EP2572429A2 - Battery balancing with reduced circuit complexity - Google Patents

Battery balancing with reduced circuit complexity

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Publication number
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
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
terminal
switches
discharge line
battery cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11721015A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Werner Schiemann
Stefan Butzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH, SB LiMotive Germany GmbH, SB LiMotive Co Ltd filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2572429A2 publication Critical patent/EP2572429A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/22—Balancing the charge of battery modules
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P31/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors not provided for in groups H02P1/00 - H02P5/00, H02P7/00 or H02P21/00 - H02P29/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a circuit for a battery, which enables cell balancing with reduced circuit complexity.
  • the invention also relates to a battery with such a circuit and a motor vehicle with an electric drive motor and such a battery.
  • the battery cells Due to chemical processes during the charging and discharging processes of the battery, the battery cells age. For example, a battery cell ages due to minimal deviations in dimensioning or chemical
  • FIG. 1 shows a conventional battery which enables such cell balancing.
  • the n battery cells 10-1 to 10-n can be connected in parallel via a respective switch 20-1 to 20-n, a resistor 30-1 to 30-n to selectively discharge any battery cell by a desired amount.
  • FIGS. 2 and 6 of US 2007/0090799 A1 show switch configurations which, however, have a disadvantageously high cost of 2 * n and more switches. Disclosure of the invention
  • a circuit for a battery which has a number n of battery cells connected in series between a positive battery terminal and a negative battery terminal.
  • the number n is a natural number greater than 1.
  • Battery cells results in a number of (n-1) connection points between the n battery cells.
  • the circuit comprises a discharge element which has a first connection connected or connectable to a first discharge line and a second connection connected or connectable to a second discharge line.
  • the circuit has a number of (n + 1) switches which can be connected at a first connection to one of the (n-1) connection points or one of positive and negative battery terminals and connected to one of the first or second discharge lines at a second connection are. In this way, a positive pole of a respective battery cell via one of the switches with a respective selected one of the first or the second discharge line and a negative pole of the respective battery cell via one of the switches with a remaining one of the first or the second discharge line connectable.
  • the circuit of the invention may be combined with battery cells and batteries
  • the circuit of the invention has the advantage that a single discharge for the targeted discharge of any battery cell can be used in the context of cell balancing, without the need for this the high cost of switches of the prior art must be operated.
  • the circuit operates with n series-connected battery cells with only n + 1 switches and still allows to use a single discharge for discharging any selectable battery cell of the series-connected battery cells and optional to connect to the positive and negative pole of the battery cell.
  • the circuit can have a control unit connected on the input side to a voltage measuring unit and on the output side to control inputs of the switches.
  • the voltage measuring unit is connected to each of the battery cells and formed, a cell voltage one with the
  • Voltage measuring unit connected battery cell to determine and output to the control unit.
  • the control unit is designed, a
  • Battery cell with a maximum cell voltage to determine the cell voltages of the battery cells and the battery cell with the maximum
  • the control unit can advantageously use any known methods for cell balancing.
  • a battery cell is determined with a maximum cell voltage and for a certain period of time
  • the number n of the battery cells may be an even number. Then, each n / 2 + 1 switches have a second connected to the first discharge line
  • Terminal and n / 2 switches on a second terminal connected to the second discharge line.
  • the number n of the battery cells may be an odd number.
  • each (n + 1) / 2 switch has one with the first discharge line connected second terminal and (n + 1) / 2 switch connected to the second discharge line second terminal.
  • the discharge element may be a resistive element.
  • a resistive element converts the current of the discharged battery cell into heat, so that the associated amount of energy can no longer be used for the actual purpose of the battery.
  • inductive discharge elements which can transfer charge from one battery cell to another, there is better electromagnetic compatibility.
  • the battery cells are particularly preferably lithium-ion battery cells.
  • Lithium-ion battery cells have a high cell voltage and a high ratio of stored energy to claimed volume.
  • Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with a
  • the electric drive motor for driving the motor vehicle and connected to the electric drive motor or connectable battery according to the second aspect of the invention.
  • the battery is not limited to such use, but may be used in other electrical systems.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a second embodiment of the invention with an even number of battery cells
  • Figure 4 shows a third embodiment of the invention with an odd number of battery cells.
  • FIG 2 shows a first embodiment of the invention.
  • a number of n battery cells 10-1 to 10-n are connected in series between a positive battery terminal 12 and a negative battery terminal 13, whereby (n-1)
  • the battery cells do not necessarily constitute a part of the invention itself, rather the invention is embodied in its circuitry. Even if in the following a battery with battery cells is mentioned, only the circuit may be meant, which is connected to the battery cells or to connect and provides the function of the cell balancing advantageous. This circuit can be a trade item in its own right and can only be connected to battery cells at a later time.
  • Battery cells 10-1 to 10-n only (n + 1) switches 20-1 to 20-n + 1 necessary to a designed in the example as an ohmic resistor discharge element 30 with any of the n battery cells 10-1 to 10-n to connect.
  • the switches 20-1 to 20-n + 1 are input side with a respectively assigned
  • the switches 20-1 to 20-n + 1 are alternately connected according to their sequence to a first discharge line 14-1 and a second discharge line 14-2, which in turn are connected to respective terminals of the discharge element 30.
  • a battery cell 10-m where 0 ⁇ m ⁇ n, can be connected to the discharge element 30 by closing the switches 20-m and 20-m + 1 and opening the remaining switches.
  • the switch 20-m can connect a positive pole or a negative pole of a battery cell to the discharge line 14-1 or 14-2 assigned to the switch 20-m, so that, depending on which battery cell 10-1 to 10 -n is to be discharged, from the perspective of the discharge element 30 different
  • Figure 3 shows a second embodiment of the invention with a straight
  • the illustrated example shows four battery cells 10-1 to 10-4, wherein due to the series connection of the battery cells 10-1 to 10-4 three connection points 1 1 -1 to 1 1 -3 result. According to the invention, five switches 20-1 to 20-5 suffice to connect each of the four battery cells 10-1 to 10-4 to the discharge element 30. The odd number of switches
  • the 20-1 to 20-5 is divided into two sets Si and S 2 each of three and two switches, Si the switches 20-1, 20-3 and 20-5 and S 2, the switches 20-2 and 20- 4 include.
  • the embodiment shown can have any even number of battery cells, wherein the resulting odd number of switches basically in two sets Si and S 2 of
  • Figure 4 shows a third embodiment of the invention with an odd number of battery cells. Because of the odd number (in the example shown five) of battery cells 10-1 to 10-5 results in an even number (six in the example shown) required by the invention switches 20-1 to 20-6.
  • the switches are divided into two sets Si and S 2 , each containing the same number of switches.
  • the number of battery cells may be any odd number. Be at an odd number n of battery cells the
  • Numbered switches 20-1 to 20-n + 1 according to their order from the positive battery terminal 12 to the negative battery terminal 13 are the odd numbered switches 20-1, 20-3, 20-n with the first discharge line 14-1 and even numbered ones Switch 20-2, 20-4, 20-n + 1 connected to the second discharge line 14-2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

The invention relates to a circuit for a battery which has a number n of battery cells (10-1,..., 10-n) which are connected in series between a positive battery terminal (12) and a negative battery terminal (13). The number n is a natural number greater than 1. Due to the mounting in series of the n battery cells (10-1,..., 10-n), a number (n-1) of connection points (11 -1,..., 11 -n-1 ) are obtained between the n battery cells (10-1,..., 10-n). Said circuit comprises a discharge element (30) comprising a first terminal which is connected or can be connected to a first discharge line (14-1) and a second terminal which is connected or can be connected to a second discharge line (14-2). According to the invention, the circuit comprises a number (n+1) of switches (20-1,..., 20-n+1 ) which can be connected at a first terminal to a respective (n-1) connection point (11-1,..., 11-n-1) or to one of the positive or negative battery terminals (12; 13) and are connected at a second terminal to the first or second discharge line (14-1; 14-2). A positive pole of a respective battery cell (10-1,..., 10-n) can thus be selectively connected by one of the switches (20-1,..., 20-n+1 ) to the first or second discharge line (14-1; 14-2) and a negative pole of the respective battery cell (10-1,..., 10-n) can be connected by one of the switches (20-1,..., 20-n+1) to the remaining first or second discharge lines (14-1; 14-2). The invention also relates to a battery with said type of circuit.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Batterie-Balancing mit reduziertem Schaltungsaufwand  Battery balancing with reduced circuit complexity
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. The present invention relates to a circuit for a battery, which enables cell balancing with reduced circuit complexity. The invention also relates to a battery with such a circuit and a motor vehicle with an electric drive motor and such a battery.
Stand der Technik State of the art
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 In common batteries, a plurality of battery cells are connected in series in order to achieve a sufficiently high output voltage for the respective application. The series connection of the battery cells requires that a
Ausgangsstrom der Batterie in allen Batteriezellen fließt. Output current of the battery flows in all battery cells.
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 Due to chemical processes during the charging and discharging processes of the battery, the battery cells age. For example, a battery cell ages due to minimal deviations in dimensioning or chemical
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. Composition or experienced in operation temperature action faster than the others, their internal resistance increases, which can eventually lead to a voltage reversal and failure of the battery cell. If, however, a battery cell fails, the entire battery fails because of the series connection of the battery cells.
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 It is therefore advantageous to ensure the most appropriate charge and discharge of the battery cells, so that all battery cells age evenly. For this purpose, it is known to perform a so-called cell balancing, in which a battery cell with a higher energy content than another
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 gezeigtenBattery cell targeted charge is removed. Fig. 1 shows a conventional battery which enables such cell balancing. The n battery cells 10-1 to 10-n can be connected in parallel via a respective switch 20-1 to 20-n, a resistor 30-1 to 30-n to selectively discharge any battery cell by a desired amount. When shown
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 Approach is disadvantageous that in addition to n switches 20-1 to 20-n and n resistors 30-1 to 30-n are needed, which may need to be cooled in order to dissipate the heat generated during discharging from the battery. Therefore, arrangements are also known in which a single resistor as a discharge element can be optionally connected to any battery cell 10-1 to 10-n. Thus, FIGS. 2 and 6 of US 2007/0090799 A1 show switch configurations which, however, have a disadvantageously high cost of 2 * n and more switches. Disclosure of the invention
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 nAccording to the invention, therefore, a circuit for a battery is provided which has a number n of battery cells connected in series between a positive battery terminal and a negative battery terminal. The number n is a natural number greater than 1. By the series connection of 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 einemBattery cells results in a number of (n-1) connection points between the n battery cells. The circuit comprises a discharge element which has a first connection connected or connectable to a first discharge line and a second connection connected or connectable to a second discharge line. According to the invention, the circuit has a number of (n + 1) switches which can be connected at a first connection to one of the (n-1) connection points or one of positive and negative battery terminals and connected to one of the first or second discharge lines at a second connection are. In this way, a positive pole of a respective battery cell via one of the switches with a respective selected one of the first or the second discharge line and a negative pole of the respective battery cell via one of the switches with a remaining one of the first or the second discharge line connectable. The circuit of the invention may be combined with battery cells and batteries
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. System, which can be used as a battery with integrated cell Balancing function represents a second aspect of the invention. The circuit of the invention has the advantage that a single discharge for the targeted discharge of any battery cell can be used in the context of cell balancing, without the need for this the high cost of switches of the prior art must be operated. The circuit operates with n series-connected battery cells with only n + 1 switches and still allows to use a single discharge for discharging any selectable battery cell of the series-connected battery cells and optional to connect to the positive and negative pole of the battery cell.
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 The circuit can have a control unit connected on the input side to a voltage measuring unit and on the output side to control inputs of the switches. The voltage measuring unit is connected to each of the battery cells and formed, a cell voltage one with the
Spannungsmesseinheit verbundenen Batteriezelle zu bestimmen und an die Steuereinheit auszugeben. Die Steuereinheit ist dabei ausgebildet, eine  Voltage measuring unit connected battery cell to determine and output to the control unit. The control unit is designed, a
Batteriezelle mit einer maximalen Zellspannung der Zellspannungen der Batteriezellen zu bestimmen und die Batteriezelle mit der maximalen Battery cell with a maximum cell voltage to determine the cell voltages of the battery cells and the battery cell with the maximum
Zellspannung durch Ausgeben entsprechender Steuersignale an die Cell voltage by outputting appropriate control signals to the
Steuereingänge der Schalter mit dem Entladeelement zu verbinden.  Control inputs of the switch to connect to the discharge.
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 durchThe control unit can advantageously use any known methods for cell balancing. Preferably, a battery cell is determined with a maximum cell voltage and for a certain period of time
Verbinden mit dem Entladeelement entladen, um die Zellspannung an diejenigen der übrigen Batteriezellen anzugleichen. Unload connection to the discharge element to equalize the cell voltage to that of the remaining battery cells.
Die Anzahl n der Batteriezellen kann eine gerade Zahl sein. Dann weisen jeweils n/2+1 Schalter einen mit der ersten Entladeleitung verbundenen zweitenThe number n of the battery cells may be an even number. Then, each n / 2 + 1 switches have a second connected to the first discharge line
Anschluss und n/2 Schalter einen mit der zweiten Entladeleitung verbundenen zweiten Anschluss auf. Terminal and n / 2 switches on a second terminal connected to the second discharge line.
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. Alternatively, the number n of the battery cells may be an odd number. In this case, each (n + 1) / 2 switch has one with the first discharge line connected second terminal and (n + 1) / 2 switch connected to the second discharge line second terminal.
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. The discharge element may be a resistive element. Such a resistive element converts the current of the discharged battery cell into heat, so that the associated amount of energy can no longer be used for the actual purpose of the battery. However, compared to, for example, inductive discharge elements, which can transfer charge from one battery cell to another, there is better electromagnetic compatibility.
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. In the case of the battery of the second aspect of the invention, the battery cells are particularly preferably lithium-ion battery cells. Lithium-ion battery cells have a high cell voltage and a high ratio of stored energy to claimed volume.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with a
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. electric drive motor for driving the motor vehicle and connected to the electric drive motor or connectable battery according to the second aspect of the invention. However, the battery is not limited to such use, but may be used in other electrical systems.
Zeichnungen drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Elemente bezeichnen. Es zeigen: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below, wherein like reference numerals designate the same or similar elements. Show it:
Figur 1 eine Batterie mit Cell-Balancing gemäß dem Stand der Technik, 1 shows a battery with cell balancing according to the prior art,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the invention,
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. Figure 3 shows a second embodiment of the invention with an even number of battery cells, and Figure 4 shows a third embodiment of the invention with an odd number of battery cells.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
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 ) Figure 2 shows a first embodiment of the invention. A number of n battery cells 10-1 to 10-n are connected in series between a positive battery terminal 12 and a negative battery terminal 13, whereby (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. Connecting points 1 1 -1 to 1 1 -n-1 between the n battery cells 10-1 to 10-n result. In all embodiments, the battery cells do not necessarily constitute a part of the invention itself, rather the invention is embodied in its circuitry. Even if in the following a battery with battery cells is mentioned, only the circuit may be meant, which is connected to the battery cells or to connect and provides the function of the cell balancing advantageous. This circuit can be a trade item in its own right and can only be connected to battery cells at a later time.
Erfindungsgemäß sind für das Ausführungsbeispiel der Figur 2 mit n According to the invention for the embodiment of Figure 2 with 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 Battery cells 10-1 to 10-n only (n + 1) switches 20-1 to 20-n + 1 necessary to a designed in the example as an ohmic resistor discharge element 30 with any of the n battery cells 10-1 to 10-n to connect. The switches 20-1 to 20-n + 1 are input side with a respectively assigned
Verbindungspunkt 1 1 -1 bis 1 1 -n-1 beziehungsweise dem positiven Connection point 1 1 -1 to 1 1 -n-1 or the positive
Batterieterminal 12 oder dem negativen Batterieterminal 13 verbunden. Battery terminal 12 or the negative battery terminal 13 connected.
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 On the output side, the switches 20-1 to 20-n + 1 are alternately connected according to their sequence to a first discharge line 14-1 and a second discharge line 14-2, which in turn are connected to respective terminals of the discharge element 30. A battery cell 10-m, where 0 <m <n, can be connected to the discharge element 30 by closing the switches 20-m and 20-m + 1 and opening the remaining switches. Depending on m, the switch 20-m can connect a positive pole or a negative pole of a battery cell to the discharge line 14-1 or 14-2 assigned to the switch 20-m, so that, depending on which battery cell 10-1 to 10 -n is to be discharged, from the perspective of the discharge element 30 different
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 geradenSigns of the cell voltage applied to the discharge element 30 result can. However, this fact is irrelevant because the discharge element 30 has no directionality with respect to the currents flowing through it, which makes advantageous use of the invention. Figure 3 shows a second embodiment of the invention with a straight
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 SchalternNumber of battery cells. The illustrated example shows four battery cells 10-1 to 10-4, wherein due to the series connection of the battery cells 10-1 to 10-4 three connection points 1 1 -1 to 1 1 -3 result. According to the invention, five switches 20-1 to 20-5 suffice to connect each of the four battery cells 10-1 to 10-4 to the discharge element 30. The odd number of switches
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 von20-1 to 20-5 is divided into two sets Si and S 2 each of three and two switches, Si the switches 20-1, 20-3 and 20-5 and S 2, the switches 20-2 and 20- 4 include. Of course, the embodiment shown can have any even number of battery cells, wherein the resulting odd number of switches basically in two sets Si and S 2 of
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. Divided switches, which differ in their number of switches only by 1. If, with an even number n of battery cells, the switches 20-1 through 20-n + 1 are numbered according to their order from the positive battery terminal 12 to the negative battery terminal 13, the odd-numbered switches 20-1, 20-3, 20-n + 1 are numbered with the first discharge line 14-1 and the even numbered switches 20-2, 20-4, 20-n connected to the second discharge line 14-2.
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 dieFigure 4 shows a third embodiment of the invention with an odd number of battery cells. Because of the odd number (in the example shown five) of battery cells 10-1 to 10-5 results in an even number (six in the example shown) required by the invention switches 20-1 to 20-6. The switches are divided into two sets Si and S 2 , each containing the same number of switches. The number of battery cells may be any odd number. Be at an odd number n of battery cells the
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. Numbered switches 20-1 to 20-n + 1 according to their order from the positive battery terminal 12 to the negative battery terminal 13 are the odd numbered switches 20-1, 20-3, 20-n with the first discharge line 14-1 and even numbered ones Switch 20-2, 20-4, 20-n + 1 connected to the second discharge line 14-2.

Claims

Ansprüche claims
1 . Eine Schaltung für eine Batterie mit einer Anzahl n von zwischen ein 1 . A circuit for a battery with a number n of between
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  positive battery terminal (12) and a negative battery terminal (13) of series-connected battery cells (10-1, ..., 10-n) such that a number of (n-1) connection points (1 1 -1 1 1 - n-1) between the 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,  Battery cells (10-1, ..., 10-n), where n is a natural number greater than 1, the circuit comprising a discharge element (30) having a first terminal connected to a first discharge line (14-1) or connectable first terminal and a second terminal connected or connectable to a second discharge line (14-2), and a plurality of switches, characterized
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  in that a number of (n + 1) switches (20-1 20-n + 1) are provided which are connected at a first terminal to one of the (n-1) connection points (1 1 -1, ..., 1 1 -n-1) and one of the positive and negative battery terminal (12; 13) are connectable and connected at a second terminal to one of the first or second discharge line (14-1; 14-2), wherein a positive pole of a respective battery cell (10-1, ..., 10-n) via one of the switches (20-1, ..., 20-n + 1) with a respectively selected one of the first and the second discharge line (14-1, 14-2 ) and a negative pole of the respective battery cell (10-1, ..., 10-n) via one of the switches
(20-1 ,...,20-n+1 ) mit einer verbleibenden der ersten oder der zweiten  (20-1, ..., 20-n + 1) with a remaining one of the first or the second
Entladeleitung (14-1 ; 14-2) verbindbar sind.  Discharge line (14-1, 14-2) are connectable.
2. Die Schaltung gemäß Anspruch 1 , mit einer eingangsseitig mit einer 2. The circuit according to claim 1, with an input side with a
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  Voltage measuring unit and the output side connected to control inputs of the switch control unit, wherein the voltage measuring unit with each of the battery cells (10-1, ..., 10-n) is connectable and formed, a cell voltage of a connected to the voltage measuring unit
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 Battery cell (10-1, ..., 10-n) to determine and output to the control unit, and wherein the control unit is formed, a battery cell (10-1, ..., 10-n) with a maximum cell voltage of the cell voltages of the battery cells (10-1, ..., 10-n) and the battery cell
(10-1 10-n) mit der maximalen Zellspannung durch Ausgeben (10-1 10-n) with the maximum cell voltage by outputting
entsprechender Steuersignale an die Steuereingänge der Schalter corresponding control signals to the control inputs of the switch
(20-1 ,...,20-n+1 ) mit dem Entladeelement (30) zu verbinden. (20-1, ..., 20-n + 1) to connect to the discharge element (30).
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. The circuit according to one of claims 1 or 2, wherein n is an even number, and each n / 2 + 1 switch (20-1 20-n + 1) has a second terminal connected to the first discharge line (14-1), and n / 2 switches (20-1, ..., 20-n + 1) have a second terminal connected to the second discharge line (14-2).
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. The circuit according to one of claims 1 or 2, wherein n is an odd number and each (n + 1) / 2 switch (20-1 20-n + 1) has a second terminal connected to the first discharge line (14-1) and (n + 1) / 2 switches (20-1 20-n + 1) have a second terminal connected to the second discharge line (14-2).
Die Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Entladeelement (30) ein resistives Element ist. The circuit of any of the preceding claims, wherein the discharge member (30) is a resistive element.
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 A battery having a circuit according to any one of the preceding claims and a number n of series connected between the positive battery terminal (12) and the negative battery terminal (13)
Batteriezellen (10-1 ,..., 10-n). Battery cells (10-1, ..., 10-n).
Die Batterie von Anspruch 6, bei der die Batteriezellen (10-1 10-n) Lithium-Ionen-Batteriezellen sind. The battery of claim 6, wherein the battery cells (10-1 10-n) are lithium-ion battery cells.
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. A motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery connected or connectable to the electric drive motor according to one of claims 6 or 7.
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