DE19705192A1

DE19705192A1 - Batterie-Überwachungssystem

Info

Publication number: DE19705192A1
Application number: DE19705192A
Authority: DE
Inventors: Rudi Dr Wieczorek
Original assignee: MIKRON GES fur INTEGRIERTE MI
Current assignee: MIKRON GES fur INTEGRIERTE MI
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-11
Publication date: 1997-10-30

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Überwachungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie gemäß Anspruch 23 und 24. Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Überwachungssystem für eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 33. Schließlich betrifft die Erfindung eine Batterie gemäß Anspruch 36.

Es ist bekannt, eine aufladbare Batterie während des Ladevor gangs zu überwachen. Zu den überwachten Parametern gehört die Temperatur oder ein aktueller Ladezustand der Batterie. Das Überwachen derartiger Parameter dient zur optimalen Steuerung des Ladevorgangs, so daß dieser beispielsweise möglichst schnell und batterieschonend erfolgt. Ebenfalls dient das Überwachen des Ladevorgangs einer Batterie dazu, für eine erhöhte Sicherheit des Ladevorgangs zu sorgen. Das Beachten von Sicherheitsaspekten ist, insbesondere beim Laden von Lithiumionen-Batterien (LiION-Batterien), aufgrund der durch Überladen der Batterien erzeugten Gefahrenpotentiale, unbedingt erforderlich und besitzt höchste Priorität.

Bei einer aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzten Batterie ist keine Lösung für das Problem von unterschiedlichen Ladungs zuständen der einzelnen Zellen bekannt. Wenn von mehreren in Reihe geschalteten Zellen eines Batteriepacks eine Zelle voll ständig geladen ist, während die anderen Zellen beispielsweise nur halb aufgeladen sind, ist dies aus einer Messung der ge samten Batteriespannung, d. h. der Summe der Spannungen der in der Reihe geschalteten Zellen, nicht entnehmbar. Eine weitere Ladung wäre - aufgrund der fast vollen Zelle - sehr gefährlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine erhöhte Sicherheit während des Ladens und/oder Entladens einer Batterie, die insbesondere aus mehreren Zellen besteht, zu sorgen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale bzw. durch die Merk male des Anspruchs 23 bzw. 24 gelöst.

Sind den einzelnen Zellen der Batterie Schalter parallel ge schaltet, so können diese Schalter derart angesteuert werden, daß bestimmte Zellen, die beispielsweise defekt sind aus der Batterie entfernt werden. Ferner kann die Ansteuerung der Schalter dazu verwendet werden, den Ladezustand der einzelnen Zellen, der bei den einzelnen Zellen unterschiedlich sein kann, während des Ladens und/oder Entladens der Batterie auszugleich en.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die erfindungsgemäße Aufgabe bei einem Überwachungssystem für eine Batterie, wobei das System wenigstens einen seriellen Schalter aufweist, der in Reihe zu der Batterie geschaltet ist, und zum Unterbrechen der Ladung und/oder Entladung verwendet werden kann, und wobei wenigstens zwei Schaltungsanordnungen zur Steu erung der Ladung und/oder Entladung oder zur Batterieüberwachung vorgesehen sind, dadurch gelöst, daß das System zur Verbindung der Schaltungsanordnungen eine Leitung aufweist, wobei der se rielle Schalter über die Leitung von wenigstens einer der Schal tungsanordnungen ansteuerbar ist.

Dadurch wird nicht nur eine Leitung eingespart, über die die beiden Schaltungsanordnungen miteinander in Verbindung stehen, und die sonst keinem weiteren Zwecke dient, was bei integrierten Schaltungen gleichbedeutend mit dem Einsparen eines Pin-Kontakts ist, sondern es wird möglich, aus Redundanzgründen mehrere Schaltungsanordnungen zur Steuerung des Ladens und/oder Entla dens oder zur Batterieüberwachung vorzusehen, wobei diese Schal tungsanordnungen mit den übrigen Schaltungsanordnungen ohne das Vorsehen von gesonderten Leitungen (bzw. Chipkontakten) in Ver bindung stehen können.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ausgestaltungen der selben wird bzw. werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung eines erfindungs gemäßen Batterieüberwachungssystems, das eine Ladevorrichtung, eine Steuerschaltung und eine Sicherheitsschaltung aufweist;

Fig. 2 schematisch den Aufbau der Sicherheitsschaltung der Fig. 1;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines der Umleitungs transistoren der Sicherheitsschaltung der Fig. 2;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der Anordnung eines der Umleitungstransistoren der Sicherheitsschaltung der Fig. 2;

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform einer in die Sicher heitsschaltung der Fig. 2 integrierten Ladevorrichtung;

Fig. 6 ein Flußdiagramm, das den Betrieb der Sicherheitsschal tung der Fig. 2 im Überblick darstellt;

Fig. 7 ein Flußdiagramm, das die Sicherheitsüberprüfungsbe triebsart des Flußdiagramms der Fig. 6 im Detail darstellt; und

Fig. 8 ein Flußdiagramm, das die Ladungsausgleichsbetriebsart des Flußdiagramms der Fig. 6 im Detail darstellt.

In der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben bzw. entsprechende Elemente. In den Flußdiagrammen bzw. Progamm ablaufplänen der Fig. 6-8 bezeichnen Pfeile die Richtung des Progammablaufs, rechteckige Kästen Operationen bzw. Anweisungen mit einem Eingang und einem Ausgang und rautenförmige Kästen Verzweigungen bzw. bedingte Anweisungen, wobei wenn die angege bene Bedingung erfüllt ist, der waagrechte Zweig (JA) durchlau fen wird, und wenn nicht, der senkrechte Zweig (NEIN) fortge setzt wird. Ein rechteckiger Kasten mit seitlichen Doppelstri chen bezeichnet zusammenfassend eine Prozedur bzw. ein Unterpro gramm.

In Fig. 1 ist eine Batterie 1 gezeigt, die vier in Reihe mit einander verbundene Zellen 2, 3, 4, 5 aufweist. Das System zur Überwachung der Batterie weist eine Steuerschaltung 6, eine Sicherheitsschaltung 7 eine Ladevorrichtung 8 auf. Die Lade vorrichtung 8 ist über Leitungen 9, 10 mit dem Pluspol (+) bzw. dem Minuspol (-) der Batterie 1 verbunden. Zur Steuerung des Ladens ist zwischen der Steuerschaltung 6 und der Ladevorrich tung 8 eine Datenleitung 11 und eine Taktleitung 12 vorgesehen. Die Sicherheitsschaltung greift über Leitungen 13, 14, die mit den beiden Polen der Zelle 2 der Batterie 1 verbunden sind, die Spannung der Zelle 2 ab. Analog greift die Sicherheitsschaltung 6 über die Leitung 14 und eine Leitung 15 die Spannung der Zelle 3 ab, über die Leitung 15 und eine Leitung 16 die Spannung der Zelle 4 ab und über die Leitung 16 und eine Leitung 17 die Spannung der Zelle 5 ab. Über die Leitung 13 und 17, die mit dem Pluspol (+) bzw. dem Minuspol (-) der Batterie verbunden sind, kann die Spannung der Batterie 1 direkt abgegriffen werden. Ein Shunt-Widerstand 18 ist vorgesehen, damit die Sicherheitsschal tung 6 über die Leitung 17 und eine Leitung 19, die mit den bei den Enden des Widerstands 18 verbunden sind, den bei der Ladung und/oder Entladung fließenden Strom messen kann. In Serie zu der Batterie 1 sind zwei Feldeffekttransistoren 20, 21 vorgesehen. Der Feldeffekttransistor 20 ist ein Entladungstransistor, d. h. durch die Ansteuerung seiner Gate-Elektrode kann ein Strom beim Entladen unterbrochen und dadurch gesteuert werden. Der Feld effekttransistor 21 ist ein Ladungstransistor, d. h. durch An steuern seiner Gate-Elektrode kann ein Ladestrom unterbrochen werden. Aus der Bauart der MOS-FET-Transistoren 20, 21, denen man eine (nichteingezeichnete) Diode parallel geschaltet hinzudenken kann, wird somit ein bipolarer Schalter realisiert. Selbstver ständlich könnte auch ein einziges bipolar schaltendes Schalt element anstelle der Transistoren 20, 21 verwendet werden. Die Steuerschaltung 6 steuert den Transistor 20 über eine Leitung 22, über die die Steuerschaltung 6 mit der Gate-Elektrode des Transistors 20 verbunden ist. Ähnlich steuert die Steuerschal tung 6 den Transistor 21 über eine Leitung 23, die die Steuer schaltung 6 mit der Gate-Elektrode des Transistors 21 verbindet, an. Die Sicherheitsschaltung 7 ist zur Ansteuerung der Transi storen 20, 21 über Leitungen 24 bzw. 25 mit deren Gate-Elektroden verbunden. Somit können die Steuerschaltung 6 und die Sicher heitsschaltung 7 durch geeignetes Ansteuern der Transistoren 20, 21 den Ladevorgang und/oder den Entladevorgang unterbrechen. Die Leitung (bzw. der Leitungsabschnitt) 23, die zur Ansteuerung der Gate-Elektrode des Transistors 21 von der Steuerschaltung 6 verwendet wird, ist mit der Leitung (bzw. dem Leitungsabschnitt) 25 verbunden, so daß die Leitungen 23, 25 nicht nur zur Ansteuer ung des die Ladung unterbrechenden Transistors 21 verwendet wer den können, sondern auch zum Datenaustausch zwischen der Steuer schaltung 6 und der Sicherheitsschaltung 7. Die Sicherheits schaltung 7 weist Leitungen 33, 34 auf, die mit den beiden Polen der Zelle 2 der Batterie 1 verbunden sind, und über die die Spannung der Zelle 2 abgegriffen werden kann. Über die Leitung 34 und eine Leitung 35 kann die Spannung der Zelle 3 abgegriffen werden. Ähnlich kann über die Leitung 35 und einer Leitung 36 die Spannung an der Zelle 4 und über die Leitung 36 an einer Leitung 37 die Spannung an der Zelle 5 abgegriffen werden.

Wie man am besten der Fig. 2 entnimmt weist die Sicherheits schaltung 7 vier Feldeffekttransistoren 42, 43, 44, 45 auf, die den Zellen 2, 3, 4 bzw. 5 parallel geschaltet sind. Der Transistor 42 ist über die Leitungen 33, 34 mit den Polen der Zelle 2, der Transistor 43 über die Leitungen 34, 35 mit den Polen der Zelle 3, der Transistor 44 über die Leitungen 35, 36 mit den Polen der Zelle 4 und der Transistor 45 über die Leitungen 36, 37 mit den Polen der Zelle 5 verbunden. Ein Operationsverstärker 52 ist über die Leitungen 33, 34 mit den Polen der Zelle 2 verbunden, um deren Spannung zu messen. Ein Operationsverstärker 53 ist über die Leitungen 34, 35 mit den Polen der Zelle 3 verbunden, um deren Spannung zu messen. Ein Operationsverstärker 54 ist über die Leitungen 35, 36 mit den Polen der Zelle 4 verbunden, um deren Spannung zu messen. Ein Operationsverstärker 55 ist über die Leitungen 36, 37 mit den Polen der Zelle 5 verbunden, um deren Spannung zu messen. Ein Operationsverstärker 56 ist über die Leitung 37 und eine Leitung 38 mit dem Shunt-Widerstand 18 verbunden, um den bei der Ladung und/oder Entladung fließenden Strom zu messen. Die Ausgänge der Operationsverstärker 52, 53, 54, 55, 56 sind mit einer Auswerteelektronik 60 verbunden. Zum Vergleich der Zellenspannungen mit vorgegebenen Referenzspann ungen weist die Sicherheitsschaltung eine Referenzspannungs quelle 61 auf, die mit der Auswerteschaltung 60 verbunden ist. Zur Ansteuerung der Transistoren 42, 43, 44, 45 sind die Transi storen 42, 43, 44, 45 über Leitungen 62, 63, 64 bzw. 65 mit einem 4-Bit-Zähler (oder einem Schieberegister) 66 verbunden, der mit der Auswerteelektronik 60 verbunden ist. Um bei dem Pin bzw. An schluß der Sicherheitsschaltung 7, der über die Leitungen 25 und 23 mit der Steuerschaltung 6 in Verbindung steht, einen Polari tätskonflikt zu vermeiden ist eine Kurzschlußschutzschaltung 67, die insbesondere einen Vorwiderstand aufweisen kann, in der Sicherheitsschaltung 7, an dem Ausgang zur Leitung 25 vorgese hen.

Den Kern der vorliegenden Erfindung bilden die den Zellen 2, 3, 4, 5 parallel geschalteten einzeln ansteuerbaren Transistoren 42, 43, 44 bzw. 45, durch durch deren Ansteuerung ein Ladungs ausgleich der Zellen 2, 3, 4, 5 herbeigeführt werden kann. Ferner kann durch deren Ansteuerung, wenn der Strom an den Zellen 2, 3, 4, 5 ohne einen Kurzschluß, also durch ein Strombegrenzungs element wie z. B. einen Widerstand in Serie zu einem Transistor, der Zellen vorbeigeleitet wird (vgl. Fig. 4), eine defekte Zelle aus der Batterie "entfernt" werden.

Im folgenden wird mit beispielhaften Zahlenwerten der Betrieb bzw. die Funktion der Steuerschaltung 6 und der Sicherheits schaltung 7 näher beschrieben.

Die Steuerschaltung 6 mißt die einzelnen Zellenspannungen und gibt über die Leitung 11 ein Signal an die Ladevorrichtung 8, um eine optimale Ladespannung bzw. einen optimalen Ladestrom ein zustellen. Dazu kann die Steuerschaltung 6 einen Speicher auf weisen, in der batterietyp- bzw. batterieexemplarspezifische Daten gespeichert sind. Ferner kann die Steuerschaltung 6 auch die Geschichte der einzelnen Zellen (Beeinträchtigung der Chemie durch z. B. eine einmalige Überladung) speichern. Die Steuerschaltung 6 sendet einen Alarm zu der Ladevorrichtung 8, falls die von einem (nicht gezeigten) Temperatursensor ange zeigte Temperatur der Batterie 1 einen vorgegebenen Wert über steigt. Ferner überträgt die Steuerschaltung 6 einen Alarm an die Ladevorrichtung 8, wenn die gemessene Zellenspannung inner halb bestimmter Bereiche liegt. Falls zum Laden eine Spannung von z. B. 4,15 Volt mal die Anzahl der Zellen und ein Strom von 1C vorgesehen ist, wird von der Steuerschaltung 6 ein Alarm an die Ladevorrichtung 8 übertragen, wenn irgendeine Zellenspannung in dem Bereich von 4,25 Volt und 4,30 Volt ist, wobei dieser Alarm die Ladespannung in 50 mV/Zelle-Schritten verringert, bis die Warnung nicht mehr auftritt. Falls irgendeine Zellenspannung zwischen 4,30 Volt und 4,35 Volt liegt, sendet die Steuerschal tung 6 einen Alarm an die Ladevorrichtung 8, die Ladung zu unterbrechen und den Ladestrom abzuschalten. Falls irgendeine Zellenspannung größer als 4,35 Volt ist, wird der Sicherheits ausgang der Steuerschaltung 6 angeschaltet, d. h. über die Lei tung 23 wird der Transistor 21 angesteuert, bis alle Zellen spannungen unter 4,1 Volt gesunken sind. Über die Leitungen 23 und 25 steht die Steuerschaltung 6 mit der Sicherheitsschaltung 7 in Verbindung, und zwar zum Übertragen von digitaler Informa tion um zu bestimmen, welcher der Umleitungstransistoren 42, 43, 44, 45 angeschaltet wird. Das Protokoll dieser Nachricht ist ein "return-to-one" 4-Bit-Datum, das in der Sicherheitsschaltung gespeichert wird, um die Umleitungstransistoren 42, 43, 44, 45 zu steuern. Der Zellenladungsausgleichsalgorithmus ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in der Steuerschaltung 6 im plementiert. Dieser Algorithmus kann aber auch zusätzlich (aus Redundanzgründen) oder lediglich in der Sicherheitsschaltung 7 implementiert sein.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform für einen oder mehrere der Umleitungstransistoren 42, 43, 44, 45. Die Zellen 2, 3, 4, 5 dürfen aus Sicherheitsgründen nicht kurzgeschlossen werden. Daher kann man die Transistoren 42, 43, 44, 45 nicht lediglich durch Schalter ersetzen, sondern beispielsweise (exemplarisch bei der Zelle 2) durch eine Kombination von einem Schalter 70 mit einem Strombegrenzungselement, das durch einen seriellen Widerstand 71 dargestellt ist. Bei den Umleitungstransistoren 42, 43, 44, 45 ergibt sich das Strombegrenzungselement aus dem inneren Widerstand der Transistoren (über die source-drain-Strecke).

In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform der Beschaltung von einer oder mehreren der Zellen 2, 3, 4, 5 gezeigt. Beispiels weise ist ein Transistor 42 (analog Fig. 2) parallel zu der Zelle 2 geschaltet. Für den Fall, in dem der oben erwähnte Innenwiderstand des Transistors 42 zu klein ist, oder für den Fall, daß die Zelle 2 vollständig aus der Reihenschaltung der Zellen 2, 3, 4, 5 der Batterie 1 "entfernt" werden muß, z. B. wenn die Zelle 2 defekt ist, ist in Reihe zu der Zelle 2 (zwischen der Zelle 2 und der Zelle 3) ein weiterer Transistor 72 vor gesehen. Durch Ansteuerung ("Öffnen") des Transistors 72 kann ein Kurzschluß der Zelle 2 verhindert werden und ebenfalls kann die Zelle 2 in dem Fall eines Defekts aus der Batterie 1 ent fernt werden, da der Pluspol (+) der Batterie 1 über die Leitung 73 (bei "geschlossenem" Transistor 42) direkt mit dem Pluspol der Zelle 3 in Verbindung steht. Auf diese Weise wird eine Über brückung einer defekten Zelle realisiert.

Fig. 5 ist eine schematische (vereinfachte) Wiedergabe der Fig. 2, wobei eine Spule 74 in Reihe zu dem Transistor 21 geschaltet ist. Dadurch kann die Kombination aus Transistor 21 und Spule 74 als ein Schaltnetzteil zum Laden der Batterie 1 verwendet wer den, wodurch in der Batterie 1 eine Laderegelung integriert ist. Eine Diode 75 ist parallel zu der Spule 74 und der Batterie 1 vorgesehen, damit die in der Spule 74 gespeicherte Energie beim Unterbrechen des Ladevorgangs durch den Transistor 21 abfließen kann. Die in Fig. 1 dargestellte externe Ladevorrichtung 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel also überflüssig. Ferner können weitere in der Technik bekannte Bauteile zur Realisation eines Schaltregelung in der Schaltung der Fig. 5 integriert sein. Beim Entladen stellt die Spule 74 ein Strombegrenzungselement dar. Statt dessen könnte beim Entladen die Spule 74 durch Ansteuerung von (nicht dargestellten) Schaltern kurzgeschlossen werden.

Ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Ladungsausgleichs algorithmus wird unter Bezugnahme auf die Fig. 8 beschrieben.

Die Sicherheitsschaltung 7 vergleicht unter Verwendung der Kom paratoren 52, 53, 54, 55 jede Zellenspannung mit einer vorgegebenen oberen und unteren Schwellenspannung. Falls irgendeine Zellen spannung größer als 4,35 Volt ist, wird der Feldeffekttransistor 21 ausgeschaltet, bis jede Zellenspannung unter 4,1 Volt ge fallen ist. Falls irgendeine Zellenspannung kleiner als 2,5 Volt ist, wird der Feldeffekttransistor 20 ausgeschaltet bis alle Zellenspannungen über 2,7 Volt gestiegen sind. Der Transistor 21 wird sowohl von der Steuerschaltung 6 als auch von der Sicher heitsschaltung 7 gesteuert. Der Ausgang der Steuerschaltung 6, an dem die Leitung 23 angeschlossen ist, ist ein "open-drain"-Ausgang, um eine ODER-Verbindung mit dem Ausgang der Sicher heitsschaltung 7, an dem die Leitung 25 angeschlossen ist, sicherzustellen, um die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 21 anzusteuern. Ferner ist eine Temperaturmessung in der Sicher heitsschaltung 7 implementiert, um die Feldeffekttransistoren in dem Fall eines hohen Temperaturanstiegs auf dem Chip, z. B. auf 100°C, abzuschalten. Der Ausgang der Sicherheitsschaltung 7, an dem die Leitung 25 angeschlossen ist, ist ein bidirektionaler Eingang/Ausgang-Anschluß. Als ein Ausgang schaltet er den Feld effekttransistor 21 aus, falls irgendeine Zellenspannung größer als 4,35 Volt ist und als ein Eingang empfängt er das Protokoll von der Steuerschaltung 6, um die vier Umleitungstransistoren zu steuern, die die Zellen mit einem Strom von 10 mA entladen. Über die Leitung 25 können weitere identische oder abgewandelte Sicherheitsschaltungen 7 oder eine weitere Steuerschaltung 6 in das Batterieüberwachungssystem integriert werden. Die Lade vorrichtung 8 legt einen balancierenden bzw. ausgleichenden Ladestrom von z. B. 10 mA an, falls beim Laden eine Zelle das Ladeendekriterium erfüllt hat.

In Fig. 6 ist der 2-Modenbetrieb der Sicherheitsschaltung 7 dar gestellt. Nach dem Einschalten im Schritt 100 wird die Sicher heitsüberprüfungsbetriebsart im Schritt 150, die unter Bezug nahme auf die Fig. 7 im folgenden näher erläutert wird, durchge führt. Anschließend führt die Sicherheitsschaltung 7 die (La dungs-)Ausgleichsbetriebsart im Schritt 200, die unter Bezug nahme auf die Fig. 8 näher beschrieben wird, durch. Nach dem Durchlaufen des Ausgleichsbetriebs im Schritt 200 führt das System zyklisch eine Schleife durch und kehrt zum Schritt 150 zurück.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 wird der Sicherheitsüberprüf ungsbetrieb näher beschrieben. Im Schritt 151 wird festgestellt, ob irgendeine Zellenspannung kleiner 2,70 Volt ist. Falls das Ergebnis des Vergleichs JA ist, wird im Schritt 152 der Feld effekttransistor 20 geöffnet, d. h. eine weitere Entladung der Batterie 1 wird verhindert und das System schreitet zum Schritt 200 fort. Falls das Ergebnis im Schritt 151 NEIN ist, schreitet der Ablauf zum Schritt 153 fort. Im Schritt 153 wird festge stellt, ob alle Zellenspannungen größer 3,00 Volt sind. Falls das Ergebnis dieses Vergleiches JA ist, wird der Feldeffekt transistor 20 im Schritt 154 geschlossen und das System schrei tet zum Schritt 200 fort. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 153 NEIN ist, schreitet der Ablauf zum Schritt 155 fort. Im Schritt 155 wird festgestellt, ob irgendeine Zellenspannung größer 4,35 Volt ist. Falls das Ergebnis des Vergleichs JA ist wird im Schritt 156 der Feldeffekttransistor 21 geöffnet und der Ablauf schreitet zum Schritt 200 fort. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 155 NEIN ist schreitet der Ablauf zum Schritt 157 fort. Im Schritt 157 wird verglichen, ob der Abso lutbetrag des Ladestroms größer als ein vorgegebener Maximal strom ist. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 157 JA ist wird im Schritt 158 der Feldeffekttransistor 21 geöffnet und der Ablauf schreitet zum Schritt 200 fort. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 157 NEIN ist schreitet der Ablauf zum Schritt 159 fort. Im Schritt 159 wird festgestellt, ob alle Zellenspannungen kleiner 4,25 Volt sind. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 159 JA ist, wird im Schritt 160 der Feld effekttransistor 21 geschlossen. Falls das Ergebnis des Ver gleichs im Schritt 159 NEIN ist schreitet der Ablauf zum Schritt 200 fort.

Ein Ausführungsbeispiel des Ladungsausgleichsalgorithmus, der in der Steuerschaltung 6 implementiert ist, könnte folgende Kri terien verwenden:

- falls während der Ladung keine der Zellen das Ladeendekriterium erreicht hat (die Zellenspannung ist kleiner als 4,25 Volt und der Ladestrom ist größer als C/10) wird die Steuerschaltung 6 ein Protokoll an die Sicherheitsschaltung 7 übertragen, um den Umleitungstransistor über die Zelle mit der höchsten Spannung anzuschalten, wodurch diese Zelle mit weniger Strom als die an deren geladen wird
- falls eine oder mehrere Zellen das Ladeendekriterium erreicht hat bzw. haben, wird die Steuerschaltung 6 ein Signal an die Ladevorrichtung 8 übertragen, um den Strom auf einen sehr ge ringen Pegel von ungefähr 10 mA zu verringern und ebenfalls ein Signal an die Sicherheitsschaltung 7 übertragen, um den/die Umgehungstransistor(en) über diese Zellen anzuschalten, um eine Überladung zu vermeiden. Dieser Betrieb fährt fort bis alle Zellen das Ladeendekriterium erreicht haben. Danach werden alle Umleitungstransistoren ausgeschaltet.

Eine Variante dieses Algorithmus wird im folgenden unter Bezug nahme auf die Fig. 8 beschrieben.

Im Schritt 201 wird durch eine (grobe) Strommessung am Shunt-Widerstand 18 festgestellt ob der Ladestrom kleiner als 1A ist. Falls das Ergebnis des Schritts 201 JA ist wird im Schritt 202 überprüft, ob eine Ladespannung angelegt ist. Falls das Er gebnis des Vergleichs im Schritt 202 NEIN ist werden im Schritt 203 alle Umleitungstransistoren zurückgesetzt und der Ablauf schreitet zum Schritt 150 fort. Falls das Ergebnis des Ver gleichs im Schritt 202 JA ist, das heißt tatsächlich eine Lade spannung angelegt wird oder falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 202 NEIN ist, d. h. im Fall eines hohen Ladestroms, wird im Schritt 204 festgestellt, ob irgendeine Zellenspannung größer 4,20 Volt ist. Falls das Ergebnis des Vergleichs JA ist, werden im Schritt 205 alle diese Zellen, deren Zellenspannung größer als 4,20 Volt sind, im Schritt 205 umgangen, d. h. die entsprech enden Umleitungstransistoren angesteuert. Dann schreitet der Ablauf zum Schritt 150 fort. Falls das Ergebnis des Vergleichs im Schritt 204 NEIN ist, wird im Schritt 206 der Strom um die Zelle mit der höchsten Spannung umgeleitet. Dann schreitet der Ablauf zum Schritt 150 fort.

Die Erfindung wurde oben in Zusammenhang mit bevorzugten Aus führungsbeispielen derselben beschrieben. Es ist offensichtlich, daß für einen Fachmann zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke ver lassen wird. Beispielsweise wurde ein Algorithmus zum Ausglei chen der Ladungen der einzelnen Zellen im Zusammenhang mit der Ladung der Batterie beschrieben. Es ist ebenfalls beabsichtigt, daß ein derartiger Algorithmus auch bei der Entladung verwendet werden kann. Die Steuerschaltung 6 und die Sicherheitsschaltung 7 wurden als integrierte Schaltungen beschrieben. Diese Schal tungen könnten aber auch nicht integrierte Schaltungen sein und die einzelnen Elemente, beispielsweise die Umleitungstransi storen 42-45, könnten beispielsweise in der Steuerschaltung 6 oder außerhalb der Schaltungen 6, 7 angeordnet sein. Ferner können Vergleiche von Spannungen untereinander anstelle von Ver gleichen von Spannungen mit absoluten Referenzwerten eingesetzt werden. Zudem sei bemerkt, daß in der obigen Beschreibung die Umleitungstransistoren 42-45 als echte Schalter angenommen wurden, diese aber auch lediglich einen verändernden bzw. redu zierenden Effekt auf den durch die Zellen 2-5 fließenden Strom haben können. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ergibt sich in Zusammenhang mit Batterienarten bzw. -typen, die in Verbindung mit Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Claims

1. Überwachungssystem für eine Batterie (1), die wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) aufweist, gekennzeichnet durch wenig stens zwei Schalter (42, 43, 44, 45), die zu je einer Zelle (2, 3, 4, 5) parallel geschaltet sind.

2. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schalter (42, 43, 44, 45) Halbleiter schaltelemente sind.

3. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schalter (42, 43, 44, 45) MOSFET-Feld effekttransistoren sind.

4. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System Strom begrenzungselemente aufweist, die bei geöffneten Schaltern einen Kurzschluß der Zellen (2, 3, 4, 5) verhindern.

5. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungs elemente Widerstände (71) sind.

6. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (1) wie deraufladbar ist.

7. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (1) eine LiION-Batterie ist.

8. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) in Reihe geschaltet sind.

9. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Steuer schaltung (6) aufweist, die die Spannungen der wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) mißt.

10. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Steuer schaltung (6) aufweist, die die Spannungen der wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) untereinander oder mit vorgegebenen Re ferenzwerten vergleicht.

11. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6) ansprechend auf die Messung der Zellenspannungen und/oder des Vergleichs Signale zur Betätigung wenigstens eines der Schalter (42, 43, 44, 45), erzeugt und überträgt.

12. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das System eine Ladevorrichtung (8) auf weist.

13. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6) ansprechend auf die Messung der Zellenspannungen und/oder des Vergleichs die Lade spannung und/oder den Ladestrom steuert.

14. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System wenigstens eine Sicherheitsschaltung (7) aufweist, die die Zellen spannungen abgreift und diese mit vorbestimmten minimalen und/oder maximalen Referenzwerten vergleicht.

15. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sicherheitsschaltung (8) die wenigstens zwei Schalter (42, 43, 44, 45) aufweist.

16. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 14 oder 15, da durch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsschaltung wenigstens einen Komparator (52, 53, 54, 55) und wenigstens eine Refe renzspannungsquelle (61) aufweist.

17. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System einen se riellen Schalter (20, 21), aufweist, der in Reihe zu der Batterie (1) geschaltet ist.

18. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Leitung (23, 25) aufweist, über die die Steuerschaltung (6) und die Sicherheitsschaltung (7) miteinander verbunden sind, und über die die Steuerschal tung (6) oder die Sicherheitsschaltung (7) den seriellen Schalter (20, 21) betätigen.

19. Batterieüberwachungssysteme Anspruch 11 und 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Betätigungssignale von der Steuerschal tung (6) zu der Sicherheitsschaltung (7) über die Leitung (23, 25) übertragen werden.

20. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6), die Ladevorrichtung (8) und/oder die Sicherheitsschaltung (7) integrierte Schaltungen sind.

21. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (6) und/oder die Sicherheitsschaltung (7) von der Batterie oder einen externen Spannungsquelle versorgt werden.

22. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System in der Batterie (1) integriert ist.

23. Verfahren zum Überwachen einer Batterie (1), die wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) aufweist, wobei das Verfahren fol gende Schritte aufweist:

a) Vergleichen der Spannungen der Zellen (2, 3, 4, 5), und
b) Ausgleichen des Ladezustands der Zellen (2, 3, 4, 5).

24. Verfahren zum Überwachen einer Batterie (1), die wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) aufweist, wobei das Verfahren fol gende Schritte aufweist:

a) Vergleichen der Spannungen der Zellen (2, 3, 4, 5), und
b) Umleiten des Stromes um wenigstens eine der Zellen (2, 3, 4, 5) bzw. Überbrücken wenigstens einer der Zellen (2, 3, 4, 5).

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß den wenigstens zwei Zellen (2, 3, 4, 5) wenigstens zwei Schalter (42, 43, 44, 45) zu je einer Zelle (2, 3, 4, 5) pa rallel geschaltet sind, wobei durch Schließen wenigstens eines Schalters (42, 43, 44, 45) während des Ladens und/oder Ent ladens der Batterie (1) der Ladezustand der Zellen (2, 3, 4, 5) ausgeglichen wird oder der Strom umgeleitet bzw. die Zelle überbrückt wird, wobei insbesondere ein mit der wenigstens einen Zelle in Serie verbundener Schalter (72) geöffnet wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-25, dadurch ge kennzeichnet, daß in Schritt a) die Spannungen untereinander und/oder mit wenigstens einer vorgegebenen Referenzspannung verglichen werden.

27. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß beim Entladen der Batterie (1) alle Schalter (42, 43, 44, 45) geöffnet werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-27, dadurch ge kennzeichnet, daß in Schritt b) während des Ladens der Schal ter (42, 43, 44, 45) parallel zu der Zelle (2, 3, 4, 5) mit dem höchsten Ladezustand und/oder oberhalb einer vorbestimmten Referenzspannung geschlossen wird bzw. die Zelle (2, 3, 4, 5) mit dem höchsten Ladezustand und/oder oberhalb einer vor bestimmten Referenzspannung überbrückt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-28, dadurch ge kennzeichnet, daß in Schritt b) während des Entladens der Schalter (42, 43, 44, 45) parallel zu der Zelle (2, 3, 4, 5) mit dem niedrigsten Ladezustand und/oder unterhalb einer vorbestimmten Referenzspannung geschlossen wird bzw. die Zelle (2, 3, 4, 5) mit dem niedrigsten Ladezustand und/oder unter halb einer vorbestimmten Referenzspannung überbrückt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-29, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:

c) Vergleichen der Spannungen der Zellen (2, 3, 4, 5) mit wenigstens einem vorbestimmten minimalen und/oder maximalen Referenzwert; und
d) Unterbrechen der Ladung und/oder Entladung, falls der Vergleich in Schritt c) ergibt, daß wenigstens eine der Zellenspannungen über dem maximalen oder unter dem minimalen Referenzwert ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-30, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verfahren folgenden Schritt aufweist:

e) Unterbrechen der Ladung oder der Entladung, falls der Lade strom oder der Entladestrom einen vorbestimmten maximalen Re ferenzwert übersteigt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis e) zyklisch durchgeführt werden.

33. Überwachungssystem für eine Batterie (1), wobei das System wenigstens einen seriellen Schalter (20, 21, 74) aufweist, der in Reihe zu der Batterie (1) geschaltet ist, und wobei wenig stens zwei Schaltungsanordnungen (6, 7) zur Steuerung des La dens und/oder Entladens oder zur Batterieüberwachung vor gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Ver bindung der Schaltungsanordnungen (6, 7) eine Leitung (23, 25) aufweist, wobei der serielle Schalter (20, 21, 74) über die Leitung (23, 25) von wenigstens einer der Schaltungsanord nungen (6, 7) ansteuerbar ist.

34. Überwachungssystem für eine Batterie (1), dadurch gekenn zeichnet, daß der serielle Schalter die Ladung der Batterie (1) steuert.

35. Überwachungssystem nach Anspruch 33 oder 34, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schaltungsanordnungen (6, 7) integrierte Schaltungen sind.

36. Batterie (1), die einen die Ladung steuernden Schalter (21) aufweist, wobei dem Schalter (21) eine Spule in Reihe geschal tet ist.

37. Batterie (1) nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Batterie (1) und der Spule (74) parallel geschaltete Diode (75) vorgesehen ist.