DE102021200537A1

DE102021200537A1 - Battery pack with at least one switching element for interrupting or enabling a charging or discharging current

Info

Publication number: DE102021200537A1
Application number: DE102021200537.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Wernerus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Akkupack (10) mit einer Überwachungseinrichtung (20), zumindest einem ersten Schaltelement (22), insbesondere einem MOSFET, und einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweisenden Schnittstelle, wobei die Überwachungseinrichtung (20) das zumindest eine erste Schaltelement (22) derart ansteuern kann, dass ein Lade- oder Entladestrom (I) über zumindest zwei der elektrischen Kontakte (12) unterbrochen oder ermöglicht ist, wobei der Akkupack (10) eine Messschaltung (78) aufweist, die einen Spannungswert einer Überwachungsspannung (UV) zur Ansteuerung des zumindest einen ersten Schaltelements (22) in einen Messwert einer Messspannung (UMess) umsetzt, wobei die Überwachungseinrichtung (20) den Messwert (UMess) mit zumindest einem ersten Grenzwert vergleicht und bei einem Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement (22) öffnet.Battery pack (10) with a monitoring device (20), at least one first switching element (22), in particular a MOSFET, and an interface having a plurality of electrical contacts (12), the monitoring device (20) having the at least one first switching element (22) in such a way can control that a charging or discharging current (I) via at least two of the electrical contacts (12) is interrupted or enabled, wherein the battery pack (10) has a measuring circuit (78) that measures a voltage value of a monitoring voltage (UV) for controlling the converts at least one first switching element (22) into a measured value of a measurement voltage (UMess), the monitoring device (20) comparing the measured value (UMess) with at least one first limit value and, if the limit value is exceeded or undershot, the at least one first switching element (22) opens.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Akkupack, insbesondere einen Wechselakkupack mit einer Überwachungseinrichtung und mit zumindest einem ersten Schaltelement zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms.The invention relates to a battery pack, in particular an exchangeable battery pack, with a monitoring device and with at least one first switching element for interrupting or enabling a charging or discharging current.

Die DE 103 54 871 A1 offenbart einen Wechselakkupack, der zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung eines Lade- oder Entladestroms mit einem Schaltelement im Strompfad ausgestattet ist, welches durch eine Überwachungseinrichtung des Wechselakkupacks gesteuert wird.the DE 103 54 871 A1 discloses an exchangeable battery pack which is equipped with a switching element in the current path to interrupt or enable a charging or discharging current, which is controlled by a monitoring device of the exchangeable battery pack.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, hohe Ruheströme zu vermeiden und ein sicheres Schalten des Schaltelements zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage einer vorhandenen Wechselakkupack-Spannung zu gewährleisten.Based on the prior art, it is the object of the invention to avoid high quiescent currents and to ensure reliable switching of the switching element for interrupting or enabling the charging or discharging current on the basis of an existing exchangeable battery pack voltage.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Dies wird erreicht durch einen Akkupack mit einer Überwachungseinrichtung, zumindest einem ersten Schaltelement, insbesondere einem MOSFET, und einer eine Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweisenden Schnittstelle, wobei die Überwachungseinrichtung das zumindest eine erste Schaltelement derart ansteuern kann, dass ein Lade- oder Entladestrom über zumindest zwei der elektrischen Kontakte unterbrochen oder ermöglicht ist, wobei der Akkupack eine Messschaltung aufweist, die einen Spannungswert einer Überwachungsspannung zur Ansteuerung des zumindest einen ersten Schaltelements in einen Messwert einer Messspannung umsetzt, wobei die Überwachungseinrichtung den Messwert mit zumindest einem ersten Grenzwert vergleicht und bei einem Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement öffnet. Beim Überschreiten oder Unterschreiten dieses Grenzwerts wird das zumindest eine erste Schaltelement geöffnet, um einen Laststrom zu unterbrechen, wodurch eine Batterie-Spannung auf ihr Leerlauf-Potential entspannt. Dadurch wird ein weiteres, transientes Absinken der zu überwachenden Spannung verhindert, was ansonsten unvorteilhafte Folgeeffekte mit sich bringen könnte. Der Messwert der Messspannung kann als ein Betrag der Messspannung oder als ein Betrag eines Stromsignals ausgebildet sein.This is achieved by a battery pack with a monitoring device, at least one first switching element, in particular a MOSFET, and an interface having a plurality of electrical contacts, with the monitoring device being able to control the at least one first switching element in such a way that a charging or discharging current flows through at least two of the electrical contacts are interrupted or enabled, the battery pack having a measuring circuit which converts a voltage value of a monitoring voltage for activating the at least one first switching element into a measured value of a measured voltage, the monitoring device comparing the measured value with at least one first limit value and, if it is exceeded or fallen below of the limit value which opens at least one first switching element. When this limit value is exceeded or fallen below, the at least one first switching element is opened in order to interrupt a load current, as a result of which a battery voltage is relaxed to its no-load potential. This prevents a further, transient drop in the voltage to be monitored, which could otherwise have unfavorable consequences. The measured value of the measurement voltage can be embodied as an amount of the measurement voltage or as an amount of a current signal.

Der Akkupack kann einen ersten Energieversorgungskontakt, der mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbar ist, und einen zweiten Energieversorgungskontakt, der mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbar ist, umfassen, wobei das zumindest eine erste Schaltelement, insbesondere der MOSFET, zur Unterbrechung oder Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms über den ersten Energieversorgungskontakt und den zweiten Energieversorgungskontakt angeordnet ist, wobei der Akkupack ausgebildet ist, das zumindest eine erste Schaltelement mittels der Überwachungsspannung anzusteuern, wobei die Überwachungsspannung aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet ist, wobei der Messabgriff vorzugsweise zwischen einem, insbesondere dem ersten, Energieversorgungskontakt und dem zumindest einen ersten Schaltelement geschaltet ist, und die Überwachungsspannung zwischen dem Messabgriff und dem Massepotential anliegt. Dadurch werden negative Folgen von Spannungseinbrüchen aufgrund von hohen bzw. zeitlich stark veränderlichen Lastströmen verhindert. Das Massepotential ist vorzugsweise als ein neagtives Potential einer ersten Akkuzelle eines in Serie geschalteten Akkuzellstrangs ausgebildet.The battery pack can comprise a first power supply contact to which a first reference potential, preferably a supply potential, can be applied, and a second power supply contact to which a second reference potential, preferably a ground potential, can be applied, with the at least one first switching element, in particular the MOSFET , is arranged to interrupt or enable the charging or discharging current via the first energy supply contact and the second energy supply contact, the battery pack being designed to activate the at least one first switching element by means of the monitoring voltage, the monitoring voltage being derived from the first reference potential, in particular from the supply potential, is derived, wherein the measurement tap is preferably connected between one, in particular the first, power supply contact and the at least one first switching element, and the monitoring voltage between the measurement tap f and the ground potential. This prevents negative consequences of voltage dips due to high load currents or load currents that vary greatly over time. The ground potential is preferably in the form of a negative potential of a first battery cell of a series-connected battery cell string.

In einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus einer Treiberspannung des zumindest einen ersten Schaltelements abgeleitet. Eine Überwachung dieses Potentials ermöglicht die direkteste Absicherung des zumindest einen ersten Schaltelements.In one aspect, the monitoring voltage is derived directly from a drive voltage of the at least one first switching element. Monitoring this potential enables the most direct protection of the at least one first switching element.

In einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet und gegenüber Spannungsschwankungen und -einbrüchen des ersten Bezugspotenzials, insbesondere des Versorgungspotentials, entkoppelt. Eine Überwachung dieses Potentials stellt sicher, dass sowohl die Treiberspannung des Schaltelements als auch weitere hieraus abgeleitete Versorgungsspannung vor Einbrüchen geschützt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch z.B. auch sichergestellt wird, dass eine Steuerelektronik des zumindest einen ersten Schaltelements vor Unterspannung geschützt wird.In one aspect, the monitoring voltage is derived directly from the first reference potential, in particular from the supply potential, and is decoupled from voltage fluctuations and dips in the first reference potential, in particular the supply potential. Monitoring this potential ensures that both the driver voltage of the switching element and other supply voltage derived from it are protected against dips. This is particularly advantageous because it also ensures, for example, that control electronics of the at least one first switching element are protected against undervoltage.

In einem Aspekt ist die Überwachungsspannung direkt aus dem ersten Bezugspotenzial, insbesondere aus dem Versorgungspotential, abgeleitet. Eine Überwachung dieses Potentials bietet eine schnellstmögliche Reaktion auf Spannungseinbrüche.In one aspect, the monitoring voltage is derived directly from the first reference potential, in particular from the supply potential. Monitoring this potential offers the fastest possible response to voltage dips.

Die Überwachungseinrichtung kann einen Mikroprozessor umfassen, der ausgebildet ist, den Messwert mit dem Grenzwert zu vergleichen und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen. Vorzugsweise ist der Messwert als eine Messpanung ausgebildet, wobei der Mikroprozessor dazu ausgebildet ist, den Betreag der Messspannung zu erfassen. Der Mikroprozessor ist vorzugsweise der Messeinrichtung oder der Steuervorrichtung zugeordnet.The monitoring device can include a microprocessor which is designed to compare the measured value with the limit value and to open the at least one first switching element when the limit value is exceeded or not reached. The measured value is preferably in the form of a measurement voltage, with the microprocessor is designed to detect the magnitude of the measurement voltage. The microprocessor is preferably assigned to the measuring device or the control device.

Die Überwachungseinrichtung kann eine Komparatorschaltung umfassen, die ausgebildet ist, den Messwert mit einer Referenzspannung zu vergleichen, die den Grenzwert darstellt, und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen. Die Komparatorschaltung ist vorzugsweise der Messeinrichtung zugeordnet. Zusätzlich ist für diesen Fall ein Mikrokontroller Die Überwachungseinrichtung kann eine Messeinrichtung mit einer Transistorschaltung umfassen, die wenigstens einen abhängig vom Messwert schaltbaren Transistor umfasst, dessen Schaltschwelle den Grenzwert darstellt. Vorzugsweise ist die Steuervorrichtung zustätzlich dazu ausgebildet beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement zu öffnen.The monitoring device can include a comparator circuit, which is designed to compare the measured value with a reference voltage that represents the limit value, and to open the at least one first switching element when the limit value is exceeded or not reached. The comparator circuit is preferably assigned to the measuring device. In this case, a microcontroller is also required. The monitoring device can include a measuring device with a transistor circuit that includes at least one transistor that can be switched depending on the measured value and whose switching threshold represents the limit value. Preferably, the control device is additionally designed to open the at least one first switching element when the limit value is exceeded or not reached.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Akkupack wenigstens einen Widerstand umfasst, der zwischen einem Kontakt für die Überwachungsspannung und einem Massepotential geschaltet ist, wobei die Messspannung zwischen dem Kontakt und dem Widerstand anliegt.It is also proposed that the battery pack includes at least one resistor which is connected between a contact for the monitoring voltage and a ground potential, with the measurement voltage being present between the contact and the resistor.

Die Messschaltung kann eine durch ein Schaltsignal schaltbare erste Schalteinrichtung und eine durch die erste Schalteinrichtung schaltbare zweite Schalteinrichtung umfassen, wobei die zweite Schalteinrichtung und wenigstens zwei Widerstände in Reihenschaltung zwischen dem Kontakt und dem Massepotential geschaltet sind, und wobei ein Abgriff für die Messspannung zwischen den beiden Widerständen geschaltet ist und wobei der Akkupack einen Kondensator umfasst, der zwischen die erste Schalteinrichtung und den Abgriff für die Messspannung geschaltet ist.The measuring circuit can comprise a first switching device that can be switched by a switching signal and a second switching device that can be switched by the first switching device, with the second switching device and at least two resistors being connected in series between the contact and the ground potential, and with a tap for the measuring voltage between the two Resistors is connected and wherein the battery pack comprises a capacitor which is connected between the first switching device and the tap for the measurement voltage.

Die wenigstens zwei Widerstände und der Kondensator sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass die Messspannung den Grenzwert unterschreitet, der zum Unterbrechen des zumindest einen Schaltelements führt, wenn ein für den zuverlässigen Betrieb des zumindest einen ersten Schaltelements zu geringes Schaltpotential anliegt.The at least two resistors and the capacitor are preferably dimensioned such that the measurement voltage falls below the limit value which leads to the interruption of the at least one switching element when the switching potential is too low for reliable operation of the at least one first switching element.

Vorzugsweise wird ein Wiedereinschalten des zumindest einen ersten Schalteleements durch Wiederüberschreiten eines oder des Grenzwerts ermöglicht. Insbesondere ist das Schaltelement durch die Überwachungseinrichtung einschaltbar ausgebildet, wobei das Einschalten bevorzugt über einen Mikroprozessor erfolgt. Alternativ zum Mikroprozessor wäre auch eine diskrete Schaltung denkbar.Preferably, the at least one first switching element can be switched on again by exceeding a limit value or the limit value again. In particular, the switching element is designed so that it can be switched on by the monitoring device, the switching on preferably taking place via a microprocessor. A discrete circuit would also be conceivable as an alternative to the microprocessor.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, das Schaltsignal an die erste Schalteinrichtung, insbesondere einen Transistor, vorzugsweise einen MOSFET, zur Ermöglichung der Messung der Messspannung auszugeben, wenn ein Ladevorgang oder ein Entladevorgang aktiv ist und anderenfalls kein Schaltsignal an die erste Schalteinrichtung, insbesondere den Transistor, vorzugsweise den MOSFET, zum Ermöglichen der Messung der Messspannung auszugeben.The control device is preferably designed to output the switching signal to the first switching device, in particular a transistor, preferably a MOSFET, to enable the measurement of the measurement voltage when a charging process or a discharging process is active and otherwise no switching signal to the first switching device, in particular the transistor. preferably outputting the MOSFET to enable measurement of the measurement voltage.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

1 einen Teil einer ersten Ausführung eines Akkupacks,
2 einen Teil einer zweiten Ausführung eines Akkupacks,
3 einen Teil einer dritten Ausführung des Akkupacks,
4 einen Teil einer vierten Ausführung des Akkupacks,
5 einen Teil einer fünften Ausführung des Akkupacks.

Further advantageous embodiments result from the following description and the drawing. In the drawing shows:

1 part of a first embodiment of a battery pack,
2 part of a second version of a battery pack,
3 part of a third version of the battery pack,
4 part of a fourth version of the battery pack,
5 part of a fifth embodiment of the battery pack.

In 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das einen Teil eines Wechselakkupacks 10 darstellt. Der Wechselakkupack 10 ist mit einem nicht in 1 dargestellten Ladegerät bzw. elektrischen Verbraucher lösbar verbindbar. Der Wechselakkupack 10 und das Ladegerät bzw. der elektrische Verbraucher weisen zueinander korrespondierende elektromechanische Schnittstellen auf, von denen eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 des Wechselakkupacks 10 in 1 dargestellt sind.In 1 1 is a block diagram showing part of a removable battery pack 10. FIG. The exchangeable battery pack 10 is not in with a 1 illustrated charger or electrical consumers releasably connected. The replaceable battery pack 10 and the charger or the electrical consumer have mutually corresponding electromechanical interfaces, of which a plurality of electrical contacts 12 of the replaceable battery pack 10 in 1 are shown.

Ein erster der elektrischen Kontakte 12 dient als ein mit einem ersten Bezugspotential V1, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 14. Ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 dient als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 16.A first of the electrical contacts 12 is used as a power supply contact 14 that can be charged with a first reference potential V1, preferably a supply potential V+. A second of the electrical contacts 12 is used as a power supply contact 16 that can be charged with a second reference potential V2, preferably a ground potential GND.

Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 14, 16 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher 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 z.B. bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts. 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 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 14, 16 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektromechanischen Schnittstellen.About the first and the second power supply contact 14, 16, the removable battery pack 10 can be charged on the one hand by the charger with a charging current and on the other hand discharged by the electrical consumer with a discharge current. The current strengths of charging and discharging current can differ significantly from each other. For example, the discharge current can be up to 10 times higher than the charging current of the charger if the electrical consumers are designed accordingly. Despite these differences between charging and discharging currents, the common symbol I will be used below. Of the The term “can be acted upon” is intended to make it clear that the potentials V+ and GND are not permanently present at the energy supply contacts 14, 16, particularly in the case of an electrical consumer, but rather only after the electromechanical interfaces have been connected.

Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät.The same applies to a discharged exchangeable battery pack 10 after connection to the charger.

Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 18 auf, die zwar in 1 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung eine über die Energieversorgungskontakte 14, 16 abfallende Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 18 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne Zell-Cluster, die parallel verschalteten Energiespeicherzellen 18 umfassen, in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion-Energiespeicherzellen 18 mit einer Zellspannung UCell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 14, 16 eine Wechselakkupack-Spannung UBatt = V1 - V2 von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 18 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 18 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 16 angewendet werden. Die Erfindung ist auch bei nicht wechselbaren Akkupacks anwendbar.The exchangeable battery pack 10 has a plurality of energy storage cells 18 which, although in 1 are shown as a series circuit, but can alternatively or additionally also be operated in a parallel circuit, the series circuit defining a voltage UBatt of the replaceable battery pack 10 dropping across the power supply contacts 14, 16, while a parallel connection of individual energy storage cells 18 primarily increases the capacity of the replaceable battery pack 10. As already mentioned, individual cell clusters, which include energy storage cells 18 connected in parallel, can also be connected in series in order to achieve a specific voltage UBatt of the replaceable battery pack 10 with a simultaneously increased capacity. In conventional Li-ion energy storage cells 18 with a cell voltage UCell of 3.6 V each, a replaceable battery pack voltage UBatt=V1-V2 of 5×3.6 V=18 V drops across the energy supply contacts 14, 16 in the present exemplary embodiment. Depending on the number of energy storage cells 18 connected in parallel in a cell cluster, the capacity of common exchangeable battery packs 10 can be up to 12 Ah or more. However, the invention is not dependent on the type, design, voltage, power supply capability, etc. of the energy storage cells 18 used, but can be applied to any exchangeable battery pack 10 and energy storage cell 16 . The invention can also be used with non-exchangeable battery packs.

Zur Überwachung des Wechselakkupacks 10 ist eine Überwachungseinrichtung 20 vorgesehen. Um zur Erhöhung der Betriebssicherheit den Lade- oder Entladestrom I innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 22 auf, das von der Überwachungseinrichtung 20 über eine aus einem zweiten und einem dritten Schaltelement 24, 26 bestehende Halbbrücke 28 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 22 in einem Massepfad (Low-Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 16 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle und einem Massekontaktpunkt 30 der Reihenschaltung der Energiespeicherzellen 18 angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist es ebenso möglich, zumindest ein erstes Schaltelement 22 im High-Side-Pfad zwischen einem Abgriff 32 für die Reihenschaltung der Energiespeicherzellen 18 und dem ersten als Energieversorgungskontakt 14 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle anzuordnen. Darüber hinaus können sowohl im Low-Side- als auch im High-Side-Pfad jeweils mehrere erste Schaltelemente 22 angeordnet sein. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 22, wie in 1 dargestellt, als ein MOSFET ausgebildet. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen einsetzbar.A monitoring device 20 is provided for monitoring the exchangeable battery pack 10 . In order to be able to interrupt or enable the charging or discharging current I within replaceable battery pack 10 to increase operational reliability, replaceable battery pack 10 has at least one first switching element 22, which is controlled by monitoring device 20 via a second and third switching element 24, 26 Half-bridge 28 can be opened to interrupt the charging or discharging current I and closed to enable the charging or discharging current I. In the exemplary embodiment shown, the at least one first switching element 22 is arranged in a ground path (low-side) between the second contact 12, embodied as an energy supply contact 16, of the electromechanical interface and a ground contact point 30 of the series circuit of the energy storage cells 18. Alternatively or in addition, it is also possible to arrange at least one first switching element 22 in the high-side path between a tap 32 for the series connection of the energy storage cells 18 and the first contact 12 embodied as an energy supply contact 14 of the electromechanical interface. In addition, a plurality of first switching elements 22 can be arranged both in the low-side path and in the high-side path. The at least one first switching element 22 is preferred, as in 1 shown formed as a MOSFET. However, other switching elements such as a relay, an IGBT, a bipolar transistor or the like can also be used.

Analog dem zumindest einen ersten Schaltelement 22, sind auch die beiden Schaltelemente 24, 26 der Halbbrücke 28, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 24, 26, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar-Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zweite, als High-Side-Schalter der Halbbrücke 28 ausgebildete Schaltelement 24 ein P-Kanal-MOSFET und das dritte, als Low-Side-Schalter der Halbbrücke 28 ausgebildete Schaltelement 26 ein N-Kanal-MOSFET. Zum Unterbrechen des Lade- oder Entladestroms I wird nun durch die Überwachungseinrichtung 20 das zumindest eine erste Schaltelement 22 geöffnet, indem sie das dritte Schaltelement 26 schließt. Zudem kann die Überwachungseinrichtung 20 das zweite Schaltelement 24 zusätzlich öffnen, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Umgekehrt ermöglicht die Überwachungseinrichtung 20 den Lade- oder Entladestrom I, indem sie durch ein Schließen des zweiten Schaltelements 24 bei offenem dritten Schaltelement 26 das zumindest eine erste Schaltelement 22 schließt. Dazu ist die Halbbrücke 28 einerseits mit dem Bezugspotential GND und andererseits über eine Schutzdiode 34 sowie einen ersten Widerstand 36 und einen zweiten Widerstand 38 mit dem Versorgungspotential V+ verbunden, wobei ein Abgriff 40 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 36, 38 als Anschlusspunkt für einen Kondensator 42 dient, der wiederum mit dem zweiten Energieversorgungskontakt 16 der elektromechanischen Schnittstelle verbunden ist. Somit sind der Kondensator 42, der zweite Widerstand 38 sowie die Halbbrücke 28 parallel zum Ansteuerpotential des zumindest einen ersten Schaltelement 22 geschaltet. Weiterhin ist ein Abgriff 44 zwischen den beiden Schaltelementen 24, 26 der Halbbrücke 28 über einen dritten Widerstand 46 mit einem Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 22, insbesondere mit einem Gate-Anschluss des MOSFETs, verbunden.Analogous to the at least one first switching element 22, the two switching elements 24, 26 of the half-bridge 28, as in 1 shown, preferably formed as MOSFETs. However, other second and third switching elements 24, 26, such as relays, IGBTs, bipolar transistors or the like, are also conceivable. In the present exemplary embodiment, the second switching element 24 embodied as a high-side switch of the half-bridge 28 is a P-channel MOSFET and the third switching element 26 embodied as a low-side switch of the half-bridge 28 is an N-channel MOSFET. To interrupt the charging or discharging current I, the at least one first switching element 22 is now opened by the monitoring device 20 by closing the third switching element 26 . In addition, the monitoring device 20 can also open the second switching element 24, but this is not absolutely necessary. Conversely, the monitoring device 20 enables the charging or discharging current I by closing the at least one first switching element 22 by closing the second switching element 24 with the third switching element 26 open. For this purpose, the half-bridge 28 is connected on the one hand to the reference potential GND and on the other hand via a protective diode 34 and a first resistor 36 and a second resistor 38 to the supply potential V+, with a tap 40 between the first and the second resistor 36, 38 as a connection point for a Capacitor 42 is used, which in turn is connected to the second power supply contact 16 of the electromechanical interface. Thus, the capacitor 42, the second resistor 38 and the half-bridge 28 are connected in parallel to the drive potential of the at least one first switching element 22. Furthermore, a tap 44 between the two switching elements 24, 26 of the half-bridge 28 is connected via a third resistor 46 to a control input of the at least one first switching element 22, in particular to a gate terminal of the MOSFET.

Der erste Widerstand 36 und der Kondensator 42 bilden ihrerseits ein RC-Glied 48, dessen Zeitkonstante τ sich aus dem Produkt des Widerstandswerts R1 des ersten Widerstands 36 und der Kapazität C1 des Kondensators 40 ergibt. Die Zeitkonstante τ ist bevorzugt derart dimensioniert, dass sich keine für den Betrieb des Wechselakkupacks 10 unvorteilhaft hohen Ladezeiten des zumindest einen Kondensators 42 ergeben, die ein Einschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 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 22 kann die Gefahr von Funktionsbeeinträchtigungen oder Leistungseinbußen des Wechselakkupacks 10 wirksam reduziert werden.The first resistor 36 and the capacitor 42 in turn form an RC element 48 whose time constant τ results from the product of the resistance value R1 of the first resistor 36 and the capacitance C1 of the capacitor 40. The time constant τ is preferably dimensioned in such a way that there are no unfavorably long charging times for the at least one capacitor 42 for the operation of the replaceable battery pack 10, which could negatively influence switching on of the at least one first switching element 22. The resulting avoidance of excessively long switching times or switching potentials that build up too slowly before the at least one first switching element 22 is switched on can effectively reduce the risk of functional impairments or performance losses of the replaceable battery pack 10 .

Das RC-Glied 48 ist über die vorzugsweise als Schottky-Diode ausgebildete Schutzdiode 34 von dem Versorgungspotential V+ entkoppelt. Somit schützt die Schutzdiode 34 das RC-Glied 48 vor einem Spannungseinbruch zwischen dem Versorgungspotential V+ und dem Massepotential GND. Die Ausbildung der Schutzdiode 34 als Schottky-Diode bietet überdies den Vorteil eines geringeren Spannungsabfalls, so dass eine höhere Spannung zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zur Verfügung steht.The RC element 48 is decoupled from the supply potential V+ via the protective diode 34, which is preferably designed as a Schottky diode. The protective diode 34 thus protects the RC element 48 from a voltage drop between the supply potential V+ and the ground potential GND. The formation of the protective diode 34 as a Schottky diode also offers the advantage of a lower voltage drop, so that a higher voltage is available for switching the at least one first switching element 22 .

Der Abgriff 44 zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand 36, 38 bildet gleichzeitig einen Mittenabgriff des RC-Glieds 48 an dem ein entkoppeltes Schaltpotential VS zum Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 über die Halbbrücke 28 anliegt. Dabei ist der ersten Widerstand 36 des RC-Glieds 48 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 42 des RC-Glieds 28, durch einen Fehler in der Überwachungseinrichtung 20 oder der Halbbrücke 28 entstehen. Um eine Überlastung des ersten Widerstands 36 durch einen Kurzschluss zu vermeiden, beträgt sein Widerstandswert R1 mindestens 1 kΩ. Da dies aber den Schaltstrom für das zumindest eine erste Schaltelement 22 begrenzen würde, muss der Kondensator 42 des RC-Glieds 48 eine aus-reichend 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 22 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 VS zu gewährleisten, sind Werte von über 1 µF für die Kapazität C1 vorteilhaft. Ergänzend ergibt sich durch die hochohmige Auslegung des RC-Glieds 48 ein Vorteil dahingehend, dass das Schaltpotential VS für das zumindest eine erste Schaltelement 22 weitestgehend von Kurzschlüssen an oder in dem Wechselakkupack 10 entkoppelt ist.The tap 44 between the first and the second resistor 36, 38 simultaneously forms a center tap of the RC element 48 to which a decoupled switching potential VS for switching the at least one first switching element 22 via the half-bridge 28 is present. In this case, the first resistor 36 of the RC element 48 is dimensioned in such a way that its resistance value R1 in the event of a short circuit does not result in heat development that is dangerous for the replaceable battery pack 10 . Such a short circuit can, for example, arise internally as a result of a fault in the capacitor 42 of the RC element 28, as a result of a fault in the monitoring device 20 or in the half-bridge 28. In order to prevent the first resistor 36 from being overloaded by a short circuit, its resistance value R1 is at least 1 kΩ. However, since this would limit the switching current for the at least one first switching element 22, the capacitor 42 of the RC element 48 must have a sufficiently high capacitance C1. Ideally, the capacity C1 is dimensioned in such a way that it is significantly greater than the sum of all capacities of the replaceable battery pack 10 that are charged when the at least one first switching element 22 is switched on. For example, a value of approx. 100 nF for the capacitance C1 would be conceivable. However, in order to ensure that the switching potential VS only decreases slowly in the event of a short circuit, values of more than 1 μF are advantageous for the capacitance C1. In addition, the high-impedance design of the RC element 48 results in an advantage in that the switching potential VS for the at least one first switching element 22 is largely decoupled from short circuits on or in the replaceable battery pack 10 .

Das Schaltpotential VS kann nun durch die Überwachungseinrichtung 20 über die Halbbrücke 28 sowie den zweiten und dritten Widerstand 38, 46 in der beschriebenen Weise an einen Steuereingang des zumindest einen ersten Schaltelements 22, beispielsweise an den Gate-Anschluss des MOSFETs, angelegt werden, um es zu schließen. Dabei sind der zweite und der dritte Widerstand 38 bzw. 46 derart dimensioniert, dass durch ihren resultierenden Widerstandswert R2 + R3 einerseits der für ein schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 erforderliche Schaltstrom nicht zu gering ist und andererseits im Falle eines Kurzschlusses oder bei versehentlich gleichzeitigem Einschalten des zweiten und dritten Schaltelements 24, 26 der Halbbrücke 28 keine für den Wechselakkupack 10 gefährliche Wärmeentwicklung entsteht. Bevorzugt ist der resultierende Widerstandswert R2 + R3 des zweiten und dritten Widerstands 38, 46 deutlich kleiner als 1 kΩ. Zudem bewirkt eine optimierte Dimensionierung des zweiten Widerstands 38, dass die Ströme, die durch das Schalten des zweiten als High-Side-Schalter ausgebildeten zumindest einen ersten Schaltelements 22 auftretenden können, keine übermäßige Bauteilbeanspruchung nach sich ziehen, was zu einer frühzeitigen Alterung insbesondere des zweiten Schaltelements 24 und des zweiten Widerstands 38 und damit zu einer Beschädigung des Wechselakkupacks 10 führen könnte. Statt des zweiten und des dritten Widerstands 38, 46 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.The switching potential VS can now be applied in the manner described to a control input of the at least one first switching element 22, for example to the gate connection of the MOSFET, by the monitoring device 20 via the half-bridge 28 and the second and third resistors 38, 46 in order to close. The second and third resistors 38 and 46 are dimensioned in such a way that, due to their resulting resistance value R2+R3, the switching current required for rapid switching of the at least one first switching element 22 is not too low and, on the other hand, in the event of a short circuit or inadvertently Simultaneously turning on the second and third switching elements 24, 26 of the half-bridge 28 no dangerous for the exchangeable battery pack 10 heat generation occurs. The resulting resistance value R2+R3 of the second and third resistors 38, 46 is preferably significantly less than 1 kΩ. In addition, an optimized dimensioning of the second resistor 38 has the effect that the currents that can occur as a result of the switching of the second at least one first switching element 22 designed as a high-side switch do not entail excessive component stress, which leads to premature aging of the second Switching element 24 and the second resistor 38 and thus could lead to damage to the removable battery pack 10. Instead of the second and third resistors 38, 46, only a single resistor can be used. Likewise, several resistances are also conceivable. The same applies to the number of capacitors and resistors in the RC element.

Die Überwachungseinrichtung 20 gewährleistet ein sicheres und schnelles Schalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zur Unterbrechung bzw. Ermöglichung des Lade- oder Entladestroms auf Grundlage einer vorhandenen Wechselakkupack-Spannung, ohne dass etwaige Spannungsschwankungen der Wechselakkupack-Spannung Einfluss auf die Funktion des zumindest einen ersten Schaltelements 22 haben.Monitoring device 20 ensures reliable and rapid switching of the at least one first switching element 22 to interrupt or enable the charging or discharging current on the basis of an existing removable battery pack voltage, without any voltage fluctuations in the removable battery pack voltage affecting the function of the at least one first switching element have 22

Die Spannung UBatt unterliegt im Betrieb eines Werkzeugs, das durch den Wechselakkupack 10 mit Energie versorgt wird, starken Schwankungen aufgrund von z.B. Widerständen von Leiterbahnen, Zellverbindern und Zellen oder deren induktiver Anteile in Kombination mit hohen bzw. zeitlich stark veränderlichen Lastströmen.During the operation of a tool that is supplied with energy by the exchangeable battery pack 10, the voltage UBatt is subject to strong fluctuations due to, for example, resistances of conductor tracks, cell connectors and cells or their inductive components in combination with high load currents or load currents that vary greatly over time.

Sowohl eine Funktion der Überwachungseinrichtung 20 als auch das sichere und schnelle Schalten sind nur verfügbar, wenn eine minimale Versorgungsspannung gewährleistet ist. Weiterhin ist es problematisch für viele Ausführungen der Schaltelemente, wenn ihre Ansteuerspannung unter eine minimale Schwelle fällt, da ein ausreichend niederohmiger Zustand des Schaltelements dann nicht mehr sichergestellt werden kann und die im Schaltelement abfallende Verlustleistung dramatisch zunimmt. Für den Wechselakkupack 10 ist seine Ruhestrom-Aufnahme innerhalb seiner Elektronik eine kritische Größe. Um eine Selbstentladung des Akkupacks 10 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, Ruheströme innerhalb der Batterie so gering wie möglich zu halten.Both a function of the monitoring device 20 and safe and fast switching are only available if a minimum supply voltage is guaranteed. Furthermore, it is problematic for many versions of the switching elements when their drive voltage falls below a minimum threshold, since a sufficiently low-impedance state of the switching element can then no longer be ensured and the power loss falling in the switching element increases dramatically. For the exchangeable battery pack 10, its quiescent current consumption within its electronics is a critical variable. In order to prevent the battery pack 10 from self-discharging, it is advantageous to keep quiescent currents within the battery as low as possible.

Die Überwachungseinrichtung 20 ist ausgebildet, das zumindest eine erste Schaltelement 22 vor einer zu niedrigen Ansteuerspannung zu schützen. Im Beispiel wird der MOSFET vor zu niedriger Ansteuerspannung geschützt.The monitoring device 20 is designed to protect the at least one first switching element 22 from an activation voltage that is too low. In the example, the MOSFET is protected from too low a control voltage.

Die Überwachungseinrichtung 20 umfasst dazu einen Kontakt 50 für eine Überwachungsspannung VU. Die Überwachungsspannung VU ist ein von der Spannung UBatt des Wechselakkupacks 10 direkt abhängiges, ggf. vorgefiltertes/aufbereitetes Potential.For this purpose, the monitoring device 20 comprises a contact 50 for a monitoring voltage VU. The monitoring voltage VU is a potential that is directly dependent on the voltage UBatt of the replaceable battery pack 10 and is possibly prefiltered/prepared.

Ein von der Überwachungseinrichtung 20 ausgehendes Schaltsignal 52 aktiviert eine erste Schalteinrichtung 54. Dies führt dazu, dass eine zweite Schalteinrichtung 56 in einen leitenden Zustand übergeht, und die Überwachungsspannung VU über einen vierten Widerstand 58 und einen fünften Widerstand 60 heruntergeteilt, d.h. an einem Abgriff 62 zwischen diesen Widerständen 58, 60, als Messspannung UMess erfasst und an eine Messeinrichtung 64 weitergeleitet wird. Die Überwachungseinrichtung 20 kann einen Kondensator 66 umfassen, der zwischen der ersten Schalteinrichtung 54 und dem Massepotential geschaltet ist.A switching signal 52 emanating from the monitoring device 20 activates a first switching device 54. This results in a second switching device 56 going into a conductive state, and the monitoring voltage VU is divided down via a fourth resistor 58 and a fifth resistor 60, i.e. at a tap 62 between these resistors 58, 60 is recorded as a measurement voltage Umeas and forwarded to a measuring device 64. The monitoring device 20 may include a capacitor 66 connected between the first switching device 54 and ground potential.

Die beiden Schalteinrichtungen 54, 56 sind vorzugsweise als MOSFETs ausgebildet. Es sind aber auch andere zweite und dritte Schaltelemente 54, 56, wie beispielsweise Relais, IGBTs, Bipolar-Transistoren oder dergleichen denkbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste, als Low-Side-Schalter ausgebildete Schalteinrichtung 54 ein N-Kanal-MOSFET und die zweite, als High-Side-Schalter ausgebildete Schalteinrichtung 56 ein P-Kanal-MOSFET.The two switching devices 54, 56 are preferably in the form of MOSFETs. However, other second and third switching elements 54, 56, such as relays, IGBTs, bipolar transistors or the like, are also conceivable. In the present exemplary embodiment, the first switching device 54 embodied as a low-side switch is an N-channel MOSFET and the second switching device 56 embodied as a high-side switch is a P-channel MOSFET.

Unterschreitet die Überwachungsspannung VU z.B. aufgrund von Lastsprüngen ein bestimmtes Potential, löst die Messeinrichtung 64 aus. Das Auslösen der Messeinrichtung 64 führt dazu, dass ein Signal S an eine Steuervorrichtung 68 weitergegeben wird.If the monitoring voltage VU falls below a certain potential, e.g. due to load jumps, the measuring device 64 is triggered. The triggering of the measuring device 64 results in a signal S being forwarded to a control device 68 .

Der erste Widerstand 58 und der zweite Widerstand 60 und der Kondensator 66 sind beispielsweise derart dimensioniert, dass die Messspannung UMess einen Grenzwert unterschreitet, wenn ein für den zuverlässigen Betrieb des zumindest einen ersten Schaltelements 22 zu geringes Schaltpotential VS anliegt. Die Messeinrichtung 64 ist beispielsweise ausgebildet, das Signal S auszugeben, wenn der Grenzwert unterschritten wird.The first resistor 58 and the second resistor 60 and the capacitor 66 are dimensioned, for example, such that the measured voltage Umeas falls below a limit value when the switching potential VS is too low for the reliable operation of the at least one first switching element 22 . The measuring device 64 is designed, for example, to output the signal S when the value falls below the limit value.

Das von der Überwachungseinrichtung 20 ausgehendes Schaltsignal 52 wird im Beispiel von der Steuervorrichtung 68 über eine Signalleitung 70 aktiviert, wenn eine Messung zur Überwachung der Überwachungsspannung VU ausgeführt werden soll oder anderenfalls deaktiviert. Im Beispiel ist vorgesehen, das Schaltsignal 52 im Ladevorgang oder im Entladevorgang zu aktivieren und anderenfalls zu deaktivieren. Dadurch entlädt sich der Wechselakkupack 10 bei einer Lagerung nicht selbst aufgrund von permanent verbundenen Ableitpfaden.The switching signal 52 emanating from the monitoring device 20 is activated in the example by the control device 68 via a signal line 70 if a measurement for monitoring the monitoring voltage VU is to be carried out, or otherwise deactivated. Provision is made in the example for the switching signal 52 to be activated during the charging process or during the discharging process and to be deactivated otherwise. As a result, the replaceable battery pack 10 does not discharge itself during storage due to permanently connected discharge paths.

Die Steuervorrichtung 68 ist über eine erste Ansteuerleitung 72 mit dem zweiten Schaltelement 24 und über eine zweite Ansteuerleitung 74 mit dem dritten Schaltelement 26 verbunden. Die Steuervorrichtung 68 ist ausgebildet, das zweite Schaltelement 24 und das dritte Schaltelement 26 zum Ermöglichen oder Unterbrechen des Lade- bzw. Entladestroms I d.h. zum Öffnen des mindestens einen Schaltelements 22 oder zum Schließen des mindestens einen Schaltelements 22 anzusteuern.The control device 68 is connected to the second switching element 24 via a first control line 72 and to the third switching element 26 via a second control line 74 . Control device 68 is designed to activate second switching element 24 and third switching element 26 to enable or interrupt charging or discharging current I, i.e. to open at least one switching element 22 or to close at least one switching element 22.

Wenn das Signal S an die Steuervorrichtung 68 weitergegeben wird, führt dies in dem in 1 dargestellten Beispiel indirekt zum Ausschalten des zumindest einen ersten Schaltelements 22. Die Steuervorrichtung 68 unterbricht den Lade- oder Entladestrom I beispielsweise, indem sie durch ein Schließen des dritten Schaltelements 26 das zumindest eine erste Schaltelement 22 öffnet.If the signal S is forwarded to the control device 68, this results in the in 1 illustrated example indirectly to turn off the at least one first switching element 22. The control device 68 interrupts the charging or discharging current I, for example, by opening the at least one first switching element 22 by closing the third switching element 26.

Die Erfindung ist nicht auf das indirekte Ausschalten beschränkt. Es kann vorgesehen sein, dass ein Weitergeben des Signals S dazu führt, dass das mindestens eine Schaltsignal 22 unabhängig vom zweiten Schaltelement 24 und unabhängig vom dritten Schaltelement 26 direkt ausgeschaltet wird.The invention is not limited to indirect switching off. It can be provided that passing on the signal S results in the at least one switching signal 22 being switched off directly, independently of the second switching element 24 and independently of the third switching element 26 .

Dadurch wird der Lade- bzw. Entladestroms I unterbrochen und die Spannung UBatt entspannt sich auf ihr Leerlauf-Potential.This interrupts the charging or discharging current I and the voltage UBatt relaxes to its no-load potential.

Erfindungsgemäß können eine oder mehrere erfindungsgemäße Schaltungen in ihren verschiedenen Varianten implementiert werden, um mehr als eine Überwachungsspannung VU zu überwachen. Beispielsweise kann eine Ansteuerspannung von MOSFETs oder eine Versorgungsspannung einer Batterie-Elektronik überwacht werden.According to the invention, one or more circuits according to the invention in their different variants can be implemented in order to monitor more than one monitoring voltage VU. For example, a control voltage of MOSFETs or a supply voltage of battery electronics can be monitored.

In 1 sind ein erster Messabgriff P1, ein zweiter Messabgriff P2, ein dritter Messabgriff P3 und ein vierter Messabgriff P4 dargestellt, an denen Potentiale innerhalb der Batterie-Elektronik abgreifbar sind, die sich besonders als Überwachungsspannung VU eignen, um das mindestens eine Schaltelement 22, z.B. den MOSFET, vor zu niedriger Ansteuerspannung zu schützen.In 1 a first measurement tap P1, a second measurement tap P2, a third measurement tap P3 and a fourth measurement tap P4 are shown, at which potentials within the battery electronics can be tapped, which are particularly suitable as a monitoring voltage VU to switch the at least one switching element 22, e.g MOSFET to protect against too low drive voltage.

Der erste Messabgriff P1 liefert eine Treiberspannung des mindestens einen Schaltelements 22. Eine Überwachung dieses Potentials ermöglicht die direkteste Absicherung des Schaltelements 22.The first measurement tap P1 supplies a driver voltage for the at least one switching element 22. Monitoring this potential enables the most direct protection of the switching element 22.

Der zweite und der dritte Messabgriff P2, P3 liefert je eine entkoppelte Batteriespannung. Eine Überwachung dieses Potentials stellt sicher, dass sowohl die Treiberspannung des mindestens einen Schaltelements 22 als auch weitere hieraus abgeleitete Versorgungsspannungen vor Einbrüchen geschützt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch z.B. auch sichergestellt wird, dass die weitere Steuerelektronik, z.B. die Steuervorrichtung 68 vor Unterspannung geschützt wird.The second and the third measurement tap P2, P3 each supply a decoupled battery voltage. Monitoring this potential ensures that both the driver voltage of the at least one switching element 22 and other supply voltages derived from it are protected against dips. This is particularly advantageous because it also ensures, for example, that the other control electronics, for example the control device 68, are protected against undervoltage.

Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Absicherung an dem zweiten oder dem dritten Messabgriff P2, P3, verschiedene Unterspannungsschwellen für verschiedene Teile der Batterie-Elektronik zu berücksichtigen. Eine minimale Eingangsspannung eines Spannungsreglers der Batterie-Elektronik ist z.B. 8V, während eine minimale Überwachungspannung für die Halbbrücke 28, bevor unzulässige Verlustleistungen im mindestens einen Schaltelement 22 auftreten können, z.B. bei 5V liegt.In the case of this protection, it is particularly advantageous to take into account different undervoltage thresholds for different parts of the battery electronics at the second or the third measurement tap P2, P3. A minimum input voltage of a voltage regulator of the battery electronics is 8V, for example, while a minimum monitoring voltage for the half-bridge 28 before impermissible power losses can occur in the at least one switching element 22 is 5V, for example.

Über eine geeignete Parametrisierung der beschriebenen Bauelemente ist es möglich, den ersten oder zweiten Messabgriff P2, P3 gegenüber einer minimalen Spannung von z.B. 8V abzusichern, und gleichzeitig sicherzustellen, dass z.B. die Gate-Source Spannung der MOSFETs nicht unter 5V fällt.With suitable parameterization of the components described, it is possible to protect the first or second measurement tap P2, P3 against a minimum voltage of 8V, for example, and at the same time ensure that the gate-source voltage of the MOSFETs does not fall below 5V, for example.

Der vierte Messabgriff P4 liefert die nicht entkoppelte Spannung UBatt. Eine Überwachung dieses Potentials bietet eine schnellstmögliche Reaktion auf Spannungseinbrüche.The fourth measurement tap P4 supplies the non-decoupled voltage UBatt. Monitoring this potential offers the fastest possible response to voltage dips.

In dem in 1 dargestellten Beispiel wird die Überwachungsspannung VU am ersten Messabgriff P1 erfasst. Die Erfindung umfasst auch die Erfassung an den anderen Messabgriffen. Dies ist in der 2 für den zweiten Messabgriff P1, in der 3 für den dritten Messabgriff P3 und in der 4 für den vierten Messabgriff P4 dargestellt. Bauteile, die in diesen Fällen dieselbe Funktion wie die Bauteile haben, die für das Beispiel mit dem ersten Messabgriff P1 beschrieben wurde, sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.in the in 1 In the example shown, the monitoring voltage VU is recorded at the first measurement tap P1. The invention also includes the detection at the other measurement taps. This is in the 2 for the second measurement tap P1, in which 3 for the third measurement tap P3 and in the 4 shown for the fourth measurement tap P4. Components which in these cases have the same function as the components described for the example with the first measurement tap P1 are denoted by the same reference numerals.

Die Messeinrichtung 64 und/oder die Steuervorrichtung 68 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Die Überwachungseinrichtung 20, kann in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinrichtung 20 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinrichtung 20 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung UBatt, den Zellspannungen UCell, einer Temperatur T, des Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.The measuring device 64 and/or the control device 68 can be designed as an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASICs, DSPs or the like. The monitoring device 20 can be designed in the form of a microprocessor, ASICs, DSPs or the like. However, it is also conceivable that the monitoring device 20 consists of a plurality of microprocessors or at least partially of discrete components with corresponding transistor logic. In addition, the first monitoring device 20 can have a memory for storing operating parameters of the replaceable battery pack 10, such as the voltage UBatt, the cell voltages UCell, a temperature T, the charging or discharging current I or the like.

In 5 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das einen Teil des Wechselakkupacks 10 darstellt. Der Wechselakkupack 10 umfasst die Messeinrichtung 64, die Steuereinrichtung 68 und eine Messschaltung 78 mit der die Messspannung UMess aus der Überwachungsspannung UV direkt abgeleitet wird.In 5 1 is a block diagram showing part of the removable battery pack 10. FIG. The exchangeable battery pack 10 comprises the measuring device 64, the control device 68 and a measuring circuit 78 with which the measuring voltage Umeas is derived directly from the monitoring voltage UV.

Die Messschaltung 78 umfasst den Kontakt 50, die vom Schaltsignal 52 aktivierbare erste Schalteinrichtung 54, die durch diese aktivierbare zweite Schalteinrichtung 56, den vierten Widerstand 58, den fünften Widerstand 60, und den Abgriff 62 zwischen diesen Widerständen 58, 60, an dem die Messspannung UMess erfasst und an eine Messeinrichtung 64 weitergeleitet wird. Die Überwachungseinrichtung 20 umfasst im Beispiel den Kondensator 66, der zwischen der ersten Schalteinrichtung 54 und dem Abgriff 62 geschaltet ist.The measuring circuit 78 comprises the contact 50, the first switching device 54 that can be activated by the switching signal 52, the second switching device 56 that can be activated by this, the fourth resistor 58, the fifth resistor 60, and the tap 62 between these resistors 58, 60, at which the measuring voltage Umeas is recorded and forwarded to a measuring device 64 . In the example, the monitoring device 20 includes the capacitor 66 which is connected between the first switching device 54 and the tap 62 .

Die Steuervorrichtung 68 kann einen Mikroprozessor umfassen, der ausgebildet ist, den Messwert mit dem Grenzwert zu vergleichen und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement 22 zu öffnen.The control device 68 can include a microprocessor which is designed to compare the measured value with the limit value and to open the at least one first switching element 22 when the limit value is exceeded or not reached.

Die Steuervorrichtung 68 kann eine Komparatorschaltung umfassen, die ausgebildet ist, den Messwert mit einer Referenzspannung zu vergleichen, die den Grenzwert darstellt, und beim Überschreiten oder Unterschreiten des Grenzwerts das zumindest eine erste Schaltelement 22 zu öffnen.The control device 68 can include a comparator circuit, which is designed to compare the measured value with a reference voltage that represents the limit value, and to open the at least one first switching element 22 when the limit value is exceeded or not reached.

Die Steuervorrichtung 68 kann eine Transistorschaltung umfassen, die wenigstens einen abhängig vom Messwert schaltbaren Transistor umfasst, dessen Schaltschwelle den Grenzwert darstellt. Das Schalten des Transistors verursacht in diesem Beispiel das Öffnen des zumindest einen ersten Schaltelements 22.The control device 68 can include a transistor circuit which includes at least one transistor which can be switched depending on the measured value and whose switching threshold represents the limit value. In this example, the switching of the transistor causes the at least one first switching element 22 to open.

Die beschriebenen Bauteile sind Bestandteil einer besonders vorteilhaften Ausführung. Es ist jedoch auch im Sinne der Erfindung, wenn einzelne Bauteile weggelassen oder hinzugefügt werden. Durch zusätzliche Bauteile können zusätzliche Messabgriffe eingefügt werden. Durch Verzicht auf Bauteile können gegenüber dem Beschriebenen Messeingriffe reduziert werden.The components described are part of a particularly advantageous embodiment. However, it is also within the meaning of the invention if individual components are omitted or added. Additional measurement taps can be added using additional components. By dispensing with components, measuring interventions can be reduced compared to the described.

Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die in den Figuren gezeigte Art der Wechselakkupacks 10 noch auf ein Zusammenwirken mit bestimmten Ladegeräten oder elektrischen Verbrauchern beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 18. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen Schnittstellen sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen.Finally, it should also be pointed out that the exemplary embodiments shown are neither limited to the type of replaceable battery pack 10 shown in the figures nor to interaction with specific charging devices or electrical consumers. The same applies to the number of energy storage cells 18. In addition, the configurations shown, interfaces and the number of their contacts 12 should only be understood as examples.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 10354871 A1 [0002]

Claims

Battery pack (10) with a monitoring device (20), at least one first switching element (22), in particular a MOSFET, and an interface having a plurality of electrical contacts (12), the monitoring device (20) having the at least one first switching element (22) in such a way can control that a charging or discharging current (I) via at least two of the electrical contacts (12) is interrupted or enabled, characterized in that the battery pack (10) has a measuring circuit (78) which measures a voltage value of a monitoring voltage (UV) converts the at least one first switching element (22) into a measured value of a measurement voltage (UMess) to activate the at least one first switching element, the monitoring device (20) comparing the measured value (UMess) with at least one first limit value and, if the limit value is exceeded or undershot, the at least one first switching element (22) opens.

battery pack (10) after claim 1 , characterized in that the battery pack (10) has a first power supply contact (14) which can be acted upon by a first reference potential (V1), preferably a supply potential (V+), and a second power supply contact (16) which is connected to a second reference potential ( V2), preferably a ground potential (GND), wherein the at least one first switching element (22), in particular the MOSFET, for interrupting or enabling the charging or discharging current (I) via the first energy supply contact (14) and the second energy supply contact (16), the battery pack (10) being designed to activate the at least one first switching element (22) by means of the monitoring voltage (VU), the monitoring voltage (VU) being derived from the first reference potential (V1), in particular from the Supply potential (V+) is derived, the measuring tap (P1, P2, P3, P4) between one, in particular the first power supply contact (14) and the at least one first switching element (22) is connected, and the monitoring voltage (VU) is present between the measurement tap (P1, P2, P3, P4) and the ground potential (30).

battery pack (10) after claim 2 , characterized in that the driver voltage of the at least one first switching element (22) is designed as a monitoring voltage (VU).

battery pack (10) after claim 2 , characterized in that the monitoring voltage (VU) is derived directly from the first reference potential (V1), in particular from the supply potential (V+), and is decoupled from voltage fluctuations and dips in the first reference potential (V1), in particular the supply potential (V+). .

battery pack (10) after claim 2 , characterized in that the first reference potential (V1), in particular the supply potential (V+), is designed as a monitoring voltage (VU).

Battery pack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the monitoring device (20) comprises a microprocessor which is designed to compare the measured value with the limit value and, if the limit value is exceeded or not reached, the at least one first switching element (22) to open.

Battery pack (10) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the monitoring device (20) comprises a comparator circuit which is designed to compare the measured value with a reference voltage which represents the limit value and to open the at least one first switching element (22) when the limit value is exceeded or not reached.

Battery pack (10) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the monitoring device (20) comprises a measuring device (64) with a transistor circuit which comprises at least one transistor which can be switched depending on the measured value and whose switching threshold represents the limit value.

Battery pack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the battery pack (10) comprises at least one resistor (60) which is connected between a contact (50) for the monitoring voltage (VU) and a ground potential (30), wherein the measuring voltage (UMess) is present between the contact (50) and the resistor (60).

battery pack (10) after claim 9 , characterized in that the measuring circuit (78) comprises a first switching device (54) which can be switched by a switching signal (52) and a second switching device (56) which can be switched by the first switching device (54), the second switching device and at least two resistors (58 , 60) are connected in series between the contact (50) and the ground potential (30), and a tap (62) for the measurement voltage (UMess) is connected between the two resistors (58, 60) and the battery pack (10 ) comprises a capacitor (66) which is connected between the tap (62) for the measurement voltage and the ground potential (30).

battery pack (10) after claim 10 , characterized in that the at least two resistors (58, 60) and the capacitor (66) are dimensioned in such a way that the measurement voltage (UMess) falls below the limit value which leads to the interruption of the at least one switching element (22) when a reliable operation of the at least one first switching element (22) the switching potential (VS) is too low and that the measured voltage (UMess) exceeds the limit value which leads to the switching on of the at least one switching element (22) when a signal required for the reliable operation of the at least one first Switching element (22) sufficient switching potential (VS) is present.

Battery pack (10) according to one of Claims 5 until 11 , characterized in that the control device (68) is designed to output the switching signal (52) to the first switching device (54), in particular the MOSFET, to enable measurement of the measurement voltage (UMess) when a charging process or a discharging process is active and otherwise no switching signal (52) to the first switching device (54), in particular the MOSFET, to enable the measurement of the measurement voltage (UMess) to be output.