DE102020216369A1

DE102020216369A1 - Wechselakkupack mit zumindest einem Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms

Info

Publication number: DE102020216369A1
Application number: DE102020216369.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Wernerus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN116783789A; EP4264772A1; WO2022136082A1; US20240030730A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack (10) mit einer Überwachungseinheit (52), einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V1), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V+), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V2), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (66), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40). Es wird vorgeschlagen, dass die Überwachungseinheit (52) das zumindest eine erste Schaltelement (66) mittels eines Schaltpotentials (VS) ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial (V1), insbesondere aus dem Versorgungspotential (V+), abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials (V1), insbesondere des Versorgungspotentials (V+), entkoppelt ist.

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinheit und mit zumindest einem ersten Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Akkupacks - im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet - betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Wechselakkupacks aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Wechselakkupack-Spannung bzw. -Kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen.
Es ist bekannt, eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks werkzeuglos lösbar mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers oder des Ladegeräts auszugestalten. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt ausgebildet.
Aus der DE 103 54 871 A1 ist ferner bekannt, einen Wechselakkupack zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad auszustatten, das durch eine Überwachungseinheit des Wechselakkupacks gesteuert wird. Die Überwachungseinheit überwacht zudem wesentliche für das Laden oder Entladen des Wechselakkupacks erforderliche Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Wechselakkupack-Spannung, die einzelnen Zellspannungen, eine Wechselakkupack- und/oder Zelltemperatur, den Lade- oder Entladestrom oder dergleichen.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein sicheres und schnelles Schalten des zumindest einen Schaltelements zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage der vorhandenen Wechselakkupack-Spannung zu gewährleisten, ohne dass etwaige Spannungsschwankungen der Wechselakkupack-Spannung Einfluss auf die Funktion des Schaltelements haben.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Überwachungseinheit das zumindest eine erste Schaltelement mittels eines Schaltpotentials ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und - einbrüchen des ersten Bezugspotenzials, insbesondere des Versorgungspotentials, entkoppelt ist. Durch die Entkopplung des Schaltpotentials vom ersten Bezugspotential kann eine sichere und stabile Funktion des zumindest einen ersten Schaltelements weitestgehend unabhängig von der Wechselakkupack-Spannung gewährleistet werden. Insbesondere im Falle von Einbrüchen der Wechselakkupack-Spannung aufgrund von hohen Lastströmen sichert diese Entkopplung ein stabiles Schaltpotential, ohne dabei die Steilheit der Schaltflanken in regulären Ein- und Ausschaltvorgängen negativ zu beeinflussen. Gleichzeitig wird das Schaltpotential aber weiterhin direkt durch die ohnehin vorhandene Wechselakkupack-Spannung bereitgestellt, sodass es nicht notwendig ist, das Schaltpotential von typisch >= 10V durch weitere elektronische Bauelemente, wie z.B. zusätzliche Spannungsregler, zu generieren.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem Wechselakkupack betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Wechselakkupack betriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen sowie mit einem Wechselakkupack betriebene Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Die Spannung eines Wechselakkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das entkoppelte Schaltpotential durch ein RC-Glied gebildet ist, das aus zumindest einem Widerstand und zumindest einem Kondensator besteht, wobei das RC-Glied zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential, insbesondere zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential, geschaltet ist und das Schaltpotential zwischen dem zumindest einen Widerstand und dem zumindest einen Kondensator anliegt.
Um das RC-Glied vor einem Kurzschluss zwischen den beiden Bezugspotentialen, insbesondere zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential zu schützen, ist es durch eine Schutzdiode, insbesondere eine Schottky-Diode, von dem ersten Bezugspotential, insbesondere dem Versorgungspotential, entkoppelt. Eine Schottky-Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements zur Verfügung steht.
Der zumindest eine Widerstand des RC-Glieds ist derart dimensioniert, dass durch seinen Widerstandswert im Falle eines Kurzschlusses innerhalb der Wechselakkupack-Elektronik keine für den Wechselakkupack gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise durch einen fehlerhaften Kondensator des RC-Glieds, durch einen Fehler in der Überwachungseinheit oder einer von dieser angesteuerten Treiberschaltung entstehen. Normalerweise wird im Stand der Technik ein eher kleiner Widerstandswert von deutlich unter 1 kΩ gewählt, um im Sinne schneller Schaltzeiten den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement nicht zu stark zu begrenzen. Das hat jedoch den Nachteil, dass ein derartiger Widerstand im Falle eines Kurzschlusses überlastet würde, was ein zusätzliches Sicherungselement erforderlich macht. Um dies zu vermeiden, wird der Widerstandswert des zumindest einen Widerstands mit mindestens 1 kΩ angesetzt und der Nachteil eines zu geringen Schaltstroms ergänzend durch eine ausreichend hohe Kapazität des Kondensators des RC-Glieds ausgeglichen. Dabei ist der zumindest eine Kondensator des RC-Glieds derart dimensioniert, dass seine Kapazität größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks, die beim Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements geladen werden. Zudem sollte die Kapazität des zumindest einen Kondensators mindestens so groß sein, dass sich das Schaltpotential im Falle einer einbrechenden Wechselakkupack-Spannung ausreichend langsam verringert, um für einen gewissen Zeitraum das zumindest eine erste Schaltelement schalten zu können. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC-Glieds ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential für das zumindest eine Schaltelement weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack entkoppelt ist.
Zudem ist das RC-Glied derart dimensioniert, dass die sich aus dem Produkt des Widerstandswert des zumindest einen Widerstands und der Kapazität des zumindest einen Kondensators ergebende Zeitkonstante keine für den Betrieb des Wechselakkupacks unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators des RC-Glieds verursacht, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements negativ beeinflussen könnten. Durch die daraus resultierende Vermeidung zu langer Schaltzeiten oder sich zu langsam aufbauender Schaltpotentiale vor dem Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks wirksam reduziert werden.
Ergänzend ist vorgesehen, dass das Schaltpotential mittels einer aus zwei weiteren Schaltelementen bestehenden Halbbrücke an das zumindest eine erste Schaltelement anlegbar ist. Die Halbbrücke besteht aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement, wobei das zweite, als High-Side-Schalter dienende Schaltelement vorzugsweise als ein P-Kanal-MOSFET oder als ein PNP-Bipolar-Transistor und das dritte, als Low-Side-Schalter dienende Schaltelement vorzugsweise als ein N-Kanal-MOSFET oder als ein NPN-Bipolar-Transistor ausgebildet ist. In besonders vorteilhafter Weise ist zwischen einem Abgriff des RC-Glieds für das Schaltpotential und der Halbbrücke und/oder zwischen einem Mittenabgriff der Halbbrücke und einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements, insbesondere einem Gate des MOSFETs, zumindest ein zweiter bzw. ein dritter Widerstand geschaltet.
Der zumindest eine zweite und/oder dritte Widerstand sind derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements keine für den Wechselakkupack gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Mit besonderem Vorteil sollte der resultierende Widerstandswert des zumindest einen zweiten und/oder dritten Widerstands deutlich kleiner als 1 kΩ sein. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zumindest einen zweiten Widerstands, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten Schaltelements auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements und des zumindest einen zweiten Widerstands und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks führen könnte.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein System umfassend zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. einen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung und
2: ein Blockschaltbild des Systems aus 1 zum Laden des Wechselakkupacks mit einem Ladegerät.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Wechselakkupack 10 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 14. Der Wechselakkupack 10 kann mittels eines Ladegeräts 16 geladen und durch diverse elektrische Verbraucher 18 entladen werden. Dazu weisen das Ladegerät 16 und die elektrischen Verbraucher 18 jeweils eine weitere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für verschiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen.
Der Wechselakkupack 10 umfasst ein Gehäuse 28, das an einer Seitenwand bzw. an seiner Oberseite 30 die elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. der elektrischen Verbraucher 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 18 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 16 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10 dienen. Die genaue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten elektrischen Verbrauchern 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 32 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 20 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 18. Dabei ist die Arretiervorrichtung 32 als ein gefederter Drücker 34 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 36 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Arretiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 34 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 18 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 bzw. elektrischen Verbraucher 18 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V₊, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 38 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V₂, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher 18 mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern 18 bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts 16. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom das gemeinsame Symbol I verwendet werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V₊ und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 auf, die zwar in 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 38, 40 abfallende Spannung U_Batt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung U_Batt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakkupack-Spannung U_Batt = V₁ - V₂ von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 42 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 42 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 44 (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 44 weist eine Multiplexer-Messvorrichtung 46 auf, die über Filterwiderstände 48 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 50 der Pole der Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen U_Cell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 52 oder auch direkt innerhalb der SCM-Vorstufe 44 erfolgen. Zudem können auf diese Weise parallel zu den Energiespeicherzellen 42 geschaltete Schaltelemente 54 der SCM-Vorstufe 44 geschlossen oder geöffnet werden, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen U_Cell an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die Überwachungseinheit 52 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 52 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, des Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 können auch das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 eine Überwachungseinheit 56 aufweisen, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 können über einen als Signal- bzw. Datenkontakt 58 ausgebildeten dritten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 miteinander kommunizieren. So können die beiden Überwachungseinheiten 52, 56 beispielsweise wesentliche für den Ladevorgang benötigte Betriebsparameter über den Signal- bzw. Datenkontakt 58 austauschen. Ebenso ist denkbar, dass die Überwachungseinheiten 52, 56 sich gegenseitig steuern, um z.B. einen Lade- bzw. Entladevorgang abzubrechen oder um in einen anderen Lademodus umzuschalten.
Im Falle eines elektrischen Verbrauchers 18 steuert die Überwachungseinheit 56 eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 60, an der die Wechselakkupack-Spannung U_Batt anliegt. Die Last 60 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Entladestrom I des Wechselakkupacks 10 hat. Es ist aber auch eine andere Energie verbrauchende Last 60 denkbar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll.
Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netzteil 62 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 64 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwachungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 64 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Die genaue Ausgestaltung des Netzteils 60 des Ladegeräts 16 ist dem Fachmann bekannt und für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Um zur Erhöhung der Betriebssicherheit den Lade- oder Entladestrom I auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 66 auf, das von der Überwachungseinheit 52 über eine aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement 68, 70 bestehende Halbbrücke 72 zum Unterbrechen des Lade- bzw. Entladestroms I geöffnet und zum Ermöglichen des Lade- oder Entladestroms I geschlossen werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 66 im Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontaktpunkt 74 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist es ebenso möglich, zumindest ein erstes Schaltelement 66 im High-Side-Pfad zwischen dem Abgriff 50 der SCM-Vorstufe 44 und dem ersten als Energieversorgungskontakt 38 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 anzuordnen. Darüber hinaus können sowohl im Low-Side- als auch im High-Side-Pfad jeweils mehrere erste Schaltelemente 66 angeordnet sein. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 66 als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen denkbar.
Analog dem zumindest einen ersten Schaltelement 66, sind auch die beiden Schaltelemente 68, 70 der Halbbrücke 72 vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 68, 70, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar-Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zweite, als High-Side-Schalter der Halbbrücke 72 ausgebildete Schaltelement 68 ein P-Kanal-MOSFET und das dritte, als Low-Side-Schalter der Halbbrücke 72 ausgebildete Schaltelement 70 ein N-Kanal-MOSFET. Zum Unterbrechen des Lade- oder Entladestroms I wird nun durch die Überwachungseinheit 52 das zumindest eine erste Schaltelement 66 geöffnet, indem sie das dritte Schaltelement 70 schließt. Zudem kann die Überwachungseinheit 52 das zweite Schaltelement 68 zusätzlich öffnen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Umgekehrt ermöglicht die Überwachungseinheit 52 den Lade- oder Entladestrom I, indem sie durch ein Schließen des zweiten Schaltelements 68 bei offenem dritten Schaltelement 70 das zumindest eine erste Schaltelement 66 schließt. Dazu ist die Halbbrücke 72 einerseits mit dem Bezugspotential GND und andererseits über eine Schutzdiode 78 sowie einen ersten Widerstand 80 und einen zweiten Widerstand 82 mit dem Versorgungspotential V₊ verbunden, wobei ein Abgriff 84 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 80, 82 als Anschlusspunkt für einen Kondensator 86 dient, der wiederum mit dem zweiten Energieversorgungskontakt 40 der elektromechanischen Schnittstelle 14 verbunden ist. Somit sind der Kondensator 86, der zweite Widerstand 82 sowie die Halbbrücke 72 parallel dem zumindest einen ersten Schaltelement 66 geschaltet. Weiterhin ist ein Abgriff 76 zwischen den beiden Schaltelementen 68, 70 der Halbbrücke 72 über einen dritten Widerstand 90 mit einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 66, insbesondere mit einem Gate-Anschluss des MOSFETs, verbunden.
Der erste Widerstand 80 und der Kondensator 86 bilden ihrerseits ein RC-Glied 88, dessen Zeitkonstante τ sich aus dem Produkt des Widerstandswerts R₁ des ersten Widerstands 80 und der Kapazität C₁ des Kondensators 86 ergibt. Die Zeitkonstante τ ist bevorzugt derart dimensioniert, dass sich keine für den Betrieb des Wechselakkupacks 10 unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators 86 ergeben, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 negativ beeinflussen könnten. Durch die daraus resultierende Vermeidung zu langer Schaltzeiten oder sich zu langsam aufbauender Schaltpotentiale vor dem Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks 10 wirksam reduziert werden.
Das RC-Glied 88 ist über eine vorzugsweise als Schottky-Diode ausgebildete Schutzdiode 78 von dem Versorgungspotential V₊ entkoppelt. Somit schützt die Schutzdiode 78 das RC-Glied 88 vor einem Kurzschluss zwischen dem Versorgungspotential V₊ und dem Massepotential GND. Die Ausbildung der Schutzdiode 78 als Schottky-Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 zur Verfügung steht.
Der Abgriff 84 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 80, 82 bildet gleichzeitig einen Mittenabgriff des RC-Glieds 88 an dem ein entkoppeltes Schaltpotential V_S zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 über die Halbbrücke 72 anliegt. Dabei ist der ersten Widerstand 80 des RC-Glieds 88 derart dimensioniert, dass durch seinen Widerstandswert R₁ im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Ein derartiger Kurzschluss kann beispielsweise intern durch einen Fehler des Kondensators 86 des RC-Glieds 88, durch einen Fehler in der Überwachungseinheit 52 oder der Halbbrücke 72 aber auch extern durch verdreckte und kurzgeschlossene Energieversorgungskontakte 38, 40 entstehen. Um eine Überlastung des ersten Widerstands 80 durch einen Kurzschluss zu vermeiden, beträgt sein Widerstandswert R₁ mindestens 1 kΩ. Da dies aber den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement 66 begrenzen würde, muss der Kondensator 86 des RC-Glieds 88 eine ausreichend hohe Kapazität C₁ aufweisen. Idealerweise ist der Kapazität C₁ derart dimensioniert, dass sie deutlich größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks 10, die beim Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 geladen werden. So wäre beispielsweise ein Wert von ca. 100 nF für die Kapazität C₁ denkbar. Um jedoch auch im Kurzschlussfall ein sich nur langsam abbauendes Schaltpotential V_S zu gewährleisten, sind Werte von über 1 µF für die Kapazität C₁ vorteilhaft. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC-Glieds ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential V_S für das zumindest eine Schaltelement 66 weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack 10 entkoppelt ist.
Das Schaltpotential V_S kann nun durch die Überwachungseinheit 52 über die Halbbrücke 72 sowie den zweiten und dritten Widerstand 82, 90 in der beschriebenen Weise an einen Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 66, beispielsweise an den Gate-Anschluss eines MOSFETs, angelegt werden, um es zu öffnen. Dabei sind der zweite und der dritte Widerstand 82 bzw. 90 derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert R₂ + R₃ einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 66 erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements 68, 70 der Halbbrücke 72 keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Bevorzugt ist der resultierende Widerstandswert R₂ + R₃ des zweiten und dritten Widerstands 82, 90 deutlich kleiner als 1 kQ. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zweiten Widerstands 82, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten Schaltelements 68 auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements 68 und des zweiten Widerstands 82 und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks 10 führen könnte. Statt des zweiten und des dritten Widerstands 82, 90 kann auch nur ein einziger Widerstand verwendet werden. Ebenso sind auch mehrere Widerstände denkbar. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Kondensatoren und Widerstände des RC-Glieds.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 und 2 noch auf die darin gezeigte Art der Wechselakkupacks 10, des Ladegeräts 16 oder der elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 42 und der damit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 20 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10354871 A1 [0004]

Claims

Wechselakkupack (10) mit einer Überwachungseinheit (52), einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle (14), wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38) und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstelle (14) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) dient, und mit zumindest einem ersten Schaltelement (66), insbesondere einem MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms (I) über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt (38, 40), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (52) das zumindest eine erste Schaltelement (66) mittels eines Schaltpotentials (V_S) ansteuert, das direkt aus dem ersten Bezugspotenzial (V₁), insbesondere aus dem Versorgungspotential (V₊), abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials (V₁), insbesondere des Versorgungspotentials (V₊), entkoppelt ist.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das entkoppelte Schaltpotential (V_S) durch ein RC-Glied (88) gebildet ist, das aus zumindest einem Widerstand (80) und zumindest einem Kondensator (86) besteht, wobei das RC-Glied (88) zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugspotential (V₁, V₂), insbesondere zwischen dem Versorgungspotential (V₊) und dem Massepotential (GND), geschaltet ist und das Schaltpotential (V_S) zwischen dem zumindest einen Widerstand (80) und dem zumindest einen Kondensator (86) anliegt.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (88) durch eine Schutzdiode (78), insbesondere eine Schottky-Diode, von dem ersten Bezugspotential (V₁), insbesondere dem Versorgungspotential (V₊), entkoppelt ist.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand (80) des RC-Glieds (88) derart dimensioniert ist, dass durch seinen Widerstandswert (R₁) im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack (10) gefährliche Wärmeentwicklung entsteht.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert (R₁) des zumindest einen Widerstands (80) mindestens 1 kΩ beträgt.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (86) des RC-Glieds (88) derart dimensioniert ist, dass seine Kapazität (C₁) größer ist als die Summe aller Kapazitäten des Wechselakkupacks (10), die beim Einschalten des ersten Schaltelements (66) geladen werden.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das RC-Glied (88) derart dimensioniert ist, dass die sich aus dem Produkt des Widerstandswert (R₁) des zumindest einen Widerstands (80) und der Kapazität (C₁) des zumindest einen Kondensators (86) ergebende Zeitkonstante (τ) keine für den Betrieb des Wechselakkupacks (10) unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators (86) des RC-Glieds (88) verursacht.
Wechselakkupack (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltpotential (Vs) mittels einer aus zwei weiteren Schaltelementen (68, 70) bestehenden Halbbrücke (72) an einen Steuereingang des ersten Schaltelements (66), insbesondere einem Gate des MOSFETs, anlegbar ist.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Abgriff (84) des RC-Glieds (88) für das Schaltpotential (Vs) und der Halbbrücke (72) und/oder zwischen einem Mittenabgriff (76) der Halbbrücke (72) und dem Steuereingang des ersten Schaltelements (66), zumindest ein zweiter bzw. ein dritter Widerstand (82, 90) geschaltet ist.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite und/oder dritte Widerstand (82, 90) derart dimensioniert sind, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert einerseits der für ein schnelles Schalten des ersten Schaltelements (66) erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses keine für den Wechselakkupack (10) gefährliche Wärmeentwicklung entsteht.
Wechselakkupack (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Widerstandswert des zumindest einen zweiten und/oder dritten Widerstands (82, 90) deutlich kleiner als 1 kΩ ist.