a switched position and in the switched position the oscillator ( 16 ) with the charging voltage of the battery cell ( 20 ) to apply via the oscillator ( 16 ) an oscillating discharge current having a frequency via the oscillator ( 16 ) for discharging the battery cell ( 20 ) to create.

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to claim 1, characterized in that furthermore a charging electronics ( 30 ) for charging the at least two battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) is provided.

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the oscillators ( 16 ) of the control modules ( 12 ) each generate discharge currents with mutually distinguishable frequency.

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the voltage-controlled switch ( 14 ) reaches the switched position upon reaching the charging limit voltage (U _G ).

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oscillator ( 16 ) is formed by an astable multivibrator.

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the charging electronics ( 30 ) is designed to detect the discharge current of a defined frequency and, depending on a detection of the discharge current, a charging current to the battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) to interrupt.

Charge balancing arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that each control module ( 12 ₁ , 12 ₂ ) at least one second voltage-controlled switch ( 14 ₂ ) and at least one second oscillator ( 16 ₂ ), wherein the second voltage-controlled switch ( 14 ₂ ) as a function of a second charging limit voltage of the battery cell ( 20 ) is switchable between an unswitched and a switched position to the second oscillator in the switched position ( 16 ₂ ) with the charging voltage of the battery cell ( 20 ), so that the second oscillator ( 16 ₂ ) generates a second discharge current having a second defined frequency.

Method for charge equalization between at least two series-connected battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) using a charge balancing arrangement ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, comprising the steps of: - charging the at least two battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) by means of the charging electronics ( 30 ), - monitoring the charging voltage of each battery cell ( 20 ₁ , 20 ₂ ) by means of the control modules ( 12 ₁ , 12 ₂ ), - switching the voltage-controlled switch ( 14 ) of each of the battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) from the unswitched to the switched state upon reaching a defined charging limit voltage (U _G ), - applying the oscillator ( 16 ) with the charging voltage of the battery cell ( 20 ) via the switched in the state voltage-controlled switch ( 16 ) via an oscillating discharge current at a defined frequency via the oscillator ( 16 ) the battery cell ( 20 ) to unload.

Method according to claim 8, characterized by recognition by the oscillator ( 16 ) generated oscillating discharge by means of the charging electronics ( 30 ) and interrupting the charging of the at least two battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ).

Method according to claim 9, characterized by continued charging of the at least two battery cells ( 20 ₁ , 20 ₂ ) as soon as the charging electronics ( 30 ) detects a stop of the oscillating discharge current.

Method according to Claim 8, characterized by switching the second voltage-controlled switch ( 14 ₂ ) as a function of a second defined charging limit voltage (U _G ') between an unswitched and a switched position and charging the second oscillator ( 16 ₂ ) with the charging voltage of the battery cell ( 20 ) via the second voltage-controlled switch (in the switched state) ( 14 ₂ ) via a second oscillating discharge current at a second defined frequency via the second oscillator ( 16 ₂ ) the battery cell ( 20 ) to unload.

Battery cell ( 20 ), comprising an anode and a cathode, with a control module arranged between anode and cathode ( 12 ) according to one of claims 1 to 7.

Battery cell ( 20 ) according to claim 12, characterized in that the control module ( 12 ) is designed as a flat trained element.

Battery cell ( 20 ) according to claim 12 or 13, characterized in that the control module ( 12 ) is designed as a printed circuit, preferably made of paper.

Battery cell ( 20 ) according to claim 14, characterized in that the top and bottom of the printed circuit are designed as electrical contacts.