DE102020124737A1

DE102020124737A1 - Detection device, measuring arrangement, battery cell unit, motor vehicle and method for detecting a voltage

Info

Publication number: DE102020124737A1
Application number: DE102020124737.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ruppert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mit einer Batteriezelle (16) elektrisch koppelbare Erfassungseinrichtung (34), die eine erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung (30) aufweist, die in einem mit der mindestens einen Batteriezelle (16) bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung (34) zur mindestens einen Batteriezelle (16) in Serie geschaltet ist, und einen ersten Spannungsabgriff (38) zum Erfassen einer über einem Widerstand (R) abfallenden Spannung (U1) umfasst, wobei der Widerstand (R) in einem mit der mindestens einen Batteriezelle (16) bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung (34) in Serie zur mindestens einen Batteriezelle (16) angeordnet ist. Die Erfassungseinrichtung (34) weist weiterhin einen ersten Ausgang (48, 70) auf, an welchem ein erstes Signal in Abhängigkeit von der erfassten Spannung (U1) bereitstellbar ist. Dabei ist die Erfassungseinrichtung (34) als integrierte Schaltung (34) ausgebildet und der Widerstand (R) ist durch die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung (30) bereitgestellt.The invention relates to a detection device (34) which can be electrically coupled to a battery cell (16) and has a first electronically controllable switching device (30) which, when the detection device (34) is coupled to the at least one battery cell (16) as intended, for at least one battery cell (16) is connected in series, and comprises a first voltage tap (38) for detecting a voltage (U1) dropping across a resistor (R), the resistor (R) being coupled in a manner intended with the at least one battery cell (16). State of the detection device (34) is arranged in series with the at least one battery cell (16). The detection device (34) also has a first output (48, 70) at which a first signal can be provided as a function of the detected voltage (U1). The detection device (34) is designed as an integrated circuit (34) and the resistance (R) is provided by the first electronically controllable switching device (30).

Description

Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung für mindestens eine Batteriezelle, wobei die Erfassungseinrichtung mit der mindestens einen Batteriezelle elektrisch koppelbar ist, und wobei die Erfassungseinrichtung eine erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung aufweist, die in einem mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung zur mindestens einen Batteriezelle in Serie geschaltet ist. Des Weiteren weist die Erfassungseinrichtung einen ersten Spannungsabgriff zum Erfassen einer über einem Widerstand abfallenden Spannung auf, wobei der Widerstand in einem mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung in Serie zur mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist. Weiterhin weist die Erfassungseinrichtung einen ersten Ausgang auf, an welchem ein erstes Signal in Abhängigkeit von der erfassten Spannung bereitstellbar ist. Zur Erfindung gehören auch eine Messanordnung mit einer solchen Erfassungseinrichtung, eine Batteriezelleneinheit mit einer solchen Erfassungseinrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Erfassungseinrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Spannung, die über einem in Serie zu mindestens einer Batteriezelle angeordneten Widerstand abfällt.The invention relates to a detection device for at least one battery cell, wherein the detection device can be electrically coupled to the at least one battery cell, and the detection device has a first electronically controllable switching device which, when the detection device is coupled to the at least one battery cell as intended, to the at least one battery cell is connected in series. Furthermore, the detection device has a first voltage tap for detecting a voltage drop across a resistor, the resistor being arranged in series with the at least one battery cell when the detection device is coupled to the at least one battery cell as intended. Furthermore, the detection device has a first output at which a first signal can be provided as a function of the detected voltage. The invention also includes a measuring arrangement with such a detection device, a battery cell unit with such a detection device, a motor vehicle with such a detection device and a method for detecting a voltage that drops across a resistor arranged in series with at least one battery cell.

Ein wesentlicher Bestandteil von aus dem Stand der Technik bekannten Elektrofahrzeugen, wie beispielsweise rein batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen oder auch Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeugen, welche zusätzlich einen Verbrennungsmotor aufweisen, ist die Hochvolt-Traktionsbatterie, auch Hochvolt-Batterie genannt. Diese ist üblicherweise aus mehreren seriell und/oder parallel geschalteten Zellen aufgebaut. Hierfür werden einzelne Zellen verschalten und zu sogenannten Zellmodulen zusammengefasst.An essential component of electric vehicles known from the prior art, such as purely battery-operated electric vehicles or also plug-in hybrid electric vehicles, which also have an internal combustion engine, is the high-voltage traction battery, also called high-voltage battery. This is usually made up of a number of cells connected in series and/or in parallel. For this purpose, individual cells are interconnected and combined into so-called cell modules.

Weiterhin ist auch die Möglichkeit, einzelne Batteriezellen aus dem Zellverbund selektiv zu- und wegzuschalten, aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise in der DE 10 2012 202 863 A1 offenbart. Dort ist ein System und ein Verfahren zum Ansteuern einer Energiespeichereinrichtung beschrieben, wobei diese Energiespeichereinrichtung Koppelelemente aufweist, welche dazu ausgelegt sind, Energiespeicherzellmodule selektiv in einem jeweiligen Energieversorgungsstrang zu schalten oder zu überbrücken. Dadurch lässt sich eine bestimmte Gesamtausgangsspannung in Abhängigkeit von erfassten Betriebsparametern, wie beispielsweise dem Ladungszustand der Energiespeicherzellen, bereitstellen. Weiterhin ist es auch bekannt, diverse Batteriegrößen und Zellgrößen messtechnisch zu erfassen, zum einen um zum Beispiel die Batterie zu steuern, sowie zum anderen auch um den ordnungsgemäßen Betrieb der Batterie, sowie der einzelnen Batteriemodule und Batteriezellen zu überwachen.Furthermore, the possibility of selectively connecting and disconnecting individual battery cells from the cell assembly is known from the prior art, for example in DE 10 2012 202 863 A1 disclosed. A system and a method for controlling an energy storage device is described there, with this energy storage device having coupling elements which are designed to selectively switch or bridge energy storage cell modules in a respective energy supply line. As a result, a specific overall output voltage can be provided as a function of detected operating parameters, such as the state of charge of the energy storage cells. Furthermore, it is also known to measure various battery sizes and cell sizes, on the one hand, for example, to control the battery, and on the other hand to monitor the proper operation of the battery and the individual battery modules and battery cells.

In diesem Zusammenhang beschreibt beispielsweise die DE 10 2015 105 076 A1 eine Kommunikation über eine Stromleitung zum Überwachen einer großen Anzahl von Batteriezellen. Ein Batteriesystem umfasst dabei eine Vielzahl von elektrisch verbundenen intelligenten Batteriezellen, die jeweils eine Zellenüberwachungseinheit aufweisen. Jede Batteriezelle kann dabei also mit einer integrierten elektronischen Schaltung versehen sein, die Teil der Zellenstruktur selber ist. Diese elektronische Schaltung stellt dabei eine Elektronik zum Überwachen der Spannung und der Temperatur der Zelle bereit und zum Steuern des Ladezustands.In this context, for example, describes the DE 10 2015 105 076 A1 communication over a power line for monitoring a large number of battery cells. In this case, a battery system comprises a multiplicity of electrically connected intelligent battery cells, each of which has a cell monitoring unit. Each battery cell can thus be provided with an integrated electronic circuit that is part of the cell structure itself. This electronic circuit provides electronics for monitoring the voltage and temperature of the cell and for controlling the state of charge.

Eine weitere wichtige elektrische Größe, die in Zusammenhang mit Batteriezellen überwacht werden muss, ist der Zellstrom einer jeweiligen Batteriezelle. Auch dieser muss messtechnisch überwacht werden, denn nur so können im Betrieb sicher einzelne Zellen hinzu oder bei Bedarf aus dem Speicherverbund herausgeschaltet werden. Die Strommessung einer jeden Batteriezelle einer Hochvoltbatterie ist jedoch extrem aufwändig. Beispielsweise umfasst eine 800-Volt-Traktionsbatterie, die als 216s22p-Batterie aufgebaut ist, das heißt 216 in Reihe geschaltete Parallelschaltungen aus je zwei Batteriezellen umfasst, 432 Batteriezellen. Somit wären in diesem Fall 432 Strommessungen erforderlich. Zudem wird je Strommessung ebenfalls eine Messschaltung mit galvanischer Trennung benötigt. Um derzeit eine solche Strommessung zu bewerkstelligen, um den Zellstrom beziehungsweise den kompletten Batteriestrom zu erfassen, werden Shunts eingesetzt, insbesondere Präzisions-Mess-Shunts, die in Serie zu den betreffenden Batteriezellen geschaltet sind, und über welche die abfallende Spannung erfasst wird, um daraus den Zellstrom zu ermitteln. Solche Mess-Shunts sind entsprechend teuer, nicht zuletzt weil sie auch sehr hohe Ströme tragen müssen, da über sie im normalen Betrieb der komplette Batteriestrom fließt, der typischerweise im Bereich zwischen 300 und 400 Ampere liegt. Neben hohen Materialkosten bedingt durch die Vielzahl an Mess-Shunts selbst ergeben sich noch eine Reihe weiterer großer Nachteile: Jede Shunt-Messschaltung erfordert eine zusätzliche Auswerteelektronik und bedingt durch ihre Störanfälligkeit schaltungstechnische Filtermaßnahmen. Zudem entstehen hohe Entwicklungskosten und Entwicklungsaufwände, da eine Shunt-Messschaltung höhere Entwicklungsaufwände beim Design und der Integration der Messshunts auf die Platine der intelligenten Batteriezelle erfordert. Zusätzliche Filter und Endstörmaßnahmen der Strommessung sind zudem ebenfalls notwendig. Außerdem entstehen sehr hohe Verlustleistungen am Mess-Shunt, welcher den vollen Laststrom, wie beschrieben 300 bis 400 Ampere, trägt. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Wärmeeintrag in die Batteriezelle, was wiederum zu einer Leistungseinschränkung der Zelle führt oder eine erhöhte Kühlleistung erforderlich macht. Außerdem führen höhere Verlustleistungen auch zu einem Reichweitenverlust des Kraftfahrzeugs. Die Robustheit einer solchen Strommessung ist zudem gegen Störungen sehr gering.Another important electrical variable that has to be monitored in connection with battery cells is the cell current of a respective battery cell. This must also be monitored by measurement technology, because this is the only way that individual cells can be safely added to or, if necessary, removed from the storage network. However, the current measurement of each battery cell of a high-voltage battery is extremely complex. For example, an 800-volt traction battery that is constructed as a 216s22p battery, that is, includes 216 series-connected parallel circuits of two battery cells each, has 432 battery cells. Thus, in this case, 432 current measurements would be required. In addition, a measuring circuit with galvanic isolation is also required for each current measurement. In order to accomplish such a current measurement, in order to record the cell current or the complete battery current, shunts are used, in particular precision measurement shunts, which are connected in series to the relevant battery cells and via which the falling voltage is recorded in order to derive it to determine the cell current. Such measuring shunts are correspondingly expensive, not least because they also have to carry very high currents, since the entire battery current, which is typically in the range between 300 and 400 amperes, flows through them during normal operation. In addition to high material costs due to the large number of measuring shunts themselves, there are a number of other major disadvantages: Each shunt measuring circuit requires additional evaluation electronics and, due to its susceptibility to interference, circuit-related filter measures. In addition, there are high development costs and development efforts, since a shunt measurement circuit requires greater development effort in the design and integration of the measurement shunts on the circuit board of the intelligent battery cell. Additional filters and anti-interference measures for the current measurement are also necessary. In addition, very high power losses occur at the measuring shunt, which vol len load current, as described 300 to 400 amperes. This results in an additional heat input into the battery cell, which in turn leads to a reduction in cell performance or requires increased cooling capacity. In addition, higher power losses also lead to a loss of range for the motor vehicle. The robustness of such a current measurement is also very low against interference.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Erfassungseinrichtung, eine Messanordnung, eine Batteriezelleneinheit, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, welche eine möglichst effiziente und gleichzeitig möglichst zuverlässige und genaue Erfassung eines Stroms durch mindestens eine Batteriezelle ermöglichen.The object of the present invention is therefore to provide a detection device, a measuring arrangement, a battery cell unit, a motor vehicle and a method which enable the most efficient and at the same time the most reliable and accurate detection of a current through at least one battery cell.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Erfassungseinrichtung, eine Messanordnung, eine Batteriezelleneinheit, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a detection device, a measuring arrangement, a battery cell unit, a motor vehicle and a method with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent patent claims, the description and the figures.

Eine erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung für mindestens eine Batteriezelle ist mit der mindestens einen Batteriezelle elektrisch koppelbar und weist zudem eine erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung auf, die in einem mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung zur mindestens einen Batteriezelle in Serie geschaltet ist. Weiterhin umfasst die Erfassungseinrichtung einen ersten Spannungsabgriff zum Erfassen einer über einem Widerstand abfallenden Spannung, wobei der Widerstand in einem mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung in Serie zur mindestens einen Batteriezelle angeordnet ist, sowie einen ersten Ausgang, an welchem ein erstes Signal in Abhängigkeit von der erfassten Spannung bereitstellbar ist. Die Erfassungseinrichtung zeichnet sich nun dadurch aus, dass diese als integrierte Schaltung ausgebildet ist und der Widerstand durch die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung bereitgestellt ist.A detection device according to the invention for at least one battery cell can be electrically coupled to the at least one battery cell and also has a first electronically controllable switching device, which is connected in series with the at least one battery cell when the detection device is properly coupled to the at least one battery cell. The detection device also includes a first voltage tap for detecting a voltage drop across a resistor, the resistor being arranged in series with the at least one battery cell when the detection device is coupled to the at least one battery cell as intended, and a first output at which a first signal can be provided as a function of the detected voltage. The detection device is characterized in that it is designed as an integrated circuit and the resistance is provided by the first electronically controllable switching device.

Mit anderen Worten stellt der Widerstand, über welchen der Spannungsabfall gemessen wird, den Durchgangswiderstand der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung dar. Synonyme Begriffe für diesen Durchgangswiderstand sind unter anderem auch Kanalwiderstand oder Drain-Source-Widerstand bzw. R_DS,on, wie dies später näher erklärt wird. Es muss also vorteilhafter Weise kein separater Messwiderstand, wie der oben beschriebenen Mess-Shunt, verwendet werden, sondern stattdessen kann vorteilhafterweise der Durchgangswiderstand der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung als solcher Messwiderstand verwendet werden, um die über diesen Widerstand abfallende Spannung zu messen und daraus wiederum den Batteriestrom beziehungsweise Zellstrom zu ermitteln, wie dies ebenfalls später näher erläutert wird. Möglich wird dies jedoch erst dadurch, dass die Erfassungseinrichtung als integrierte Schaltung bereitgestellt wird, und somit die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung ebenfalls Teil dieser integrierten Schaltung ist, und nicht als diskretes, d.h. separates, Halbleiterbauteil bereitgestellt wird. Der erste Spannungsabgriff kann damit sehr nahe am Halbleiterelement oder Nahe des Halbleiter-Chips oder des Halbleitersubstrates der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung bereitgestellt werden, was letztendlich eine besonders genaue Ermittlung des Durchgangswiderstands und damit auch eine besonders genaue Stromermittlung erlaubt. Es müssen dann nämlich keine zusätzlichen Widerstände, wie Übergangswiderstände und Widerstände an Lötstellen, Anschlusspunkten und diverse Leitungswiderstände berücksichtigt werden, die entweder unbekannt sind und dadurch die Messung sehr ungenau machen würden oder andernfalls extrem aufwändig messtechnisch erst ermittelt werden müssten. Durch die Erfindung ergeben sich demzufolge vielzählige Vorteile. Es können Unmengen an Mess-Shunts eingespart werden, wodurch sich die Herstellungs- und Materialkosten enorm verringern. Damit einhergehend kann auch Platinenfläche eingespart werden, sowie vielzählige Hardware-Filtermaßnahmen. Durch die Vermeidung der Shunt-Verluste kommt es zudem zu keinem zusätzlichen Wärmeeintrag ins System, was wiederum die Performance, d.h. Leistungsfähigkeit, steigert und die Reichweite des betreffenden Kraftfahrzeugs letztendlich erhöht. Die integrierte Schaltung, welche die Erfassungseinrichtung bereitstellt, kann zudem als gemoldetes Powermodul, insbesondere als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bereitgestellt werden, wodurch nur ein einmaliger Entwicklungsaufwand anfällt, und diese modular einsetzbar ist. Dies bringt wiederum einen großen Bauraumvorteil mit sich und ermöglicht ein Standard-Layout der Platine. Zudem entfallen auch EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Entstör-Maßnahmen, da eine solche integrierte Schaltung deutlich weniger Störanfällig ist. Außerdem wird durch die Integration der kompletten Messkette die Störanfälligkeit der Messung erheblich herabgesetzt. Auch ermöglicht die Ausbildung der Erfassungseinrichtung als integrierte Schaltung eine besonders einfache thermische Anbindung an eine Kühlung, wodurch wiederum die Robustheit und Lebensdauer gesteigert werden kann. Somit kann letztendlich durch die Erfindung eine extrem effiziente und dennoch sehr genaue und robuste Strommessung für einzelne Batteriezellen eines Batteriesystems bereitgestellt werden.In other words, the resistance across which the voltage drop is measured represents the volume resistance of the first electronically controllable switching device. Synonymous terms for this volume resistance include channel resistance or drain-source resistance or R _DS,on , as will be explained in more detail later is explained. Advantageously, no separate measuring resistor, such as the measuring shunt described above, has to be used, but instead the volume resistance of the first electronically controllable switching device can advantageously be used as such a measuring resistor in order to measure the voltage drop across this resistor and, in turn, the To determine battery current or cell current, as will also be explained in more detail later. However, this is only possible because the detection device is provided as an integrated circuit, and thus the first electronically controllable switching device is also part of this integrated circuit and is not provided as a discrete, ie separate, semiconductor component. The first voltage tap can thus be provided very close to the semiconductor element or close to the semiconductor chip or the semiconductor substrate of the first electronically controllable switching device, which ultimately allows a particularly accurate determination of the contact resistance and thus also a particularly accurate current determination. It is then not necessary to take into account any additional resistances, such as transition resistances and resistances at soldering points, connection points and various line resistances, which are either unknown and would therefore make the measurement very inaccurate or would otherwise have to be determined in an extremely laborious manner. As a result, numerous advantages result from the invention. Huge amounts of measuring shunts can be saved, which reduces the manufacturing and material costs enormously. As a result, board space can also be saved, as well as numerous hardware filter measures. By avoiding the shunt losses, there is also no additional heat input into the system, which in turn increases the performance, ie efficiency, and ultimately increases the range of the motor vehicle in question. The integrated circuit that provides the detection device can also be provided as a molded power module, in particular as an application-specific integrated circuit (ASIC), as a result of which only a one-off development effort is incurred and it can be used in a modular manner. This in turn brings with it a large installation space advantage and enables a standard layout of the circuit board. In addition, EMC (electromagnetic compatibility) interference suppression measures are also dispensed with, since such an integrated circuit is significantly less susceptible to interference. In addition, the integration of the complete measurement chain significantly reduces the susceptibility of the measurement to failure. The design of the detection device as an integrated circuit also enables a particularly simple thermal connection to a cooling system, which in turn can increase the robustness and service life. Thus, ultimately, an extremely efficient and yet very accurate and robust current measurement for individual Bat tery cells of a battery system are provided.

Eine solche Erfassungseinrichtung kann dabei im Allgemeinen auch mit mehreren Batteriezellen, die sich zum Beispiel in einem Zellverbund befinden und miteinander in Reihe und/oder parallel verschaltet sind, bestimmungsgemäß koppelbar sein. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Erfassungseinrichtung in ihrer bestimmungsgemäßen Anordnung mit genau einer Batteriezelle gekoppelt ist. Beispielsweise kann jeder Batteriezelle in einer Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie, eine solche Erfassungseinrichtung zugeordnet sein. Weiterhin kann die integrierte Schaltung entsprechende Anschlüsse bereitstellen, die an die zugeordnete Batteriezelle angeschlossen werden können, insbesondere an die Pole der betreffenden Batteriezelle, um die Erfassungseinrichtung mit der Batteriezelle elektrisch zu koppeln. Nichtsdestotrotz kann die Erfassungseinrichtung als von der Batteriezelle separierte bauliche Einheit bereitgestellt sein. Im bestimmungsgemäß mit der Batteriezelle gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung befindet sich die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung in Serie zur Batteriezelle.Such a detection device can generally also be coupled as intended with a plurality of battery cells which are located, for example, in a cell assembly and are connected to one another in series and/or in parallel. However, it is preferable for the detection device to be coupled to precisely one battery cell in its intended arrangement. For example, such a detection device can be assigned to each battery cell in a battery, in particular a high-voltage battery. Furthermore, the integrated circuit can provide corresponding connections that can be connected to the associated battery cell, in particular to the poles of the relevant battery cell, in order to electrically couple the detection device to the battery cell. Nevertheless, the detection device can be provided as a structural unit that is separate from the battery cell. When the detection device is coupled to the battery cell as intended, the first electronically controllable switching device is in series with the battery cell.

Im Übrigen weist die Erfassungseinrichtung vorzugsweise auch noch eine zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung auf, auf die später näher eingegangen wird. Im bestimmungsgemäß mit der Batteriezelle gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung ist diese zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung dann entsprechend parallel zur ersten Schalteinrichtung und zur Batteriezelle geschaltet. Durch eine solche zweite elektronische steuerbare Schalteinrichtung wird dann entsprechend eine Bypass-Schaltung bereitgestellt, durch welche die Batteriezelle überbrückt werden kann, während die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung einen aktiven Schalter darstellt. Die aktiven Schaltelemente der betreffenden Batteriezellen können beispielsweise auch dauerhaft im Taktbetrieb via Pulsweitenmodulation betrieben werden. Durch zwei solcher elektronisch steuerbaren Schalteinrichtungen, die jeweils einer Batteriezelle zugeordnet sind, ist es also möglich, einzelne Zellen auf vielfältige Arten und Weisen zu- beziehungsweise wegzuschalten. Beispielsweise können so auch defekte Batteriezellen einfach aus dem Leistungspfad genommen werden. Ein Weiterfahren des Kraftfahrzeugs ist dadurch weiterhin gewährleistet. Durch einen solchen modularen Aufbau der Batteriezellen mit ihren zugeordneten Erfassungseinrichtungen können zudem in der Werkstatt auch gezielt „schwache“ oder „defekte“ Zellen ausgetauscht werden.In addition, the detection device preferably also has a second electronically controllable switching device, which will be discussed in more detail later. When the detection device is coupled to the battery cell as intended, this second electronically controllable switching device is then connected in parallel with the first switching device and the battery cell. Such a second electronically controllable switching device then provides a corresponding bypass circuit, by means of which the battery cell can be bypassed, while the first electronically controllable switching device represents an active switch. The active switching elements of the relevant battery cells can, for example, also be operated continuously in cycle mode via pulse width modulation. With two such electronically controllable switching devices, which are each assigned to a battery cell, it is therefore possible to switch individual cells on or off in a variety of ways. For example, defective battery cells can be easily removed from the power path. This ensures that the motor vehicle can continue to drive. With such a modular structure of the battery cells with their associated detection devices, "weak" or "defective" cells can also be exchanged in a targeted manner in the workshop.

Die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung kann im Allgemeinen als beliebiger Leistungshalbleiter beziehungsweise Halbleiterschalter ausgebildet sein, zum Beispiel auch als Bipolartransistor, insbesondere mit isolierter Gate-Elektrode. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung als MOSFET (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) ausgebildet ist. Ein solcher MOSFET weist zumindest drei Anschlüsse auf, nämlich einen Gate-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Source-Anschluss. Der oben beschriebene Durchgangswiderstand, über welchen die Spannung abgegriffen wird, stellt dann entsprechend den Drain-Source-Widerstand des MOSFETs dar. MOSFETs weisen im Gegensatz zu anderen Halbleiterschaltern, wie IGBTs, eine nahezu perfekte Ohmsche Charakteristik auf, weshalb sich der Durchgangswiderstand des MOSFETs hervorragend zur Ermittlung des Zellstroms eignet. Bei bekanntem Durchgangswiderstand beziehungsweise Drain-Source-Widerstand lässt sich der Zellstrom I also einfach gemäß dem ohmschen Gesetz U=R*I aus der erfassten über diesen Widerstand R abfallenden Spannung U ermitteln.The first electronically controllable switching device can generally be designed as any desired power semiconductor or semiconductor switch, for example also as a bipolar transistor, in particular with an insulated gate electrode. However, it is particularly advantageous if the first electronically controllable switching device is in the form of a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). Such a MOSFET has at least three connections, namely a gate connection, a drain connection and a source connection. The volume resistance described above, via which the voltage is tapped, then represents the drain-source resistance of the MOSFET. In contrast to other semiconductor switches such as IGBTs, MOSFETs have an almost perfect ohmic characteristic, which is why the volume resistance of the MOSFET is excellent suitable for determining the cell current. If the volume resistance or drain-source resistance is known, the cell current I can therefore be determined simply in accordance with Ohm's law U=R*I from the voltage U recorded across this resistor R.

Da der Durchgangswiderstand beziehungsweise Kanalwiderstand weiterhin stark temperaturabhängig ist, ist es vorteilhaft, auch die Temperatur innerhalb der integrierten Schaltung zu erfassen, damit diese bei der Ermittlung des Durchgangswiderstands ebenfalls berücksichtigt werden kann. Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Erfassungseinrichtung mindestens einen ersten Temperatursensor aufweist, der in vorbestimmter Nähe zur ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung angeordnet ist und mittels welchem eine Temperatur, insbesondere eine Junction-Temperatur eines Halbleiter-Materials der integrierten Schaltung, ermittelbar ist, wobei die Erfassungseinrichtung einen zweiten Ausgang aufweist, an welchem ein mittels des ersten Temperatursensors bereitgestelltes, die Temperatur betreffendes, zweites Signal bereitstellbar ist. Dieses zweite Signal kann beispielsweise das vom Temperatursensor direkt ausgegebene analoge Signal, insbesondere Spannungssignal, darstellen. Das zweite Signal kann aber auch ein in Abhängigkeit von dem vom ersten Temperatursensor direkt ausgegebenen Signal bereitgestelltes, z.B. gewandeltes Signal darstellen, wie dies weiter unten näher erläutert ist.Since the volume resistance or channel resistance continues to be strongly temperature-dependent, it is advantageous to also detect the temperature inside the integrated circuit so that this can also be taken into account when determining the volume resistance. It is therefore a further particularly advantageous embodiment of the invention if the detection device has at least one first temperature sensor, which is arranged in a predetermined proximity to the first electronically controllable switching device and by means of which a temperature, in particular a junction temperature, of a semiconductor material of the integrated circuit , can be determined, the detection device having a second output at which a second signal, provided by means of the first temperature sensor and relating to the temperature, can be provided. This second signal can represent, for example, the analog signal output directly by the temperature sensor, in particular a voltage signal. However, the second signal can also represent a signal provided, e.g. converted, as a function of the signal directly output by the first temperature sensor, as is explained in more detail below.

Die Temperaturmessung ermöglicht vorteilhafterweise eine genaue Bestimmung des aktuellen Durchgangswiderstands und damit auch des Laststroms in allen Betriebsbereichen. Auch hier zeigt sich wiederum der große Vorteil der Ausbildung der Erfassungseinrichtung als integrierte Schaltung, da nur hierdurch eine besonders genaue Bestimmung der Junction-Temperatur des Halbleitermaterials, aus welchem die integrierte Schaltung und damit auch die elektronisch steuerbaren Schalteinrichtungen, aufgebaut sind, breitstellbar ist, da der mindestens eine erste Temperatursensor direkt am Halbleitermaterial oder zumindest in unmittelbarer Nähe angeordnet werden kann. In vorbestimmter Nähe zur ersten elektronischen Schalteinrichtung soll hier insbesondere so verstanden werden, dass sich der erste Temperatursensor näher an der ersten elektronischen Schalteinrichtung befindet, als an zumindest einer weiteren von Leitungen verschiedenen Komponente der Erfassungseinrichtung, zum Beispiel als an der zweiten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung, die später näher erläutert wird. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise als NTC(negative temperature coefficient)-Widerstand oder auch durch eine Diode mit entsprechender Spannungs-Temperatur-Kennlinie bereitgestellt sein. Dass die Temperatur betreffende Signal muss entsprechend damit nicht die Temperatur selbst direkt angeben, sondern kann auch ein Spannungs- und/oder Stromsignal darstellen, auf Basis von welchem die Temperatur ermittelbar istThe temperature measurement advantageously enables an exact determination of the current volume resistance and thus also of the load current in all operating ranges. The great advantage of designing the detection device as an integrated circuit is also evident here, since this is the only way to determine the junction temperature of the semiconductor material from which the integrated circuit, and thus also the electronically controllable switching devices, is particularly accurate gene, are constructed, can be widened, since the at least one first temperature sensor can be arranged directly on the semiconductor material or at least in the immediate vicinity. In a predetermined proximity to the first electronic switching device, it should be understood here in particular that the first temperature sensor is located closer to the first electronic switching device than to at least one other component of the detection device that is different from lines, for example than to the second electronically controllable switching device that will be explained in more detail later. Such a temperature sensor can be provided, for example, as an NTC (negative temperature coefficient) resistor or by a diode with a corresponding voltage-temperature characteristic. Accordingly, the signal relating to the temperature does not have to indicate the temperature itself directly, but can also represent a voltage and/or current signal on the basis of which the temperature can be determined

Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung nicht selbst dazu ausgelegt, den Zellstrom auf Basis der erfassten Größen zu ermitteln. Vorzugsweise wird diese Aufgabe durch eine separate Steuereinrichtung übernommen, die nicht Teil der integrierten Schaltung ist, durch welche die Erfassungseinrichtung bereitgestellt ist, und die beispielsweise auch die entsprechenden Schalter der zugeordneten Batteriezellen, d.h. die erste elektronische Schalteinrichtung und/oder gegebenenfalls die zweite optionale elektronische Schalteinrichtung, ansteuern kann. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn auch das die Temperatur betreffende Signal, sowie auch die erfasste über den Widerstand abfallende Spannung oder ein diese repräsentierendes Signal an einem Ausgang der Erfassungseinrichtung bereitgestellt werden, welcher beispielsweise dann entsprechend mit dieser Steuereinrichtung koppelbar sein kann, sodass diese Steuereinrichtung die beschriebenen weiteren Berechnungen und Bestimmungen bezüglich des Batteriezellstroms durchführt.The detection device is preferably not itself designed to determine the cell current on the basis of the detected variables. This task is preferably performed by a separate control device which is not part of the integrated circuit by which the detection device is provided and which, for example, also includes the corresponding switches of the associated battery cells, ie the first electronic switching device and/or optionally the second optional electronic switching device , can control. Accordingly, it is advantageous if the signal relating to the temperature as well as the detected voltage drop across the resistor or a signal representing this are provided at an output of the detection device, which can then be coupled to this control device, for example, so that this control device can further calculations and determinations described regarding the battery cell current.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die integrierte Schaltung einen Analog-Digital-Umsetzer, insbesondere einen Delta-Sigma-Wandler beziehungsweise Modulator, auf. Dieser ist im Allgemeinen dazu ausgelegt, Analogsignale in Digitalsignale zu wandeln. Eine solche Wandlung kann in vorteilhafterweise sowohl für die abgegriffene Spannung als auch zusätzlich oder alternativ für das vom ersten Temperatursensor direkt ausgegebene analoge Signal bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist dieser Analog-Digital-Umsetzer also dazu ausgelegt, die über dem Widerstand abgegriffene Spannung in ein digitales Spannungssignal umzusetzen und am ersten Ausgang der integrierten Schaltung als das erste Signal bereitzustellen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Analog-Digital-Umsetzer dazu ausgelegt ist, ein mittels des mindestens einen ersten Temperatursensors bereitgestelltes die Temperatur betreffendes drittes Signal in ein digitales Temperatursignal umzusetzen und als das zweite Signal am zweiten Ausgang der integrierten Schaltung bereitzustellen. Mit anderen Worten kann das oben genannte die Temperatur betreffende zweite Signal das vom Umsetzer gewandelte Signal darstellen, während das vom Temperatursensor direkt ausgegebene analoge Signal hier als drittes Signal bezeichnet wird. Dadurch kann also an den Ausgängen der integrierten Schaltung sowohl in Bezug auf die erfasste über dem Durchgangswiderstand abfallende Spannung als auch in Bezug auf die Temperaturermittlung direkt ein digitales, sehr störsicheres Signal ausgegeben werden. Dieses Signal kann dann direkt an einen digitalen Eingang der genannten Steuereinrichtung, wie beispielsweise eines Mikrocontrollers oder Prozessors geführt werden. Dadurch lässt sich die Störanfälligkeit deutlich reduzieren. Die Genauigkeit der Stromermittlung lässt sich dadurch vorteilhafterweise weiter steigern.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the integrated circuit has an analog/digital converter, in particular a delta-sigma converter or modulator. This is generally designed to convert analog signals into digital signals. Such a conversion can advantageously be provided both for the tapped voltage and additionally or alternatively for the analog signal output directly by the first temperature sensor. This analog/digital converter is therefore preferably designed to convert the voltage tapped across the resistor into a digital voltage signal and to make it available as the first signal at the first output of the integrated circuit. Furthermore, it is preferred that the analog/digital converter is designed to convert a third signal relating to the temperature provided by the at least one first temperature sensor into a digital temperature signal and to provide it as the second signal at the second output of the integrated circuit. In other words, the above-mentioned second signal relating to the temperature can represent the signal converted by the converter, while the analog signal output directly by the temperature sensor is referred to here as the third signal. As a result, a digital, very interference-free signal can be output directly at the outputs of the integrated circuit, both in relation to the detected voltage drop across the contact resistance and in relation to the determination of the temperature. This signal can then be routed directly to a digital input of the named control device, such as a microcontroller or processor. This significantly reduces the susceptibility to failure. The accuracy of the current determination can advantageously be further increased as a result.

Weiterhin kann die Erfassungseinrichtung in einem mit der Batteriezelle gekoppelten Zustand auch dazu ausgelegt sein, die abgegriffene Spannung als analoges Spannungssignal und/oder das mittels des mindestens einen Temperatursensors bereitgestellte, die Temperatur betreffende Signal, als analoges Temperatursignal bereitzustellen. Die Bereitstellung dieser analogen Signale kann dabei insbesondere zusätzlich zur Bereitstellung der oben beschriebenen digitalen Signale erfolgen. Somit können diese analogen Signale vorteilhafter Weise zur Plausibilisierung verwendet werden. Dadurch lässt sich die Fehleranfälligkeit reduzieren und die Robustheit des Systems weiter steigern.Furthermore, in a state coupled to the battery cell, the detection device can also be designed to provide the tapped voltage as an analog voltage signal and/or the signal relating to the temperature provided by the at least one temperature sensor as an analog temperature signal. The provision of these analog signals can in particular take place in addition to the provision of the digital signals described above. Thus, these analog signals can advantageously be used for plausibility checks. This reduces the susceptibility to errors and further increases the robustness of the system.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Erfassungseinrichtung, wie eingangs bereits erwähnt, auch eine zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung auf, die in einem mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung parallel zur mindestens einen Batteriezelle und der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung geschaltet ist. Dabei weist die Erfassungseinrichtung vorzugsweise weiterhin einen zweiten Spannungsabgriff zum Abgreifen einer über dem Widerstand der zweiten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung abfallenden Spannung, welche an einem dritten Ausgang der Erfassungseinrichtung bereitstellbar ist, und/oder einen zweiten Temperatursensor auf, der in vorbestimmter Nähe zur zweiten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung angeordnet ist, und mittels welchem ein eine Temperatur, insbesondere wiederum eine Junction-Temperatur des Halbleiter-Materials der integrierten Schaltung, betreffendes viertes Signal an einem vierten Ausgang der Erfassungseinrichtung bereitstellbar ist. Auch diese Signale, nämlich das Spannungssignal sowie das Temperatursignal, können dabei wiederum analog und/oder digital bereitgestellt werden. Insbesondere kann die zweite elektronische steuerbare Schalteinrichtung wie zur ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung beschrieben ausgebildet sein und auch der zweite Temperatursensor kann wie zum ersten Temperatursensor beschrieben ausgebildet sein. Die gleichen Größe, das heißt Spannung und Temperatur, die in Bezug auf die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung erfasst werden können, können in Analogie dazu auch in Bezug auf die zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung erfasst werden und weiterverarbeitet werden. Diese in Bezug auf den zweiten Schalter erfassten Größen können dann ebenfalls zur Plausibilisierung und zu Überwachungszwecken verwendet werden, zum Beispiel um die korrekte Funktionsweise der elektronisch steuerbaren Schalteinrichtungen zu überwachen.In a further advantageous embodiment of the invention, the detection device also has, as already mentioned at the outset, a second electronically controllable switching device which, when the detection device is coupled to the at least one battery cell as intended, is connected in parallel with the at least one battery cell and the first electronically controllable switching device . The detection device preferably also has a second voltage tap for tapping a voltage drop across the resistance of the second electronically controllable switching device, which can be provided at a third output of the detection device, and/or a second temperature sensor, which is in a predetermined proximity to the second electronically controllable switching device is arranged, and by means of which a fourth signal relating to a temperature, in particular in turn a junction temperature of the semiconductor material of the integrated circuit, at a fourth output transition of the detection device is available. These signals, namely the voltage signal and the temperature signal, can in turn be provided in analog and/or digital form. In particular, the second electronically controllable switching device can be designed as described for the first electronically controllable switching device and the second temperature sensor can also be designed as described for the first temperature sensor. The same quantity, that is to say voltage and temperature, which can be recorded in relation to the first electronically controllable switching device, can analogously also be recorded in relation to the second electronically controllable switching device and processed further. These variables recorded in relation to the second switch can then also be used for plausibility checks and for monitoring purposes, for example to monitor the correct functioning of the electronically controllable switching devices.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Zudem weist die Messanordnung weiterhin eine Steuereinrichtung auf, die mit der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Strom durch die Batteriezelle in einem mit der Batteriezelle gekoppelten Zustand der Erfassungseinrichtung in Abhängigkeit von der am ersten Ausgang der Erfassungseinrichtung bereitgestellten Spannung und einem vorbestimmten Wert des durch die erste elektronische Schalteinrichtung bereitgestellten Widerstands, insbesondere des Durchgangswiderstands, zu ermitteln. Dann kann wiederum durch die Steuereinrichtung ein Signal in Abhängigkeit von dem so ermittelten elektrischen Strom durch die Batteriezelle ausgegeben werden. Dies kann beispielsweise ein Steuersignal darstellen, in Abhängigkeit von welchem die jeweiligen Schaltelemente, das heißt die erste und zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung, steuerbar sind und/oder ein Signal, durch welches die Information über den so ermittelten elektrischen Strom an ein übergeordnetes Steuergerät, zum Beispiel an einen Batteriemanagementcontroller und/oder an andere Komponenten des Kraftfahrzeugs, übermittelt wird. Die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Messanordnung.Furthermore, the invention also relates to a measuring arrangement with a detection device according to the invention or one of its configurations. In addition, the measuring arrangement also has a control device which is coupled to the detection device, wherein the control device is designed to generate an electric current through the battery cell when the detection device is in a state in which it is coupled to the battery cell, depending on the voltage provided at the first output of the detection device and to determine a predetermined value of the resistance provided by the first electronic switching device, in particular the contact resistance. A signal can then in turn be output by the control device as a function of the electric current through the battery cell determined in this way. This can be a control signal, for example, on the basis of which the respective switching elements, i.e. the first and second electronically controllable switching device, can be controlled and/or a signal through which the information about the electric current determined in this way is sent to a higher-level control unit, for example to a battery management controller and/or to other components of the motor vehicle. The advantages described for the detection device according to the invention and its configurations therefore apply in the same way to the measuring arrangement according to the invention.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Messanordnung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den vorbestimmten Wert des Widerstands in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors ermittelten Temperatur zu bestimmen, insbesondere anhand zumindest einer vorgegebenen Temperatur-Widerstands-Kennlinie, die der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung zugeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Abhängigkeit des Durchgangswiderstands von der Temperatur durch die genannte Temperatur-Widerstands-Kennlinie beschrieben sein, welche zum Beispiel in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt sein kann. Auf Basis dieser Kennlinie kann dann die Steuereinrichtung für eine aktuell gemessene Temperatur den korrespondierenden aktuellen Durchgangswiderstand der ersten Schalteinrichtung auslesen und zur Ermittlung des elektrischen Stroms durch die Batteriezelle unter Verwendung der aktuell gemessenen Spannung über diesem Widerstand verwenden. Dies ermöglicht eine besonders einfache, genaue und schnelle Stromberechnung des Zellstroms bzw. Batteriestroms.In an advantageous embodiment of the measuring arrangement, the control device is designed to determine the predetermined value of the resistance as a function of the temperature determined by the temperature sensor, in particular using at least one predetermined temperature-resistance characteristic curve that is assigned to the first electronically controllable switching device. In other words, the dependency of the volume resistance on the temperature can be described by the named temperature-resistance characteristic, which can be stored in a memory of the control device, for example. Based on this characteristic, the control device can then read out the corresponding current volume resistance of the first switching device for a currently measured temperature and use it to determine the electric current through the battery cell using the currently measured voltage across this resistance. This enables a particularly simple, accurate and rapid current calculation of the cell current or battery current.

Hierbei sei noch anzumerken, dass es von der aktuellen Schalterstellung der beiden elektronisch steuerbaren Schalteinrichtungen sowie von der Art der Verschaltung der Batteriezellen untereinander abhängt, welcher Strom gemessen wird, d.h. ob der Strom durch eine einzelne Batteriezelle, der Gesamtstrom der Batterie oder ein Teil des Gesamtstroms gemessen wird. Zur Vermessung der einzelnen Zellströme kann z.B. die jeweils aktuell zu vermessende Batteriezelle aus dem Zellverbund elektrisch durch geeignete Ansteuerung der Schalter getrennt werden. Ist die Batterie beispielsweise aus einer reinen Serienschaltung von Batteriezellen aufgebaut, oder sind parallelgeschaltete Batteriezellen zum Messzeitpunkt überbrückt, so stellt der Strom durch eine einzelne im seriellen Verbund befindliche Batteriezelle gleichzeitig den Gesamtstrom durch die Batterie dar. Befinden sich zum Messzeitpunkt immer zwei gleichartige Batteriezellen in einer Parallelschaltung, so teilt sich auch der Gesamtstrom zu näherungsweise gleichen Teilen auf diese beiden Batteriezellen auf. Diese Grundkenntnisse der Elektrik sind einem Fachmann jedoch in ausreichender Weise bekannt und werden hier entsprechend nicht vertieft.It should also be noted here that the current that is measured depends on the current switch position of the two electronically controllable switching devices and on the type of connection between the battery cells, i.e. whether the current through an individual battery cell, the total current of the battery or part of the total current is measured. In order to measure the individual cell currents, for example, the battery cell currently to be measured can be electrically separated from the cell assembly by suitably controlling the switches. If, for example, the battery is made up of a pure series connection of battery cells, or if battery cells connected in parallel are bridged at the time of measurement, the current through a single battery cell in the series network simultaneously represents the total current through the battery. If there are always two battery cells of the same type in one at the time of measurement Parallel connection, the total current is divided approximately equally between these two battery cells. However, this basic knowledge of the electrics is sufficiently known to a person skilled in the art and is accordingly not detailed here.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Batteriezelleneinheit mit mindestens einer Batteriezelle und einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die Erfassungseinrichtung ist dabei mit der mindestens einen Batteriezelle bestimmungsgemäß gekoppelt, so dass die erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung zur mindestens einen Batteriezelle in Serie geschaltet ist. Die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Batteriezelleneinheit. Im Allgemeinen kann die Batteriezelleneinheit mehrere Batteriezellen umfassen. Vorzugsweise weist die Batteriezelleneinheit genau eine Batteriezelle und eine ihr zugeordnete Erfassungseinrichtung auf. Batteriemodule einer Hochvoltbatterie sowie die Hochvoltbatterie selbst können dann entsprechend aus vielzähligen solcher Batteriezelleneinheiten aufgebaut sein, die beliebig miteinander verschaltet bzw. verschaltbar sein können.Furthermore, the invention relates to a battery cell unit with at least one battery cell and a detection device according to the invention or one of its configurations. The detection device is coupled with the at least one battery cell as intended, so that the first electronically controllable switching device is connected in series with the at least one battery cell. The advantages mentioned for the detection device according to the invention and its configurations therefore apply in the same way to the battery cell unit according to the invention. In general, the battery cell unit can include multiple battery cells. The battery cell unit preferably has exactly one battery cell and a detection device assigned to it. Battery modules of a high-voltage battery and the high-voltage battery rie themselves can then be constructed accordingly from numerous such battery cell units, which can be connected or can be connected to one another as desired.

Weiterhin ist es auch hier vorteilhaft, wenn die Erfassungseinrichtung eine zweite elektronisch steuerbare Schalteinrichtung aufweist. Dieses ist dann entsprechend so angeordnet, dass sie sowohl parallel zur mindestens einen Batteriezelle als auch parallel zur ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung geschaltet ist. Hierdurch lässt sich wiederum vorteilhafterweise die Batteriezelleneinheit, insbesondere die mindestens eine Batteriezelle aus einer Batterie mit mehreren verschalteten Batteriezellen selektiv zu und wegschalten.Furthermore, it is also advantageous here if the detection device has a second electronically controllable switching device. This is then arranged accordingly in such a way that it is connected both in parallel with the at least one battery cell and in parallel with the first electronically controllable switching device. This in turn advantageously allows the battery cell unit, in particular the at least one battery cell from a battery with a plurality of connected battery cells, to be switched on and off selectively.

Entsprechend soll auch eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie, mit mehreren solchen Batteriezelleneinheiten als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Eine solche Batterie kann entsprechend mehrere Batteriezellen bzw. Batteriezelleneinheiten aufweisen, die in beliebiger Weise seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein können, je nach Anwendungsfall. Zudem können die einzelnen Batteriezellen bzw. Batteriezelleneinheiten zu Gruppen in Form von Batteriemodulen zusammengefasst sein. Jede Batteriezelle ist entsprechend einer Erfassungseinrichtung, wie bereits beschrieben, zugeordnet. Die Batteriezellen können beispielsweise als prismatische Zellen ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine einfache Verschaltung mit der Erfassungseinrichtung. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung in Form des integrierten Schaltkreises als SMD (surface mounted device)-Bauteil gefertigt sein, welches auf einer Platine angeordnet ist, welche wiederum auf der Ober- oder Unterseite der prismatischen Batteriezelle angeordnet ist. Eine Oberseite der Anordnung, das heißt auf der Seite der Batteriezelle, auf welcher sich auch die Batteriezellpole befinden, ist besonders vorteilhaft, da dies eine besonders einfache Verschaltung mit den Batteriezellpolen ermöglicht. Die Ausbildung der Erfassungseinrichtung in Form des integrierten Schaltkreises, welcher wiederum als SMD-Bauteil bereitgestellt werden kann, hat zudem den großen Vorteil, dass die Entwärmung, das heißt die Wärmeabfuhr beziehungsweise Kühlung der Halbleiterbauteile, insbesondere der elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung, entweder einfach nach unten über die Gehäuseunterseite des Gehäuses der integrierten Schaltung, das heißt in Richtung Platine, oder über die Gehäuseoberseite der integrierten Schaltung, welcher der Unterseite gegenüberliegt und der Platine abgewandt ist, realisiert werden kann. Dies ermöglicht eine besonders gute thermische Anbindung des Moduls, das heißt der integrierten Schaltung, an eine Kühleinrichtung. Im Allgemeinen können die Batteriezellen aber auch beliebig anders ausgebildet sein, z.B. als Rundzellen und/oder Pouchzellen.Accordingly, a battery, in particular a high-voltage battery, with a plurality of such battery cell units should also be regarded as belonging to the invention. Such a battery can correspondingly have a plurality of battery cells or battery cell units, which can be connected to one another in any desired manner in series and/or in parallel, depending on the application. In addition, the individual battery cells or battery cell units can be combined into groups in the form of battery modules. Each battery cell is assigned according to a detection device, as already described. The battery cells can be designed as prismatic cells, for example. This enables simple interconnection with the detection device. For example, the detection device can be manufactured in the form of the integrated circuit as an SMD (surface mounted device) component, which is arranged on a circuit board, which in turn is arranged on the top or bottom of the prismatic battery cell. An upper side of the arrangement, that is to say on the side of the battery cell on which the battery cell poles are also located, is particularly advantageous since this enables particularly simple interconnection with the battery cell poles. The formation of the detection device in the form of the integrated circuit, which in turn can be provided as an SMD component, also has the great advantage that the heat dissipation, i.e. the heat dissipation or cooling of the semiconductor components, in particular the electronically controllable switching device, can either simply be carried out downwards via the housing underside of the housing of the integrated circuit, ie in the direction of the circuit board, or over the housing top of the integrated circuit, which is opposite the underside and faces away from the circuit board. This enables a particularly good thermal connection of the module, ie the integrated circuit, to a cooling device. In general, however, the battery cells can also be designed in any other way, e.g. as round cells and/or pouch cells.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen und/oder einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen beziehungsweise für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with a detection device according to the invention or one of its configurations and/or a measuring arrangement according to the invention or one of its configurations. The advantages mentioned for the detection device according to the invention and its configurations or for the measuring arrangement according to the invention and its configurations therefore apply in the same way to the motor vehicle according to the invention.

Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.

Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Erfassen einer Spannung, die über einem in Serie zu einer Batteriezelle angeordneten Widerstand abfällt, mittels einer Erfassungseinrichtung, die eine erste elektronisch steuerbare Schalteinrichtung aufweist, die in Serie zur Batteriezelle geschaltet ist, wobei ein Signal in Abhängigkeit von der erfassen Spannung an einem Ausgang der Erfassungseinrichtung bereitgestellt wird. Dabei ist die Erfassungseinrichtung als integrierte Schaltung ausgebildet und die Spannung wird über einem zwischen einem ersten und zweiten Anschluss der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung vorhandenen Durchgangswiderstand der ersten elektronisch steuerbaren Schalteinrichtung abgegriffen, der den in Serie zur Batteriezelle angeordneten Widerstand darstellt.Furthermore, the invention also relates to a method for detecting a voltage that drops across a resistor arranged in series with a battery cell, using a detection device that has a first electronically controllable switching device that is connected in series with the battery cell, with a signal depending on is provided by the detected voltage at an output of the detection device. The detection device is designed as an integrated circuit and the voltage is tapped across a volume resistance of the first electronically controllable switching device present between a first and second connection of the first electronically controllable switching device, which represents the resistance arranged in series with the battery cell.

Die Erfassungseinrichtung kann dabei die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen darstellen. Entsprechend gelten auch hier die für die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in analoger Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.The detection device can represent the detection device according to the invention or one of its configurations. Correspondingly, the advantages described for the detection device according to the invention and its configurations also apply here in an analogous manner to the method according to the invention.

Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung, der erfindungsgemäßen Messanordnung und/oder des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the detection device according to the invention, the measuring arrangement according to the invention and/or the motor vehicle according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.

Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features multiple of the described embodiments, unless the embodiments are described as mutually exclusive.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie, eine zusätzlich separate Darstellung einer Hochvoltbatterie und eine weitere Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit mehreren Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Verschaltung mehrerer Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds eines als MOSFET ausgebildeten elektronisch steuerbaren Schalters, wie er in einer Erfassungseinrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung Anwendung findet;
4 eine schematische Darstellung einer als integrierte Schaltung ausgebildeten Erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Kennlinie, die die Abhängigkeit des Drain-Source-Widerstands von der Temperatur für eine elektronisch steuerbare Schalteinrichtung beschreibt, wie sie zur Ermittlung des Batteriezellstroms gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
6 eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 eine schematische und perspektivische Darstellung der als integrierte Schaltung ausgebildeten Erfassungseinrichtung, welche als SMD-Bauteil bereitgestellt ist.

Exemplary embodiments of the invention are described below. For this shows:

1 a schematic and perspective view of a motor vehicle with a high-voltage battery, an additional separate view of a high-voltage battery and a further view of a battery cell arrangement with multiple battery cells according to an embodiment of the invention;
2 a schematic representation of an interconnection of multiple battery cells according to an embodiment of the invention;
3 a schematic representation of an equivalent circuit diagram of an electronically controllable switch designed as a MOSFET, as is used in a detection device according to the exemplary embodiment of the invention;
4 a schematic representation of a detection device designed as an integrated circuit according to an embodiment of the invention;
5 a schematic representation of a characteristic that describes the dependency of the drain-source resistance on the temperature for an electronically controllable switching device, as is used to determine the battery cell current according to an embodiment of the invention;
6 a schematic representation of part of a motor vehicle electrical system with a measuring arrangement according to an exemplary embodiment of the invention; and
7 a schematic and perspective representation of the detection device designed as an integrated circuit, which is provided as an SMD component.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Hochvoltbatterie 12, nochmal eine separate Darstellung der Hochvoltbatterie 12, wie sie im Kraftfahrzeug 10 verbaut ist, und die mehrere miteinander verschaltete Batteriemodule 14 aufweist, die wiederum mehrere Batteriezellen 16 umfassen, wie sie ebenfalls in einer Batteriezellenanordnung 18 nochmal separat dargestellt sind. Die Batteriezellen 16 sind in diesem Beispiel als prismatische Batteriezellen 16 ausgebildet. Diese weisen auf ihrer jeweiligen Oberseite 20 jeweils zwei Pole 22, 24, nämlich einen Pluspol 22 und einen Minuspol 24 auf. Die einer jeweiligen Oberseite 20 gegenüberliegende Seite einer jeweiligen Batteriezelle 16 wird als Unterseite 26 bezeichnet. Je nach Anwendungsfall können dabei die Batteriezellen 16 miteinander seriell und/oder parallel verschaltet sein. Weiterhin sind die Batteriezellen 16 im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als so genannte Smart-Cells ausgebildet, das heißt intelligente Batteriezellen 16, wobei eine jeweilige solche intelligente Batteriezelle 16 über jeweils eine der Batteriezellen 16 in Serie sowie eine der Batteriezelle 16 parallel geschaltete elektronisch steuerbare Schalteinrichtung 30, 32 (vergleiche 2) in Form eines Leistungshalbleiters, insbesondere in Form eines MOSFETs, aufweist. Diese elektronisch steuerbaren Schalteinrichtungen 30, 32 werden im Folgenden unter anderem auch kurz als Schalter 30, 32, Leistungsschalter 30, 32 oder Halbleiterschalter 30, 32 bezeichnet. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle 10 with a high-voltage battery 12, again a separate representation of the high-voltage battery 12 as it is installed in the motor vehicle 10, and which has a plurality of interconnected battery modules 14, which in turn comprise a plurality of battery cells 16, as are also in a battery cell arrangement 18 are again shown separately. The battery cells 16 are designed as prismatic battery cells 16 in this example. These each have two poles 22 , 24 , namely a positive pole 22 and a negative pole 24 , on their respective upper side 20 . The side of a respective battery cell 16 opposite a respective upper side 20 is referred to as underside 26 . Depending on the application, the battery cells 16 can be connected to one another in series and/or in parallel. Furthermore, within the scope of the present invention, the battery cells 16 are preferably embodied as so-called smart cells, i.e. intelligent battery cells 16, with each such intelligent battery cell 16 having one of the battery cells 16 in series and one of the battery cell 16 connected in parallel with an electronically controllable switching device 30, 32 (compare 2 ) in the form of a power semiconductor, in particular in the form of a MOSFET. These electronically controllable switching devices 30, 32 are also briefly referred to below as switches 30, 32, power switches 30, 32 or semiconductor switches 30, 32.

2 zeigt dabei eine schematische Darstellung einer exemplarischen Verschaltungsmöglichkeit mehrerer solcher intelligenter Batteriezellen 16 mit ihren jeweiligen Schaltern 30, 32 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Je eine Batteriezelle 16 und ihre zugeordneten beiden Schalter 30, 32 sind dabei Teil einer Batteriezelleneinheit 33. Diese Batteriezelleneinheit 33 kann dabei noch weitere Komponenten umfassen, wie diese später näher beschrieben sind. 2 shows a schematic representation of an exemplary interconnection possibility of several such intelligent battery cells 16 with their respective switches 30, 32 according to an embodiment of the invention. One battery cell 16 and its associated two switches 30, 32 are part of a battery cell unit 33. This battery cell unit 33 can also include other components, as will be described in more detail later.

In diesem Beispiel sind je zwei Batteriezelleneinheiten 33 in einer Parallelschaltung zueinander angeordnet. Diese Parallelschaltungen sind wiederum seriell zueinander angeordnet. Durch die beiden Schalter 30, 32 ist es möglich, einzelne Zellen 16 im Speicherverbund, das heißt im Modul 14 und auch in der Hochvoltbatterie 12, zu- beziehungsweise wegzuschalten. Beispielsweise können so defekte Zellen 16 einfach aus dem Leistungspfad genommen werden. Ein Weiterfahren des Kraftfahrzeugs 10 ist dadurch weiterhin gewährleistet. Durch den modularen Aufbau der intelligenten Batteriezellen 16 beziehungsweise der Batteriezelleneinheiten 33 können in der Werkstatt anschließend gezielt schwache oder defekte Zellen 16 beziehungsweise die betreffenden Batteriezelleneinheiten 33 ausgetauscht werden. Um in diesem Beispiel eine Batteriezelle 16 zu überbrücken, kann der zweite Schalter 32, welcher zum ersten Schalter 30 sowie zur Batteriezelle 16 parallel geschaltet ist, geschlossen werden, und dadurch die Batteriezelle 16 überbrückt werden. Deswegen wird dieser zweite Schalter 32 auch als Bypassschalter 32 bezeichnet. Der erste Schalter 30, der entsprechend als aktiver Schalter 30 bezeichnet werden kann, kann im normalen Betrieb permanent geschlossen sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schalter 30, 32 auch im normalen Betrieb in einem permanenten Taktbetrieb betrieben werden, zum Beispiel in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hertz und 20 Kilohertz, insbesondere via Pulsweitenmodulation. Die auftretenden Schaltverluste, die sich in Wärme äußern, können durch die Erfindung und/oder ihre Ausführungsformen optimal abgeführt werden, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird. Als aktive Halbleiterschaltelemente, das heißt als die Schalter 30, 32, werden aufgrund der geringen Leitverluste vorzugsweise MOSFETs eingesetzt. Im normalen Betrieb fließt über diese Halbleiterschalter 30 der komplette Batteriestrom, der typischerweise im Bereich zwischen 300 und 400 Ampere liegt. Zur Steuerung und Überwachung der Batteriezellen sowie der gesamten Batterie 12 werden typischerweise auch diverse elektrische Größen erfasst, wie beispielsweise der Zellstrom beziehungsweise der komplette Batteriestrom.In this example, two battery cell units 33 are arranged in parallel with one another. These parallel circuits are in turn arranged in series with one another. The two switches 30, 32 make it possible to switch on or off individual cells 16 in the storage system, that is to say in the module 14 and also in the high-voltage battery 12. For example, cells 16 that are defective in this way can simply be removed from the power path. This ensures that the motor vehicle 10 can continue to drive. Due to the modular design of the intelligent battery cells 16 or the battery cell units 33 can then specifically weak or in the workshop defective cells 16 or the relevant battery cell units 33 are replaced. In order to bypass a battery cell 16 in this example, the second switch 32, which is connected in parallel to the first switch 30 and to the battery cell 16, can be closed, and the battery cell 16 can be bypassed as a result. For this reason, this second switch 32 is also referred to as a bypass switch 32 . The first switch 30, which can accordingly be referred to as the active switch 30, can be permanently closed during normal operation. However, it can also be provided that the switches 30, 32 are also operated in a permanent cycle mode during normal operation, for example in a frequency range between 10 Hertz and 20 kHz, in particular via pulse width modulation. The switching losses that occur, which manifest themselves as heat, can be optimally dissipated by the invention and/or its embodiments, as will be described in more detail below. MOSFETs are preferably used as the active semiconductor switching elements, ie as the switches 30, 32, because of the low conduction losses. During normal operation, the entire battery current, which is typically in the range between 300 and 400 amperes, flows via these semiconductor switches 30 . In order to control and monitor the battery cells and the entire battery 12, various electrical variables are typically also recorded, such as the cell current or the complete battery current.

Die Strommessung des Zellstroms beziehungsweise des kompletten Batteriestroms erfolgt gemäß dem Stand der Technik üblicherweise über eine Shunt-Strommessung, bei welcher ein Präzisions-Mess-Shunt in Reihe zu einer jeweiligen Batteriezelle geschaltet ist und über welchen der Spannungsabfall abgegriffen wird, um den Zellstrom beziehungsweise Batteriestrom zu bestimmen. Durch den hohen Strom und den geringen Widerstandswert ist die Fertigung eines solchen Präzisions-Mess-Shunts teuer und aufwändig und dadurch sind auch die Bauteilkosten hoch. Da in einer Hochvoltbatterie typischerweise hunderte von Batteriezellen verbaut sind, würde eine Strommessung für jede Batteriezelle auch hunderte von solchen Mess-Shunts erfordern. Zudem wird je Strommessung auch ebenfalls eine Messschaltung mit galvanischer Trennung benötigt, was also bislang zu sehr hohen Herstellungskosten und Materialkosten, hohen Entwicklungskosten und großem Entwicklungsaufwand, hohen Verlusten durch Verlustleistung an den Mess-Shunts sowie zu einer geringen Robustheit der Strommessung gegen Störungen geführt hat.According to the prior art, the current measurement of the cell current or the complete battery current is usually carried out using a shunt current measurement, in which a precision measuring shunt is connected in series with a respective battery cell and via which the voltage drop is tapped to determine the cell current or battery current to determine. Due to the high current and the low resistance value, the production of such a precision measuring shunt is expensive and complex, and the component costs are therefore also high. Since hundreds of battery cells are typically installed in a high-voltage battery, a current measurement for each battery cell would also require hundreds of such measurement shunts. In addition, a measuring circuit with galvanic isolation is also required for each current measurement, which has led to very high manufacturing costs and material costs, high development costs and great development effort, high losses due to power loss at the measuring shunts and a low level of robustness of the current measurement against interference.

Durch die Erfindung und/oder ihre Ausgestaltungen ist es nun vorteilhafterweise möglich, diese Strommessung für jede Batteriezelle 16 deutlich effizienter zu gestalten. Dies wird dadurch bewerkstelligt, indem die Halbleiter, das heißt des ersten Halbleiterschalters 30, sowie auch vorzugsweise des zweiten Halbleiterschalters 32, die bislang üblicherweise als diskrete Elektronikbauteile bereitgestellt wurden, sowie auch die Spannungsmessung zur Zellstromermittlung in ein gemoldetes Powermodul 34 (vergleiche zum Beispiel 3) integriert werden. Mit anderen Worten werden die Halbleiterschalter 30, 32, sowie die Spannungsmessung und optionale weitere Komponenten und/oder funktionale Einheiten als integrierte Schaltung 34, insbesondere als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ausgeführt. Demzufolge werden im Folgenden die Begriffe Powermodul 34 und integrierte Schaltung 34 synonym verwendet. Da dieses Modul 34 die erfindungsgemäße Erfassungseinrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen darstellt, wird dieses Modul 34 im Folgenden auch als Erfassungseinrichtung beschrieben, die dann ebenfalls mit 34 bezeichnet wird. Durch die Integration der Schalter 30, 32 in ein solches Modul 34, das heißt die Ausführung der Schalter 30, 32 als Teil einer integrierten Schaltung 34, ist vorteilhafterweise nun die Möglichkeit bereitgestellt, die Strommessung über den Drain-Source-Kanalwiderstand R zu realisieren. Dieser Kanalwiderstand R wird umgangssprachlich auch als RDSON bzw. R_DS,on bezeichnet und meint im Allgemeinen den Einschaltwiderstand oder auch einen Durchgangswiderstand, insbesondere minimalen Durchgangswiderstand, eines Feldeffekttransistors.As a result of the invention and/or its refinements, it is now advantageously possible to make this current measurement for each battery cell 16 significantly more efficient. This is accomplished by integrating the semiconductors, i.e. the first semiconductor switch 30 and also preferably the second semiconductor switch 32, which have hitherto usually been provided as discrete electronic components, as well as the voltage measurement for determining the cell current, in a molded power module 34 (compare, for example 3 ) to get integrated. In other words, the semiconductor switches 30, 32 and the voltage measurement and optional further components and/or functional units are designed as an integrated circuit 34, in particular as an application-specific integrated circuit (ASIC). Consequently, the terms power module 34 and integrated circuit 34 are used synonymously below. Since this module 34 represents the detection device according to the invention or one of its configurations, this module 34 is also described below as a detection device, which is then also denoted by 34 . The integration of the switches 30, 32 in such a module 34, ie the implementation of the switches 30, 32 as part of an integrated circuit 34, now advantageously provides the possibility of realizing the current measurement via the drain-source channel resistance R. This channel resistance R is colloquially also referred to as RDSON or R _DS,on and generally means the on resistance or also a volume resistance, in particular minimum volume resistance, of a field effect transistor.

Zur Veranschaulichung zeigt 3 eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds eines MOSFETs, wie beispielsweise des ersten Schalters 30 oder auch des zweiten Schalters 32, welcher in diesem Beispiel drei Anschlüsse, nämlich einen Gate-Anschluss G, einen Source-Anschluss S und einen Drain-Anschluss D aufweist. Der Gate-Anschluss G stellt dabei den Steueranschluss dar, an welchem ein Steuersignal zum Öffnen und Schlie-ßen des Schalters 30, 32 bereitstellbar ist. Der Drain-Source-Widerstand R befindet sich entsprechend zwischen den Anschlüssen Source S und Drain D. Ein solcher Halbleiterschalter 30, 32 weist typischerweise auch noch weitere Widerstände 36 auf, die Leitungs- und/oder Übergangswiderstände auf den jeweiligen Strecken bis zu den Anschlüssen G, S, D, sowie Anschlusswiderstände selbst darstellen. Durch die Ausbildung als integrierte Schaltung 34 ist es möglich, einen Spannungsabgriff 38, 40 vorzusehen (vergleiche 4), mittels welchem die Spannung über diesen Drain-Source-Widerstand R abgreifbar ist, insbesondere nur über diesem Drain-Source-Widerstand R, da dieser Spannungsabgriff 38, 40 direkt am Halbleiter 30, 32 und damit in unmittelbarer Nähe zu diesem Drain-Source-Widerstand R positioniert werden kann. Die übrigen Widerstände 36 befinden sich damit außerhalb dieser Messstrecke und müssen auch nicht berücksichtigt werden, was eine deutlich genauere und einfachere Erfassung des Zellstroms ermöglicht.For illustration shows 3 a schematic representation of an equivalent circuit diagram of a MOSFET, such as the first switch 30 or the second switch 32, which in this example has three connections, namely a gate connection G, a source connection S and a drain connection D. The gate connection G represents the control connection at which a control signal for opening and closing the switch 30, 32 can be provided. The drain-source resistance R is accordingly located between the connections Source S and Drain D. Such a semiconductor switch 30, 32 typically also has further resistances 36, the line and/or contact resistances on the respective paths up to the connections G , S, D, as well as connection resistances themselves. The design as an integrated circuit 34 makes it possible to provide a voltage tap 38, 40 (cf 4 ), by means of which the voltage can be tapped across this drain-source resistor R, in particular only across this drain-source resistor R, since this voltage tap 38, 40 is directly on the semiconductor 30, 32 and thus in the immediate vicinity of this drain-source -Resistance R can be positioned. The remaining resistors 36 are therefore outside of this measuring section and do not have to be taken into account either. which enables a significantly more accurate and simpler detection of the cell current.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Erfassungseinrichtung 34, welche als integrierte Schaltung 34 ausgebildet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Erfassungseinrichtung 34 umfasst, wie beschrieben, die beiden Halbleiterschalter 30, 32. Weiterhin ist die Erfassungseinrichtung 34 mit einer zugeordneten Batteriezelle 16 koppelbar. Die Erfassungseinrichtung 34 bildet dann zusammen mit der Batteriezelle 16 im gekoppelten Zustand die oben genannte Batteriezelleneinheit 33. Zu diesem Zweck umfasst die Erfassungseinrichtung 34 entsprechende Anschlüsse 42, 44, 46. Der Anschluss 42 ist, wenn die Erfassungseinrichtung 34 bestimmungsgemäß mit ihrer zugeordneten Batteriezelle 16 gekoppelt ist, am negativen Zellpol 24 der Batteriezelle 16 angeschlossen, und der Anschluss 44 am Pluspol 22 der Batteriezelle 16. Der Anschluss 46 wird bestimmungsgemäß an eine Leitung angeschlossen, die zur nächsten Batteriezelle 16 beziehungsweise zur nächsten Parallelschaltung aus Batteriezellen 16 führt (vgl. auch 6). Entsprechend ist dann der erste Schalter 30 zur zugeordneten Batteriezelle 16 in Serie geschaltet und der zweite Schalter 32 entsprechend parallel zur Batteriezelle 16 und zum ersten Schalter 30. Auch zu erkennen sind hierbei die jeweiligen Spannungsabgriffe 38, 40 an den jeweiligen Schaltern 30, 32, die die betreffende Spannung über den jeweiligen Durchgangswiderständen R der betreffenden Schalter 30, 32 abgreifen können, wenn die Erfassungseinrichtung 34 mit der zugeordneten Batteriezelle 16 gekoppelt ist. Die jeweils abgegriffene Spannung ist hierbei mit U1 und U2 bezeichnet und kann an einem jeweiligen optionalen Analogausgang 48, 50 der Erfassungseinrichtung zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Die am Analogausgang 48 bereitgestellten Spannungssignale werden dabei vorzugsweise lediglich zu Plausibilisierungszwecken verwendet, während die tatsächliche Stromermittlung vorzugsweise auf gewandelten Digitalsignalen beruht, wie dies später noch näher erläutert wird. 4 shows a schematic representation of a detection device 34, which is designed as an integrated circuit 34, according to an embodiment of the invention. As described, the detection device 34 includes the two semiconductor switches 30, 32. Furthermore, the detection device 34 can be coupled to an associated battery cell 16. The detection device 34 then forms the above-mentioned battery cell unit 33 together with the battery cell 16 when coupled is connected to the negative cell pole 24 of the battery cell 16, and the connection 44 to the positive pole 22 of the battery cell 16. The connection 46 is intended to be connected to a line that leads to the next battery cell 16 or to the next parallel connection of battery cells 16 (cf. also 6 ). The first switch 30 is then connected in series with the associated battery cell 16 and the second switch 32 is connected in parallel with the battery cell 16 and the first switch 30 the relevant voltage can be tapped across the respective volume resistances R of the relevant switches 30, 32 when the detection device 34 is coupled to the associated battery cell 16. The respectively tapped voltage is denoted by U1 and U2 and can be made available at a respective optional analog output 48, 50 of the detection device for further processing. The voltage signals provided at the analog output 48 are preferably used only for plausibility purposes, while the actual determination of the current is preferably based on converted digital signals, as will be explained in more detail later.

Da der Durchgangswiderstand R eines jeweiligen Leistungsschalters 30, 32 stark temperaturabhängig ist, ist es vorteilhaft, wenn auch die jeweiligen Junction-Temperaturen der integrierten Leistungsschalter 30, 32 ebenfalls innerhalb des Moduls 34 erfasst werden. Hierfür können beispielsweise zwei Temperatursensoren 52, 54, die beispielsweise durch NTC-Widerstände bereitgestellt sein können, ebenfalls in das gemoldete Powermodul 34 integriert sein. Dadurch kann der Durchgangswiderstand R und dadurch auch der Laststrom in allen Betriebsbereichen sehr genau ermittelt werden. Die Ausführung als integrierte Schaltung 34 erlaubt es nämlich vorteilhafter Weise, diese Junction-Temperaturen mittels der Sensoren 52, 54 besonders präzise zu erfassen, da die Sensoren 52, 54 direkt auf dem Halbleitersubstrat beziehungsweise dem Chip der integrierten Schaltung 34 angeordnet werden können, wodurch die Temperatur dieses Chips als Junction-Temperatur direkt erfasst werden kann. Wären die Halbleiterschalter 30, 32 durch diskrete Bauteile beziehungsweise diskrete MOSFETS bereitgestellt, so wäre dies nicht möglich.Since the contact resistance R of a respective circuit breaker 30, 32 is strongly temperature-dependent, it is advantageous if the respective junction temperatures of the integrated circuit breakers 30, 32 are also recorded within the module 34. For this purpose, for example, two temperature sensors 52, 54, which can be provided by NTC resistors, for example, can also be integrated into the molded power module 34. As a result, the contact resistance R and thus also the load current can be determined very precisely in all operating ranges. The implementation as an integrated circuit 34 advantageously allows these junction temperatures to be detected particularly precisely by means of the sensors 52, 54, since the sensors 52, 54 can be arranged directly on the semiconductor substrate or the chip of the integrated circuit 34, whereby the Temperature of this chip can be recorded directly as a junction temperature. If the semiconductor switches 30, 32 were provided by discrete components or discrete MOSFETS, this would not be possible.

Die erfassten Temperaturen, die hierbei exemplarisch als T1 und T2 bezeichnet sind, können wiederum an einem optionalen analogen Temperaturausgang 56, 58 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Dabei muss die Temperatur nicht notwendigerweise als ein Temperaturwert ausgegeben werden, sondern kann auch als korrespondierendes Spannungssignal ausgegeben werden. Auch hier ist es bevorzugt, die Temperatursignale als digitale Signale an einem weiteren Ausgang bereitzustellen und die Analogsignale zur Plausibilisierung zu verwenden.The recorded temperatures, which are referred to here as T1 and T2 as an example, can in turn be made available at an optional analog temperature output 56, 58 for further processing. In this case, the temperature does not necessarily have to be output as a temperature value, but can also be output as a corresponding voltage signal. Here, too, it is preferable to provide the temperature signals as digital signals at a further output and to use the analog signals for plausibility checks.

Die Temperaturabhängigkeit eines exemplarischen Leistungsschalters, wie zum Beispiel des Schalters 30 oder 32, ist in 5 veranschaulicht. Insbesondere zeigt diese Kurve in Form einer Kennlinie 60, wie der Durchgangswiderstand R mit zunehmender Junction-Temperatur T ansteigt. Die dargestellte Kennlinie 60 bezieht sich dabei auf eine Gate-Spannung von 10 Volt und einen Drainstrom von 50 Ampere. In Kenntnis einer solchen Kennlinie 60 kann auf Basis der ermittelten Temperatur T1, der korrespondierende Widerstandswert des Durchgangswiderstands R des ersten Schalters 30 bestimmt werden und aus diesem in Kombination mit der zugehörigen gemessenen Spannung U1 dann der entsprechende Batteriezellstrom. Analog kann auch der Strom durch den zweiten Schalter 32 ermittelt werden, wenn dieser gerade geschlossen ist und die Batteriezelle 16 überbrückt. Diese Berechnungen werden jedoch vorzugsweise von einer separaten Steuereinrichtung 62 (vergleiche 6) durchgeführt, wie diese später näher beschrieben wird. Die Kennlinie 60, ggf. auch mehrere solcher Kennlinien 60, können in einem Speicher der Steuereinrichtung 62 abgelegt sein. Die Gesamtheit aus Steuereinrichtung 62 und Erfassungseinrichtung 34 wird darüber hinaus im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Messanordnung bezeichnet.The temperature dependence of an exemplary circuit breaker, such as switch 30 or 32, is in 5 illustrated. In particular, this curve shows in the form of a characteristic curve 60 how the contact resistance R increases as the junction temperature T increases. The characteristic curve 60 shown relates to a gate voltage of 10 volts and a drain current of 50 amperes. With knowledge of such a characteristic curve 60, the corresponding resistance value of the contact resistance R of the first switch 30 can be determined on the basis of the determined temperature T1, and then the corresponding battery cell current can be determined from this in combination with the associated measured voltage U1. Analogously, the current through the second switch 32 can also be determined when it is currently closed and the battery cell 16 is bypassed. However, these calculations are preferably carried out by a separate control device 62 (cf 6 ) as will be described in more detail later. The characteristic curve 60, possibly also several such characteristic curves 60, can be stored in a memory of the control device 62. The entirety of control device 62 and detection device 34 is also referred to as a measuring arrangement within the scope of the present invention.

Wie zu 4 beschrieben können die Temperatursignale sowie die Spannungssignale an den betreffenden Analogausgängen 48, 50, 56, 58 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die erfassten Werte U1, U2, T1, T2 zunächst in Digitalsignale gewandelt und dann an entsprechenden Ausgängen 64, 66, 68, 70 ausgegeben werden. Beispielsweise kann am Ausgang 64 die erste Temperatur T1, zum Beispiel in Form eines digitalen Spannungs- und/oder Stromsignals, digital ausgegeben werden, in gleicher Weise am Ausgang 66 die zweite Temperatur T2, und am Ausgang 68 sowie am Ausgang 70 die jeweiligen Spannungen U1, U2 als korrespondierende Digitalsignale. Korrespondierende Clock-Signale können über die Ausgänge 72 bereitgestellt sein. Zur Analog-DigitalWandlung können entsprechende Umsetzer verwendet werden, wie in diesem Beispiel Delta-Sigma-Wandler 74 beziehungsweise Delta-Sigma-Modulatoren 74, die ebenfalls von der Erfassungseinrichtung 34 umfasst sein können. Weiterhin können auch Filter- und Integratorstufen 76 in diesem Modul 34 integriert sein. Mit 78 ist im Übrigen das für die Analog-DigitalWandlung verwendete Referenzsignal bezeichnet. Durch diese Signalwandlung kann zusätzlich die Störanfälligkeit der im Stand der Technik beschriebenen Umsetzung deutlich verbessert werden. Dadurch kann nämlich an den Messausgängen 64, 66, 68, 70 des Powermoduls 34 direkt ein digitales, und damit sehr störsicheres Signal ausgegeben werden. Dieses Signal kann direkt an einen digitalen Eingang der Steuereinrichtung 62, wie beispielsweise einem Mikrocontroller beziehungsweise Prozessor geführt werden. Es sind dann keinerlei zusätzliche Schaltungsteile mehr erforderlich.How to 4 described, the temperature signals and the voltage signals can be provided at the relevant analog outputs 48, 50, 56, 58 for further processing. However, it is particularly advantageous if the recorded values U1, U2, T1, T2 are first converted into digital signals and then output at corresponding outputs 64, 66, 68, 70. For example, at the output 64, the first temperature T1, for example in the form of a digital voltage and/or current signals, are output digitally, in the same way at the output 66 the second temperature T2, and at the output 68 and at the output 70 the respective voltages U1, U2 as corresponding digital signals. Corresponding clock signals can be provided via the outputs 72 . Appropriate converters can be used for the analog-to-digital conversion, such as delta-sigma converters 74 or delta-sigma modulators 74 in this example, which can also be included in the detection device 34 . Furthermore, filter and integrator stages 76 can also be integrated in this module 34 . Incidentally, the reference signal used for the analog/digital conversion is denoted by 78 . This signal conversion can also significantly improve the susceptibility to interference of the implementation described in the prior art. As a result, a digital and therefore very interference-free signal can be output directly at the measurement outputs 64, 66, 68, 70 of the power module 34. This signal can be routed directly to a digital input of the control device 62, such as a microcontroller or processor. No additional circuit parts are then required.

Zur Kommunikation mit dieser Steuereinrichtung 62 und zur Bereitstellung der genannten Ausgänge 64, 66, 68, 70, 72 umfasst das Modul 34 eine entsprechende Schnittstelle 78. Diese ist galvanisch getrennt ausgeführt. Diese galvanische Trennung 80 lässt sich beispielsweise durch magnetische und/oder optische Signalübertragung realisieren. Darüber hinaus sind in 4 mit 82 die Sendeeinheiten von den jeweiligen Kommunikationskanälen auf der jeweiligen Seite der galvanischen Trennung 80 bezeichnet und mit 84 die korrespondierenden Empfangseinheiten. Die Steueranschlüsse der jeweiligen Halbleiterschalter 30, 32, die an die jeweiligen Gate-Anschlüsse G der Schalter 30, 32 geführt sind, sind zudem jeweils mit 86 und 88 bezeichnet. Die Gesamtheit der zur Steuereinrichtung 62 führenden Anschlüsse ist zudem mit 90 bezeichnet.The module 34 includes a corresponding interface 78 for communication with this control device 62 and for providing the stated outputs 64, 66, 68, 70, 72. This is designed to be electrically isolated. This galvanic isolation 80 can be implemented, for example, by magnetic and/or optical signal transmission. In addition, in 4 82 denotes the transmitting units of the respective communication channels on the respective side of the galvanic isolation 80 and 84 denotes the corresponding receiving units. The control terminals of the respective semiconductor switches 30, 32, which are routed to the respective gate terminals G of the switches 30, 32, are also labeled 86 and 88, respectively. The entirety of the connections leading to the control device 62 is also denoted by 90 .

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Kraftfahrzeugbornetzes 92, welches ein Hochvoltbordnetz 94 sowie eine Niedervoltbordnetz 96 umfasst. Auf der Hochvoltseite 94 befindet sich die Hochvoltbatterie, von welcher exemplarisch nur eine einzelne Batteriezelle 16 mit der ihr zugeordneten Erfassungseinrichtung 34 dargestellt ist. Wie zu sehen ist, ist die Erfassungseinrichtung 34 mit der Steuereinrichtung 62 gekoppelt, welche die Spannungs-, Strom- und Temperaturmessung der Batteriezelle 16 auswertet. Insbesondere kann diese wie beschrieben basierend auf der erfassten Spannung U1 und der erfassten Temperatur T1, und unter Zuhilfenahme der Kennlinie 60 für den betreffenden ersten Schalter 30 den Zellstrom I durch die Batteriezelle 16 ermitteln. Zudem kann die Steuereinrichtung 62 die Leistungshalbleiter 30, 32 ansteuern. Insbesondere erfolgt dies über einen entsprechenden mit der Steuereinrichtung gekoppelten Gate-Treiber 91, und gewährleistet somit ein Zu- oder Wegschalten der Batteriezelle 16. 6 shows a schematic representation of part of a motor vehicle electrical system 92, which includes a high-voltage electrical system 94 and a low-voltage electrical system 96. The high-voltage battery is located on the high-voltage side 94, of which only a single battery cell 16 with the detection device 34 assigned to it is shown as an example. As can be seen, the detection device 34 is coupled to the control device 62 which evaluates the voltage, current and temperature measurement of the battery cell 16 . In particular, as described, it can determine the cell current I through the battery cell 16 based on the detected voltage U1 and the detected temperature T1 and with the aid of the characteristic curve 60 for the relevant first switch 30 . In addition, the control device 62 can control the power semiconductors 30, 32. In particular, this takes place via a corresponding gate driver 91 coupled to the control device, and thus ensures that the battery cell 16 is switched on or off.

Die Kommunikation sowie die Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung 62, insbesondere den Mikrocontroller, erfolgt über das 12-Volt-Fahrzeugbordnetz beziehungsweise im Allgemeinen über das Niedervoltbordnetz 96. Über einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 98 kann auf der Hochvoltseite 94 eine Versorgungsspannung, zum Beispiel 20 Volt, generiert werden, welcher die Schaltungsteile der intelligenten Batteriezelle 16 auf der Hochvoltseite 94 versorgt. Die Kommunikation erfolgt über eine BUS-Kommunikation, zum Beispiel CAN-BUS, mit dem Fahrzeug. Die entsprechende Kommunikationseinheit ist in 6 mit 100 bezeichnet. Dabei wird die Kommunikation über einen galvanisch getrennten Digital-Isolator 102 bis zum Mikrocontroller beziehungsweise im Allgemeinen zur Steuereinrichtung 62 gebracht. Die von der Steuereinrichtung 62 ermittelten Informationen über Zellspannung, Zellströme, Zelltemperaturen und so weiter werden über den Digital-Isolator 102 wieder auf die 12-Volt-Bordnetzseite 96 übertragen und über den BUS-Transceiver, d.h. die Kommunikationseinheit 100, dem Fahrzeug kommuniziert. Des Weiteren ist mit 104 die Spannungsversorgung für das Niedervoltbordnetz 96 bezeichnet, mit 106 eine Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung 62, wobei die Spannungsversorgung 106 beispielsweise eine 5-Volt-Spannung bereitstellen kann und ebenfalls als DC/DC-Wandler ausgebildet sein kann, und mit 108 eine Spannungsversorgung für den Gate-Treiber 91. Diese Spannungsversorgung 108 kann zwei unterschiedliche Spannungswerte bereitstellen, zum Beispiel 15 Volt und -8 Volt, die entsprechend zu den unterschiedlichen Schaltzuständen der Schalter 30, 32 korrespondieren. Um einen Schalter 30, 32 also im geschlossenen Zustand zu halten, kann am Gate-Anschluss G entsprechend die positive Spannung von 15 Volt angelegt werden, während die genannte Spannung von -8 Volt zum geöffneten Zustand der betreffenden Leistungsschalter 30, 32 korrespondiert.The communication as well as the voltage supply for the control device 62, in particular the microcontroller, takes place via the 12-volt vehicle electrical system or generally via the low-voltage vehicle electrical system 96. A supply voltage, for example 20 volts are generated, which supplies the circuit parts of the intelligent battery cell 16 on the high-voltage side 94 . Communication takes place via BUS communication, for example CAN-BUS, with the vehicle. The corresponding communication unit is in 6 labeled 100. In this case, the communication is brought via a galvanically isolated digital isolator 102 to the microcontroller or, in general, to the control device 62 . The information about cell voltage, cell currents, cell temperatures and so on determined by the control device 62 is transmitted back to the 12-volt vehicle electrical system side 96 via the digital isolator 102 and communicated to the vehicle via the BUS transceiver, ie the communication unit 100 . Furthermore, 104 designates the power supply for the low-voltage vehicle electrical system 96, 106 a power supply for the control device 62, wherein the power supply 106 can provide a 5-volt voltage, for example, and can also be designed as a DC/DC converter, and 108 a voltage supply for the gate driver 91. This voltage supply 108 can provide two different voltage values, for example 15 volts and -8 volts, which correspond to the different switching states of the switches 30, 32 respectively. In order to keep a switch 30, 32 in the closed state, the positive voltage of 15 volts can be applied to the gate terminal G, while the said voltage of -8 volts corresponds to the open state of the power switches 30, 32 in question.

7 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung des Moduls 34, welches in diesem Beispiel als SMD-Bauteil ausgeführt ist. Dabei ist die integrierte Schaltung 34 entsprechend in einem Gehäuse 110 untergebracht, aus welchem die entsprechenden oben beschriebenen, hier nicht näher bezeichneten Anschlüsse herausgeführt sind. In dieser Form kann das Modul 34 besonders einfach zum Beispiel auf der Oberseite 20 oder Unterseite 26 einer intelligenten Batteriezelle 16 bestückt werden. Die gewählte Ausführungsform hat zudem die Besonderheit, die integrierten Leistungs-MOSFETs so auszuführen, dass entweder die Entwärmung über die Gehäuseunterseite 112 des Gehäuses 110 Richtung Platine oder über die Gehäuseoberseite 114 des Gehäuses 110 realisiert werden kann. 7 shows a schematic and perspective representation of the module 34, which is designed as an SMD component in this example. The integrated circuit 34 is housed accordingly in a housing 110, from which the corresponding connections described above, which are not described in more detail here, are brought out. In this form, the module 34 can be fitted particularly easily, for example on the top 20 or bottom 26 of an intelligent battery cell 16 . The selected embodiment also has the A special feature of designing the integrated power MOSFETs in such a way that either the cooling can be realized via the housing underside 112 of the housing 110 in the direction of the circuit board or via the housing top 114 of the housing 110.

Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein integriertes Powermodul für eine intelligente Batteriezelle mit integrierter Messeinrichtung zur Erfassung des Laststroms über den Durchgangswiderstand der Leistung des Halbleiters bereitgestellt werden kann, wodurch die Strommessung einer jeden Batteriezelle optimiert werden kann. Die herkömmliche Shunt-Strommessung sowie deren Auswerteschaltung kann dadurch bei jeder Zelle entfallen, da die Strommessung über den Kanalwiderstand R des MOSFETs realisiert werden kann. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad steigern, da die Shunt-Verluste vermieden werden können und es kommt zu keinem zusätzlichen Wärmeeintrag ins System, was wiederum die Performance steigert. Auch können dadurch Herstellungskosten und Materialkosten gesenkt werden, da hunderte von Shunts entfallen können, sowie korrespondierende Hardwarefiltermaßnahmen. Entsprechend kann auch wiederum Platinenfläche eingespart werden. Durch die Bereitstellung der beschriebenen Erfassungseinrichtung als anwendungsspezifische integrierte Schaltung lässt sich ein enormer Bauraumvorteil erzielen und ein Standard-layout der Platine wird ermöglicht. Zudem entfallen Entstörmaßnahmen in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit. Durch die Integration der kompletten Messkette wird die Störanfälligkeit der Messungen erheblich herabgesetzt und durch den Sigma-Delta-Wandler wird ein digitales Ausgangssignal bereitgestellt und die Störanfälligkeit weiter minimiert. Insgesamt können so auch die Robustheit und Lebensdauer gesteigert werden, da eine bestmögliche thermische Anbindung des Moduls an eine Kühleinrichtung ermöglicht wird. Durch die Integration der Leistungshalbleiter sowie der Sensorik und der digitalen Schnittstelle wird es möglich, die kostenintensive Shunt-Messschaltung zu eliminieren und die Strommessung über den Durchgangswiderstand des Leistungsschalters zu realisieren.Overall, the examples show how the invention can provide an integrated power module for an intelligent battery cell with an integrated measuring device for detecting the load current via the contact resistance of the semiconductor power, whereby the current measurement of each battery cell can be optimized. The conventional shunt current measurement and its evaluation circuit can thus be omitted for each cell, since the current measurement can be implemented via the channel resistance R of the MOSFET. This allows the efficiency to be increased since the shunt losses can be avoided and there is no additional heat input into the system, which in turn increases performance. Manufacturing costs and material costs can also be reduced as a result, since hundreds of shunts can be omitted, as well as corresponding hardware filter measures. Correspondingly, circuit board area can in turn be saved. By providing the detection device described as an application-specific integrated circuit, an enormous installation space advantage can be achieved and a standard layout of the circuit board is made possible. In addition, there are no interference suppression measures with regard to electromagnetic compatibility. The integration of the complete measurement chain significantly reduces the susceptibility of the measurements to failure and the sigma-delta converter provides a digital output signal and further minimizes the susceptibility to failure. Overall, the robustness and service life can also be increased in this way, since the best possible thermal connection of the module to a cooling device is made possible. By integrating the power semiconductors as well as the sensors and the digital interface, it is possible to eliminate the cost-intensive shunt measuring circuit and to measure the current via the contact resistance of the circuit breaker.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102012202863 A1 [0003]
DE 102015105076 A1 [0004]

Claims

Detection device (34) for at least one battery cell (16), wherein the detection device (34) can be electrically coupled to the at least one battery cell (16), and wherein the detection device (34) has: - a first electronically controllable switching device (30) which in a state in which the at least one battery cell (16) is coupled as intended, the detection device (34) is connected in series with the at least one battery cell (16); - a first voltage tap (38) for detecting a voltage (U1) dropping across a resistor (R), the resistor (R) being coupled to the at least one battery cell (16) as intended in a state of the detection device (34) in series with the at least a battery cell (16) is arranged; and - a first output (48, 70) at which a first signal can be provided as a function of the detected voltage (U1); characterized in that the detection device (34) is designed as an integrated circuit (34) and the resistance (R) is provided by the first electronically controllable switching device (30).

Detection device (34) after claim 1 , characterized in that the first electronically controllable switching device (30) is designed as a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor).

Detection device (34) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection device (34) has at least one first temperature sensor (52) which is arranged in a predetermined proximity to the first electronically controllable switching device (30) and by means of which a temperature (T1 , T), in particular a junction temperature (T1, T) of a semiconductor material of the integrated circuit (34), can be determined, wherein the detection device (34) has a second output (56, 64) at which a means of the first Temperature sensor (52) provided the temperature (T1, T) related second signal can be provided.

Detection device (34) according to one of the preceding claims, characterized in that the integrated circuit has an analog/digital converter (74) which is designed to - convert the voltage (U1) tapped across the resistor (R) into a digital voltage signal convert and provide at the first output (70) of the integrated circuit (34) as the first signal; and/or - converting a third signal relating to the temperature provided by the at least one first temperature sensor (52) into a digital temperature signal and providing it as the second signal at the second output (64) of the integrated circuit (34).

Detection device (34) according to one of the preceding claims, characterized in that the detection device (34) has a second electronically controllable switching device (32) which, in a state coupled to the at least one battery cell (16) as intended, of the detection device (34) parallel to the at least one battery cell (16) and the first electronically controllable switching device (30), the detection device (34) having: - a second voltage tap (40) for tapping a voltage across the resistance (R) of the second electronically controllable switching device (32) falling voltage (U2) which can be provided at a third output (50, 68) of the detection device (34); and/or - a second temperature sensor (54), which is arranged in a predetermined proximity to the second electronically controllable switching device (30), and by means of which a temperature (T2, T), in particular a junction temperature (T2, T) of the semiconductor - Materials of the integrated circuit, the fourth signal in question can be provided at a fourth output (58, 66) of the detection device (34).

Measuring arrangement (34, 62) with a detection device (34) according to one of the preceding claims and a control device (62) which is coupled to the detection device (34), wherein the control device (62) is designed to generate an electric current (I) by the at least one battery cell (16) in a state coupled to the at least one battery cell (16) of the detection device (34) as a function of the first signal provided at the first output (48, 70) of the detection device (34) and a predetermined value of the to be determined by the first electronic switching device (30) provided resistance (R).

measurement arrangement claim 6 , characterized in that the control device (62) is designed to determine the predetermined value of the resistance (R) as a function of the temperature (T1, T) determined by means of the first temperature sensor (52), in particular on the basis of at least one predetermined temperature Resistance characteristic (60) associated with the first electronically controllable switching device (30).

Battery cell unit (33) with a battery cell (16) and a detection device (34) according to any one of the preceding claims, wherein the detection device (34) with the battery cell (16) is coupled as intended, so that the first electronically controllable switching device (30) is connected in series with the battery cell (16) and in particular the second electronically controllable switching device (32) is connected in parallel with the battery cell (16) and the first electronically controllable switching device (30 ) is switched.

Motor vehicle (10) with a detection device (34) according to one of Claims 1 until 5 or a measuring arrangement (34, 62) according to one of Claims 6 or 7 or with a battery cell unit (33). claim 8 .

Method for detecting a voltage (U1) which drops across a resistor (R) arranged in series with at least one battery cell (16) by means of a detection device (34) which has a first electronically controllable switching device (30) which is connected in series with the at least one battery cell (16) is connected, a signal depending on the detected voltage (U1) being provided at an output (48, 70) of the detection device (34), characterized in that the detection device (34) as an integrated circuit ( 34) and the voltage (U1) is tapped across a volume resistance (R) of the first electronically controllable switching device (30) present between a first and second connection (D, S) of the first electronically controllable switching device (30), which has the in Series to at least one battery cell (16) arranged resistor (R) represents.