EP2572429A2 - Batterie-balancing mit reduziertem schaltungsaufwand - Google Patents

Batterie-balancing mit reduziertem schaltungsaufwand

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EP2572429A2
EP2572429A2 EP11721015A EP11721015A EP2572429A2 EP 2572429 A2 EP2572429 A2 EP 2572429A2 EP 11721015 A EP11721015 A EP 11721015A EP 11721015 A EP11721015 A EP 11721015A EP 2572429 A2 EP2572429 A2 EP 2572429A2
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EP
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battery
terminal
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battery cells
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EP11721015A
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Werner Schiemann
Stefan Butzmann
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Robert Bosch GmbH
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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Abstract

Es wird eine Schaltung für eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche eine Anzahl n von zwischen ein positives Batterieterminal (12) und ein negatives Batterieterminal (13) in Serie geschalteten Batteriezellen (10-1,..., 10-n) umfasst. Die Anzahl n ist eine natürliche Zahl größer 1. Durch die Serienschaltung der n Batteriezellen (10-1,..., 10-n) ergibt sich eine Anzahl von (n-1) Verbindungspunkten (11 -1,..., 11 -n-1 ) zwischen den n Batteriezellen (10-1,..., 10-n). Die Schaltung umfasst ein Entladeelement (30), das einen mit einer ersten Entladeleitung (14-1) verbundenen oder verbindbaren ersten Anschluss und einen mit einer zweiten Entladeleitung (14-2) verbundenen oder verbindbaren zweiten Anschluss aufweist. Erfindungsgemäß besitzt die Schaltung eine Anzahl von (n+1) Schaltern (20-1,..., 20-n+1 ), die an einem ersten Anschluss mit jeweils einem der (n-1) Verbindungspunkte (11-1,..., 11-n-1 ) beziehungsweise einem von positivem und negativem Batterieterminal (12; 13) verbindbar und an einem zweiten Anschluss mit einer der ersten oder zweiten Entladeleitung (14-1; 14-2) verbunden sind. Auf diese Weise sind ein positiver Pol einer jeweiligen Batteriezelle (10-1,..., 10-n) über einen der Schalter (20-1,..., 20-n+1 ) mit einer jeweils ausgewählten der ersten oder der zweiten Entladeleitung (14-1; 14-2) und ein negativer Pol der jeweiligen Batteriezelle (10-1,..., 10-n) über einen der Schalter (20-1,..., 20-n+1) mit einer verbleibenden der ersten oder der zweiten Entladeleitung (14-1; 14-2) verbindbar. Ferner wird eine Batterie mit einer solchen Schaltung vorgeschlagen.

Description

Beschreibung Titel
Batterie-Balancing mit reduziertem Schaltungsaufwand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für eine Batterie, welche bei reduziertem Schaltungsaufwand Cell-Balancing ermöglicht. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie mit einer solchen Schaltung und ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer solchen Batterie.
Stand der Technik
In gängigen Batterien werden eine Vielzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, um eine für die jeweilige Anwendung ausreichend hohe Ausgangsspannung zu erreichen. Die Serienschaltung der Batteriezellen bedingt, dass ein
Ausgangsstrom der Batterie in allen Batteriezellen fließt.
Bedingt durch chemische Prozesse während der Lade- und Entladevorgänge der Batterie altern die Batteriezellen. Altert eine Batteriezelle beispielsweise aufgrund minimaler Abweichungen bei der Dimensionierung oder chemischen
Zusammensetzung oder der im Betrieb erfahrenen Temperatureinwirkung schneller als die anderen, steigt ihr Innenwiderstand, was schließlich zu einer Spannungsumkehr und einem Ausfall der Batteriezelle führen kann. Fällt jedoch eine Batteriezelle aus, fällt wegen der Serienschaltung der Batteriezellen auch die gesamte Batterie aus.
Es ist daher vorteilhaft, eine möglichst angepasste Ladung und Entladung der Batteriezellen sicherzustellen, so dass alle Batteriezellen auch gleichmäßig altern. Hierzu ist es bekannt, ein so genanntes Cell-Balancing durchzuführen, bei dem einer Batteriezelle mit einem höheren Energieinhalt als eine andere
Batteriezelle gezielt Ladung entnommen wird. Fig. 1 zeigt eine übliche Batterie, welche ein solches Cell-Balancing ermöglicht. Den n Batteriezellen 10-1 bis 10-n kann über jeweils einen Schalter 20-1 bis 20-n ein Widerstand 30-1 bis 30-n parallel geschaltet werden, um eine beliebige Batteriezelle gezielt um einen gewünschten Betrag zu entladen. Beim gezeigten
Ansatz ist nachteilig, dass neben n Schaltern 20-1 bis 20-n auch n Widerstände 30-1 bis 30-n benötigt werden, welche gegebenenfalls gekühlt werden müssen, um die beim Entladen anfallende Wärme aus der Batterie abzuführen. Daher sind auch Anordnungen bekannt, bei denen ein einzelner Widerstand als Entladeelement wahlfrei mit einer beliebigen Batteriezelle 10-1 bis 10-n verbunden werden kann. So zeigen die Fig. 2 und 6 der US 2007/0090799 A1 Schalterkonfigurationen, die jedoch einen nachteilig hohen Aufwand von 2*n und mehr Schaltern aufweisen. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Schaltung für eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche eine Anzahl n von zwischen ein positives Batterieterminal und ein negatives Batterieterminal in Serie geschalteten Batteriezellen aufweist. Die Anzahl n ist eine natürliche Zahl größer 1 . Durch die Serienschaltung der n
Batteriezellen ergibt sich eine Anzahl von (n-1 ) Verbindungspunkten zwischen den n Batteriezellen. Die Schaltung umfasst ein Entladeelement, das einen mit einer ersten Entladeleitung verbundenen oder verbindbaren ersten Anschluss und einen mit einer zweiten Entladeleitung verbundenen oder verbindbaren zweiten Anschluss aufweist. Erfindungsgemäß besitzt die Schaltung eine Anzahl von (n+1 ) Schaltern, die an einem ersten Anschluss mit jeweils einem der (n-1 ) Verbindungspunkte beziehungsweise einem von positivem und negativem Batterieterminal verbindbar und an einem zweiten Anschluss mit einer der ersten oder zweiten Entladeleitung verbunden sind. Auf diese Weise sind ein positiver Pol einer jeweiligen Batteriezelle über einen der Schalter mit einer jeweils ausgewählten der ersten oder der zweiten Entladeleitung und ein negativer Pol der jeweiligen Batteriezelle über einen der Schalter mit einer verbleibenden der ersten oder der zweiten Entladeleitung verbindbar. Die Schaltung der Erfindung kann mit Batteriezellen und Batterien zu einem
Gesamtsystem kombiniert werden, welches als Batterie mit integrierter Cell- Balancing-Funktion einen zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Die Schaltung der Erfindung besitzt den Vorteil, dass ein einzelnes Entladeelement für das gezielte Entladen einer beliebigen Batteriezelle im Rahmen des Cell-Balancings verwendet werden kann, ohne dass hierfür der hohe Aufwand an Schaltern des Standes der Technik betrieben werden muss. Die Schaltung kommt bei n seriengeschalteten Batteriezellen mit lediglich n+1 Schaltern aus und erlaubt es dennoch, ein einziges Entladeelement für das Entladen einer beliebigen auswählbaren Batteriezelle der n seriengeschalteten Batteriezellen einzusetzen und wahlfrei mit dem positiven und dem negativen Pol der Batteriezelle zu verbinden.
Die Schaltung kann über eine eingangsseitig mit einer Spannungsmesseinheit und ausgangsseitig mit Steuereingängen der Schalter verbundene Steuereinheit verfügen. Die Spannungsmesseinheit ist dabei mit jeder der Batteriezellen verbindbar und ausgebildet, eine Zellspannung einer mit der
Spannungsmesseinheit verbundenen Batteriezelle zu bestimmen und an die Steuereinheit auszugeben. Die Steuereinheit ist dabei ausgebildet, eine
Batteriezelle mit einer maximalen Zellspannung der Zellspannungen der Batteriezellen zu bestimmen und die Batteriezelle mit der maximalen
Zellspannung durch Ausgeben entsprechender Steuersignale an die
Steuereingänge der Schalter mit dem Entladeelement zu verbinden.
Die Steuereinheit kann vorteilhaft beliebige bekannte Verfahren für das Cell- Balancing einsetzen. Bevorzugterweise wird dabei eine Batteriezelle mit einer maximalen Zellspannung ermittelt und für einen bestimmten Zeitraum durch
Verbinden mit dem Entladeelement entladen, um die Zellspannung an diejenigen der übrigen Batteriezellen anzugleichen.
Die Anzahl n der Batteriezellen kann eine gerade Zahl sein. Dann weisen jeweils n/2+1 Schalter einen mit der ersten Entladeleitung verbundenen zweiten
Anschluss und n/2 Schalter einen mit der zweiten Entladeleitung verbundenen zweiten Anschluss auf.
Alternativ kann die Anzahl n der Batteriezellen eine ungerade Zahl sein. In diesem Fall weisen jeweils (n+1 )/2 Schalter einen mit der ersten Entladeleitung verbundenen zweiten Anschluss und (n+1 )/2 Schalter einen mit der zweiten Entladeleitung verbundenen zweiten Anschluss auf.
Das Entladeelement kann ein resistives Element sein. Ein solches resistives Element wandelt den Strom der entladenen Batteriezelle in Wärme um, so dass der damit verbundene Energiebetrag nicht mehr für den eigentlichen Zweck der Batterie eingesetzt werden kann. Allerdings ist gegenüber beispielsweise induktiven Entladeelementen, welche Ladung von einer Batteriezelle zu einer anderen übertragen können, eine bessere elektromagnetische Verträglichkeit gegeben.
Bei der Batterie des zweiten Erfindungsaspektes sind die Batteriezellen besonders bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen eine hohe Zellspannung und ein hohes Verhältnis von gespeicherter Energie zu beanspruchtem Volumen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem
elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt. Die Batterie ist jedoch nicht auf einen solchen Einsatzzweck beschränkt, sondern kann auch in anderen elektrischen Systemen eingesetzt werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Elemente bezeichnen. Es zeigen:
Figur 1 eine Batterie mit Cell-Balancing gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer geraden Anzahl von Batteriezellen, und Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer ungeraden Anzahl von Batteriezellen.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Anzahl von n Batteriezellen 10-1 bis 10-n ist zwischen ein positives Batterieterminal 12 und ein negatives Batterieterminal 13 in Serie geschaltet, wodurch sich (n-1 )
Verbindungspunkte 1 1 -1 bis 1 1 -n-1 zwischen den n Batteriezellen 10-1 bis 10-n ergeben. Bei allen Ausführungsbeispielen stellen die Batteriezellen nicht notwendigerweise einen Teil der Erfindung selbst dar, die Erfindung ist vielmehr in deren Beschaltung verwirklicht. Auch wenn im Folgenden von einer Batterie mit Batteriezellen die Rede ist, kann lediglich die Schaltung gemeint sein, welche mit den Batteriezellen verbunden beziehungsweise zu verbinden ist und die Funktion des Cell-Balancings vorteilhaft zur Verfügung stellt. Diese Schaltung kann für sich Handelsgegenstand sein und erst zu einem späteren Zeitpunkt mit Batteriezellen verbunden werden.
Erfindungsgemäß sind für das Ausführungsbeispiel der Figur 2 mit n
Batteriezellen 10-1 bis 10-n lediglich (n+1 ) Schalter 20-1 bis 20-n+1 notwendig, um ein im Beispiel als ohmscher Widerstand ausgeführtes Entladeelement 30 mit einer beliebigen der n Batteriezellen 10-1 bis 10-n zu verbinden. Die Schalter 20-1 bis 20-n+1 sind eingangsseitig mit einem jeweils zugeordneten
Verbindungspunkt 1 1 -1 bis 1 1 -n-1 beziehungsweise dem positiven
Batterieterminal 12 oder dem negativen Batterieterminal 13 verbunden.
Ausgangsseitig sind die Schalter 20-1 bis 20-n+1 entsprechend ihrer Reihenfolge abwechselnd mit einer ersten Entladeleitung 14-1 beziehungsweise einer zweiten Entladeleitung 14-2 verbunden, welche ihrerseits mit jeweiligen Anschlüssen des Entladeelementes 30 verbunden sind. Eine Batteriezelle 10-m, wobei 0<m<n, kann mit dem Entladeelement 30 verbunden werden, indem die Schalter 20-m und 20-m+1 geschlossen und die restlichen Schalter geöffnet werden. Abhängig von m kann dabei der Schalter 20-m einen positiven Pol oder einen negativen Pol einer Batteriezelle mit der dem Schalter 20-m zugeordneten Entladeleitung 14-1 oder 14-2 verbinden, so dass sich, je nachdem welche Batteriezelle 10-1 bis 10-n entladen werden soll, aus Sicht des Entladeelementes 30 unterschiedliche
Vorzeichen der am Entladeelement 30 anliegenden Zellspannung ergeben können. Diese Tatsache ist jedoch unerheblich, weil das Entladeelement 30 keine Richtungsabhängigkeit bezüglich der durch es fließenden Ströme besitzt, was sich die Erfindung vorteilhaft zunutze macht. Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer geraden
Anzahl von Batteriezellen. Das dargestellte Beispiel zeigt vier Batteriezellen 10-1 bis 10-4, wobei sich aufgrund der Serienschaltung der Batteriezellen 10-1 bis 10-4 drei Verbindungspunkte 1 1 -1 bis 1 1 -3 ergeben. Erfindungsgemäß genügen fünf Schalter 20-1 bis 20-5, um jede der vier Batteriezellen 10-1 bis 10-4 mit dem Entladeelement 30 verbinden zu können. Die ungerade Anzahl von Schaltern
20-1 bis 20-5 teilt sich in zwei Mengen Si und S2 zu je drei und zwei Schaltern auf, wobei Si die Schalter 20-1 , 20-3 und 20-5 und S2 die Schalter 20-2 und 20-4 beinhalten. Selbstredend kann das gezeigte Ausführungsbeispiel über eine beliebige gerade Anzahl von Batteriezellen verfügen, wobei sich die ergebende ungerade Zahl von Schaltern grundsätzlich in zwei Mengen Si und S2 von
Schaltern unterteilt, die sich in ihrer jeweiligen Anzahl von Schaltern nur um 1 unterscheiden. Werden bei einer geraden Anzahl n von Batteriezellen die Schalter 20-1 bis 20-n+1 gemäß ihrer Reihenfolge vom positiven Batterieterminal 12 zum negativen Batterieterminal 13 durchnummeriert, sind die ungerade nummerierten Schalter 20-1 , 20-3, 20-n+1 mit der ersten Entladeleitung 14-1 und die gerade nummerierten Schalter 20-2, 20-4, 20-n mit der zweiten Entladeleitung 14-2 verbunden.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer ungeraden Anzahl von Batteriezellen. Wegen der ungeraden Anzahl (im gezeigten Beispiel fünf) von Batteriezellen 10-1 bis 10-5 ergibt sich eine gerade Anzahl (im gezeigten Beispiel sechs) von erfindungsgemäß benötigten Schaltern 20-1 bis 20-6. Die Schalter teilen sich in zwei Mengen Si und S2 auf, die jeweils gleich viele Schalter beinhalten. Die Anzahl der Batteriezellen kann eine beliebige ungerade Zahl sein. Werden bei einer ungeraden Anzahl n von Batteriezellen die
Schalter 20-1 bis 20-n+1 gemäß ihrer Reihenfolge vom positiven Batterieterminal 12 zum negativen Batterieterminal 13 durchnummeriert, sind die ungerade nummerierten Schalter 20-1 , 20-3, 20-n mit der ersten Entladeleitung 14-1 und die gerade nummerierten Schalter 20-2, 20-4, 20-n+1 mit der zweiten Entladeleitung 14-2 verbunden.

Claims

Ansprüche
1 . Eine Schaltung für eine Batterie mit einer Anzahl n von zwischen ein
positives Batterieterminal (12) und ein negatives Batterieterminal (13) derart in Serie geschalteten Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n), dass sich eine Anzahl von (n-1 ) Verbindungspunkten (1 1 -1 1 1 -n-1 ) zwischen den n
Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n) ergeben, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist, die Schaltung aufweisend ein Entladeelement (30), welches einen mit einer ersten Entladeleitung (14-1 ) verbundenen oder verbindbaren ersten Anschluss und einen mit einer zweiten Entladeleitung (14-2) verbundenen oder verbindbaren zweiten Anschluss aufweist, und eine Mehrzahl Schalter, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Anzahl von (n+1 ) Schaltern (20-1 20-n+1 ) vorgesehen ist, die an einem ersten Anschluss mit jeweils einem der (n-1 ) Verbindungspunkte (1 1 -1 ,..., 1 1 -n-1 ) beziehungsweise einem von positivem und negativem Batterieterminal (12; 13) verbindbar sind und an einem zweiten Anschluss mit einer der ersten oder zweiten Entladeleitung (14-1 ; 14-2) verbunden sind, wobei ein positiver Pol einer jeweiligen Batteriezelle (10-1 ,..., 10-n) über einen der Schalter (20-1 ,..., 20-n+1 ) mit einer jeweils ausgewählten der ersten oder der zweiten Entladeleitung (14-1 ; 14-2) und ein negativer Pol der jeweiligen Batteriezelle (10-1 ,..., 10-n) über einen der Schalter
(20-1 ,...,20-n+1 ) mit einer verbleibenden der ersten oder der zweiten
Entladeleitung (14-1 ; 14-2) verbindbar sind.
2. Die Schaltung gemäß Anspruch 1 , mit einer eingangsseitig mit einer
Spannungsmesseinheit und ausgangsseitig mit Steuereingängen der Schalter verbundenen Steuereinheit, wobei die Spannungsmesseinheit mit jeder der Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n) verbindbar und ausgebildet ist, eine Zellspannung einer mit der Spannungsmesseinheit verbundenen
Batteriezelle (10-1 ,..., 10-n) zu bestimmen und an die Steuereinheit auszugeben, und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Batteriezelle (10-1 ,..., 10-n) mit einer maximalen Zellspannung der Zellspannungen der Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n) zu bestimmen und die Batteriezelle
(10-1 10-n) mit der maximalen Zellspannung durch Ausgeben
entsprechender Steuersignale an die Steuereingänge der Schalter
(20-1 ,...,20-n+1 ) mit dem Entladeelement (30) zu verbinden.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der n eine gerade Zahl ist und jeweils n/2+1 Schalter (20-1 20-n+1 ) einen mit der ersten Entladeleitung (14-1 ) verbundenen zweiten Anschluss und n/2 Schalter (20-1 ,..., 20-n+1 ) einen mit der zweiten Entladeleitung (14-2) verbundenen zweiten Anschluss aufweisen.
Die Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der n eine ungerade Zahl ist und jeweils (n+1 )/2 Schalter (20-1 20-n+1 ) einen mit der ersten Entladeleitung (14-1 ) verbundenen zweiten Anschluss und (n+1 )/2 Schalter (20-1 20-n+1 ) einen mit der zweiten Entladeleitung (14-2) verbundenen zweiten Anschluss aufweisen.
Die Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Entladeelement (30) ein resistives Element ist.
Eine Batterie mit einer Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Anzahl n von zwischen das positive Batterieterminal (12) und das negative Batterieterminal (13) in Serie geschalteten
Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n).
Die Batterie von Anspruch 6, bei der die Batteriezellen (10-1 10-n) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7.
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