WO2008092756A2 - Batterie mit z-dioden-spannungsbegrenzungsschaltung - Google Patents

Batterie mit z-dioden-spannungsbegrenzungsschaltung Download PDF

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Philipp Kohlrausch
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Definitions

  • the invention relates to a battery having a voltage limiting circuit for protecting the individual battery cells against overvoltage according to the preamble of patent claim 1.
  • Known batteries such. B. NiMH batteries, Li-ion batteries or DLC batteries (DLC: double-layer capacitor), consist of several series-connected single cells, each having a voltage of a few volts, z. B. 3.6 V (for Li-ion batteries) produce. The number of cells thus determines the rated voltage of the battery, the z. B. 12 V or 36 V.
  • the capacity or the internal resistance of the individual cells is different in size. These differences can increase as a result of aging processes in the life cycle of the battery system. As a result, the state of charge of cells drifts further and further apart over time. When charging the battery, stronger cells reach their maximum charging voltage earlier than weaker cells. If the battery is charged further in this state, it can lead to overcharging and thus damage to individual cells. Conversely, when discharging the battery pack, there is a risk that individual cells will discharge below their minimum permissible cell voltage upon reaching the discharge final voltage and thus also be damaged. This is particularly critical because the failure of a single cell results in the failure of the entire battery.
  • a battery with a protection circuit of Zener diodes is known, for example, from US 2005/0225291 A1.
  • individual cells are bridged by means of a Zener diode. As the voltage of the cell (s) rises above the Z voltage of the diode, the diode begins to conduct in the reverse direction, thus limiting the voltage of the cell or group.
  • Z diodes with a Z voltage of less than about 5 V have the disadvantage that they (by design) have a negative temperature response. That is, when they conduct in the reverse direction and are heated by the current, their Z voltage continues to decrease. The current flow therefore increases. This can very quickly lead to the destruction of the Zener diode.
  • Zener diodes with a Z voltage greater than about 5 V have a positive temperature response, i. h., They are at a reverse current flow high impedance and therefore protect themselves from overload. It is therefore preferred to connect a plurality of battery cells with a Zener diode in parallel, which is N times a maximum cell voltage, for. B. N times 4.3 V, as a Z voltage.
  • the circuit should also be as reliable and fail-safe as possible.
  • An essential aspect of the invention is to provide a plurality of voltage limiting devices, preferably Zener diodes, each associated with a group of a plurality of cells, and the voltage limiting devices with to interconnect the cells so that the maximum voltage of each individual cell is uniquely determined.
  • the fact that the voltage limiting devices are each assigned to a plurality of cells, they have a Z voltage of more than 5 V and thus a positive temperature response. Due to the special connection of the Z-diodes to the battery cells, it is also possible to achieve that the charging end voltage of each individual cell is uniquely determined.
  • the voltage limiting means are arranged so that two adjacent cell groups share at least one cell, i. the neighboring cell groups overlap by at least one element.
  • the voltage limiting devices preferably comprise N-1 passive, in particular Z-diodes, and two active voltage limiting devices.
  • At each connection between two cells preferably at least one voltage limiting device is connected.
  • the passive voltage limiting devices preferably comprise a Zener diode and optionally further components, such.
  • the Zener diodes are preferably each associated with a group of two or more cells.
  • the zener voltage of the zener diodes is dependent on the number M of the associated cells, preferably a M times the charging end voltage of a single cell.
  • At least one of the voltage limiting devices is implemented as a voltage regulator.
  • the voltage regulator may be, for example, a two-position regulator which includes a comparator with hysteresis and a reference voltage source, as well as a switching transistor and a power resistor. As soon as the cell voltage exceeds the value specified by the reference voltage, part of the charging current of the cell is conducted past the cell via the power resistor and the switching transistor. The amount of this current results from the cell voltage and the power resistor.
  • the voltage limiting devices can also be a resistor, preferably a PTC resistor connected in series.
  • PTC resistors have the property that the resistance also increases with increasing temperature. In the case of a breakdown of the Zener diode, the PTC resistor limits the current through the Zener diode and thus protects it from destruction.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a battery having a circuit for limiting the charging end voltage of the individual cells according to a first embodiment of the invention with N-1 Z-diodes and 2 active limiting circuits.
  • FIG. 2 shows a battery with a voltage limiting circuit according to a second embodiment of the invention, also with N-1 Z diodes and 2 active limiting circuits.
  • Fig. 3 shows a battery with a voltage limiting circuit according to a third embodiment of the invention according to Fig. 1, but without PTC resistors.
  • One possible embodiment of the voltage limiting active circuits is shown.
  • the battery 1 may in principle be any type of battery, such as. B. a NiMH or Li-ion battery act. In the present example, it is assumed that a Li-ion battery.
  • a charging voltage is applied to the battery terminals (connections +/-) which is N times the cell final voltage (eg 4.1 V). equivalent.
  • N the cell final voltage
  • the charging is completed.
  • an overcharge protection circuit comprising a plurality of Zener diodes 3 a to 3 h and two voltage limiting circuits 4 a, 4 b is provided here, which limits the cell voltage U z of the individual cells ,
  • the individual cells 2 may be charged to a maximum of 4.0V to 4.5V.
  • the following explanations relate by way of example to a final discharge voltage of 4.1 V.
  • two cells 2a to 2i are each assigned a Zener diode 3a to 3h, the Zener diodes being connected in parallel with the associated cell group.
  • the voltage regulators 4a and 4b are connected between the positive battery terminal (+) and the terminal node between the first two cells 2a, 2b, and the negative battery terminal (-) and the last cells 2h and 2i, respectively.
  • the Z-diodes 3a to 3h are also arranged so that two associated, adjacent cell groups, for. For example, [2a, 2b] and [2b, 2c], each having at least one cell 2 (eg, 2b) in common. That two neighboring cell groups [2a, 2b], [2b, 2c], [2c, 2d] ... overlap each other by at least one element.
  • the cells 2a and 2i are each regulated to the maximum voltage by means of an active voltage limiting circuit.
  • each Zener diode 3 When one of the zener diodes 3 conducts in the reverse direction, it is heated by the flow of current. To prevent this Zener diode 3 from overheating and being destroyed, Here, each Zener diode 3 is assigned a resistor 5.
  • the resistors 5 are connected in the current path of the zener diodes 3 on the anode side. Of course, a cathode-side arrangement is possible.
  • PTC positive temperature coefficient
  • the cell voltages of the individual cells 2 a to 2 h are designated by U Z i, U Z 2, U Z 3, etc.
  • the following equation system can thus be used for the first three cells 2a to 2c:
  • the charging end voltage U LE is determined depending on the (temperature-dependent) Z-voltage of the Z diodes 3a to 3h. If one of the cell voltages U z exceeds the value U LE ( eg 4.1 V), the associated Zener diode 3 becomes conductive. As a result, the cells 2 are aligned with each other, so that all cells 2 have approximately the same voltage.
  • Fig. 2 shows a battery 1 with a total of nine cells 2a to 2i and an alternative voltage limiting circuit.
  • N 9Z diodes 3a to 3i, of which five (3c to 3g) are each associated with two cells 2, two (3a to 3b) each with three cells, and one (3h) with four cells.
  • the charging end voltage is every single cell 2 in turn clearly defined.
  • the arrangement shown is just one of many possible embodiments. For reasons of simplicity and cost, it is preferred to provide as many identical Z-diodes as possible, e.g. B. N-1 identical Z-diodes, each bridging 2 cells.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a battery 1 with a total of nine cells 2a to 2i, two voltage limiting circuits and nine Zener diodes, which are each assigned two cells 2.
  • the cell groups [2a, 2b], [2b, 2c], [2c, 2d]... Are each bridged by a Zener diode.
  • the circuit is designed without PTC resistors.
  • the voltage regulators 4a and 4b are in turn connected between the positive battery terminal (+) and the terminal node between the first two cells 2a, 2b and the negative battery terminal (-) and the last cells 2h and 2i, respectively.
  • the voltage regulator 4 can z. B. be designed as a two-step controller, which include a comparator 5, a reference voltage source 6, a switching transistor 8, in particular a MOSFET, and a power resistor 9, as shown in the diagram.
  • a power supply is designated by the reference numeral 7.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterie (1 ), insbesondere eine Li-Ionen-Batterie, umfassend mehrere in Serie geschaltete Zellen (2) und mehrere Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4), die jeweils einer Gruppe aus einer oder mehreren Zellen (2) zugeordnet sind und deren Spannung begrenzen. Die Zellen (2) können wirksam vor Überspannung geschützt werden, wenn die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) so mit den Zellen (2) verschaltet sind, dass eine Maximalspannung jeder einzelnen Zelle (2) eindeutig bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Batterie mit Z-Dioden-Spannungsbegrenzungsschaltung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung zum Schutz der einzelnen Batteriezellen vor Überspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekannte Batterien, wie z. B. NiMH-Batterien, Li-Ionen-Batterien oder DLC-Batterien (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen aus mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Spannung von wenigen Volt, z. B. 3,6 V (bei Li-Ionen- Batterien) erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt damit die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 36 V betragen kann.
Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen und anderer Einflüsse (insbesondere Temperatur) ist die Kapazität bzw. der Innenwiderstand der einzelnen Zellen unterschiedlich groß. Diese Unterschiede können durch Alterungsprozesse im Lebenszyklus des Batteriesystems zunehmen. Daher driftet der Ladezustand der Zellen im Laufe der Zeit immer weiter auseinander. Beim Aufladen der Batterie erreichen stärkere Zellen ihre maximale Lade-Endspannung früher als schwächere Zellen. Wird die Batterie in diesem Zustand weiter geladen, kann es zum Überladen und somit zur Schädigung einzelner Zellen kommen. Umgekehrt besteht beim Entladen des Batteriepacks die Gefahr, dass einzelne Zellen bei Erreichen der Entlade-Endspannung unter ihre minimal zulässige Zellenspannung entladen und dadurch ebenfalls geschädigt werden. Dies ist besonders kritisch, da der Ausfall einer einzigen Zelle zum Ausfall der gesamten Batterie führt.
Um einzelne Zellen oder Zellengruppen im Ladebetrieb vor Überspannung zu schützen, ist es bekannt, die Zellen bzw. -Gruppen mit Hilfe von Z-Dioden vor Überspannung zu schützen. Eine Batterie mit einer Schutzschaltung aus Z-Dioden ist beispielsweise aus der US 2005/0225291 A1 bekannt. Darin werden einzelne Zellen mittels einer Z-Diode überbrückt. Wenn die Spannung der Zelle(n) über die Z-Spannung der Diode steigt, beginnt die Diode in Sperrrichtung zu leiten und begrenzt somit die Spannung der Zelle bzw. -gruppe.
Z-Dioden mit einer Z-Spannung von weniger als etwa 5 V haben den Nachteil, dass sie (konstruktionsbedingt) einen negativen Temperaturgang haben. Das heißt, wenn sie in Sperrrichtung leiten und durch den Strom erhitzt werden, nimmt ihre Z-Spannung weiter ab. Der Stromfluss nimmt daher zu. Dies kann sehr schnell zur Zerstörung der Z-Diode führen. Z-Dioden mit einer Z-Spannung von mehr als etwa 5 V haben dagegen einen positiven Temperaturgang, d. h., sie werden bei einem Stromfluss in Sperrrichtung hochohmiger und schützen sich daher selbst vor Überlastung. Es werden daher bevorzugt mehrere Batteriezellen mit einer Z-Diode parallel geschaltet, die ein N-faches einer maximalen Zellenspannung, z. B. N mal 4,3 V, als Z-Spannung aufweist. Die Parallelschaltung einer Z-Diode zu mehreren Zellen behebt zwar das Problem des negativen Temperaturgangs, hat jedoch den Nachteil, dass die einzelnen Zellenspannungen der Batteriezellen einer Gruppe voneinander abweichen können. Dadurch kann es wiederum zum Überladen bzw. Tiefentladen einzelner Zellen der Gruppe kommen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie mit einer Abgleichbzw. Schutzschaltung zu schaffen, mittels derer die einzelnen Zellen möglichst genau abgeglichen und ein Überladen bzw. Tiefentladen wirksam verhindert werden kann. Die Schaltung sollte außerdem möglichst zuverlässig und ausfallsicher sein.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, mehrere Spannungsbegrenzungs- einrichtungen, vorzugsweise Z-Dioden, vorzusehen, die jeweils einer Gruppe aus mehreren Zellen zugeordnet sind, und die Spannungsbegrenzungseinrichtungen so mit den Zellen zu verschalten, dass die Maximalspannung jeder einzelnen Zelle eindeutig bestimmt ist. Dadurch, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtungen jeweils mehreren Zellen zugeordnet sind, haben sie eine Z-Spannung von mehr als 5 V und somit einen positiven Temperaturgang. Durch die spezielle Verschaltung der Z-Dioden mit den Batteriezellen lässt sich außerdem erreichen, dass die Lade-Endspannung jeder einzelnen Zelle eindeutig bestimmt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Spannungs- begrenzungseinrichtungen so angeordnet, dass zwei benachbarte Zellengruppen wenigstens eine Zelle gemeinsam haben, d.h. die benachbarten Zellengruppen überlappen sich um wenigstens ein Element.
Bei einer Batterie mit einer Anzahl von N Zellen sind vorzugsweise insgesamt N+1 Spannungsbegrenzungseinrichtungen vorgesehen. Die Spannungsbegrenzungs- einrichtungen umfassen vorzugsweise N-1 passive, insbesondere Z-Dioden, und zwei aktive Spannungsbegrenzungseinrichtungen.
An jedem Anschluss zwischen zwei Zellen ist vorzugsweise mindestens eine Spannungsbegrenzungseinrichtung angeschlossen.
Die passiven Spannungsbegrenzungseinrichtungen, bzw. zumindest ein Teil davon, umfassen vorzugsweise eine Z-Diode und ggf. weitere Bauelemente, wie z. B. einen Widerstand.
Die Z-Dioden sind vorzugsweise jeweils einer Gruppe von zwei oder mehr Zellen zugeordnet. Die Zenerspannung der Z-Dioden beträgt abhängig von der Anzahl M der zugehörigen Zellen vorzugsweise ein M-faches der Lade-Endspannung einer einzelnen Zelle.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine der Spannungsbegrenzungseinrichtungen als Spannungsregler realisiert. Der Spannungsregler kann beispielsweise ein Zweipunktregler sein, der einen Komparator mit Hysterese und eine Referenzspannungsquelle, sowie einen Schalttransistor und einen Leistungswiderstand enthält. Sobald die Zellspannung den durch die Referenzspannung vorgegebenen Wert übersteigt, wird ein Teil des Ladestromes der Zelle über den Leistungswiderstand und den Schalttransistor an der Zelle vorbei geleitet. Die Höhe dieses Stromes ergibt sich aus der Zellspannung und dem Leistungswiderstand.
Im Strompfad der Spannungsbegrenzungseinrichtungen kann auch ein Widerstand, vorzugsweise ein PTC-Widerstand in Serie geschaltet sein. PTC-Widerstände haben die Eigenschaft, dass der Widerstand mit steigender Temperatur ebenfalls steigt. Im Falle eines Durchbruchs der Z-Diode begrenzt der PTC-Widerstand den Strom durch die Z- Diode und schützt diese somit vor Zerstörung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einer Schaltung zur Begrenzung der Lade-Endspannung der einzelnen Zellen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit N-1 Z-Dioden und 2 aktiven Begrenzungsschaltungen.
Fig. 2 eine Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls mit N-1 Z-Dioden und 2 aktiven Begrenzungsschaltungen;
Fig. 3 eine Batterie mit einer Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung entsprechend Fig. 1 , jedoch ohne PTC Widerstände. Eine mögliche Ausführung der aktiven Schaltungen zur Spannungsbegrenzung ist dargestellt.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Batterie 1 mit insgesamt N=9 Zellen 2a bis 2i, die jeweils eine Teilspannung von mehreren Volt erzeugen. Bei der Batterie 1 kann es sich grundsätzlich um jeden beliebigen Batterietyp, wie z. B. eine NiMH- oder eine Li-Ionen-Batterie handeln. Im vorliegenden Beispiel wird von einer Li-Ionen-Batterie ausgegangen.
Zum Laden der Batterie 1 wird an den Batterieklemmen (Anschlüsse +/-) eine Ladespannung angelegt, die dem N-fachen der Zellen-Endspannung (z.B. 4,1 V) entspricht. Wenn der Stromfluss durch die Batterie 1 einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, ist der Ladevorgang beendet. Um zu verhindern, dass eine Zellenspannung Uz im Ladebetrieb einen maximal zulässigen Wert überschreitet, ist hier eine Überlade-Schutzschaltung aus mehreren Z-Dioden 3a bis 3h und zwei Spannungsbegrenzungs-Schaltungen 4a, 4b vorgesehen, die die Zellenspannung Uz der einzelnen Zellen begrenzt.
Im Falle einer Li-Ionen-Batterie 1 dürfen die einzelnen Zellen 2 maximal auf eine Spannung von 4,0 V bis 4,5 V geladen werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich beispielhaft auf eine Entladeschlussspannung von 4,1 V.
Im dargestellten Schaltbild ist jeweils zwei Zellen 2a bis 2i eine Z-Diode 3a bis 3h zugeordnet, wobei die Z-Dioden parallel mit der zugehörigen Zellengruppe verschaltet sind. Um die Zellen vor dem Überladen zu schützen, wird für jede Gruppe aus zwei Zellen, z. B. [2a, 2b] oder [2b, 2c], eine Z-Diode 3a bis 3h mit einer Z-Spannung von 8,2 V = 2 * 4,1V eingesetzt (im Folgenden als 2er-Dioden bezeichnet). Wenn die 2er-Dioden 3a bis 3g in Sperrrichtung zu leiten beginnen, werden sie durch den Strom erhitzt. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten steigt die Z-Spannung an und kann z. B. einen Wert von 8,7 V bei einer Temperatur von 150°C erreichen. Diese Spannung ist größer als 2 * 4,3 V = 8,6 V, so dass die Z-Dioden 3a bis 3g thermisch nicht überlastet werden können.
Die Spannungsregler 4a und 4b sind zwischen dem positiven Batteheanschluss (+) und dem Anschlussknoten zwischen den ersten beiden Zellen 2a, 2b, bzw. dem negativen Batterieanschluss (-) und den letzten Zellen 2h und 2i angeschlossen.
Die Z-Dioden 3a bis 3h sind außerdem so angeordnet, dass zwei zugehörige, benachbarte Zellengruppen, z. B. [2a,2b] und [2b,2c], jeweils wenigstens eine Zelle 2 (z. B. 2b) gemeinsam haben. D.h. zwei benachbarte Zellengruppen [2a, 2b], [2b, 2c], [2c,2d]... überlappen sich jeweils um wenigstens ein Element. Dadurch ergibt sich für jede der Zellen 2a bis 2h eine eindeutige Maximalspannung, wie im Folgenden näher erläutert werden wird. Zusätzlich werden die Zellen 2a und 2i jeweils mittels einer aktiven Spannungsbegrenzungsschaltung auf die maximale Spannung geregelt.
Wenn eine der Z-Dioden 3 in Sperrrichtung leitet, wird sie durch den Stromfluss erhitzt. Um zu verhindern, dass sich diese Z-Diode 3 zu stark erhitzt und dadurch zerstört wird, ist hier jeder Z-Diode 3 ein Widerstand 5 zugeordnet. Die Widerstände 5 sind dabei im Strompfad der Z-Dioden 3 auf Seite der Anode angeschlossen. Selbstverständlich ist auch eine kathodenseitige Anordnung möglich.
Als Widerstände sind insbesondere PTC-Widerstände (PTC: positiver Temperaturkoeffizient) geeignet, da sie einen mit zunehmender Temperatur zunehmenden Widerstandswert aufweisen. Die Z-Dioden 3 können somit sicher vor Überlastung geschützt werden.
Die Zellenspannung Uz der einzelnen Zellen 2a bis 2h am Ende der Aufladephase, wenn die Summenspannung aller n Zellen gleich n*Uι_E (ULE = zulässige Lade- Endspannung) ist, ergibt sich aus folgender mathematischen Betrachtung:
Die Zellenspannungen der einzelnen Zellen 2a bis 2h sind mit UZi, UZ2, UZ3, etc. bezeichnet. Für die ersten drei Zellen 2a bis 2c kann somit folgendes Gleichungssystem angesetzt werden:
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0002
UZI + Uz2 +UZn-i + Uzn = n - ULE
Daraus ergibt sich die eindeutige Lösung Uzi = UZ2 = UZ3 = ULE- Die Lade-Endspannung ULE wird dabei abhängig durch die (temperaturabhängige) Z-Spannung der Z-Dioden 3a bis 3h bestimmt. Wenn eine der Zellenspannungen Uz den Wert ULE (Z. B. 4,1 V) übersteigt, wird die zugehörige Z-Diode 3 leitend. Dadurch werden die Zellen 2 untereinander abgeglichen, so dass alle Zellen 2 etwa die gleiche Spannung aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine Batterie 1 mit insgesamt neun Zellen 2a bis 2i und einer alternativen Spannungsbegrenzungsschaltung. Die Schaltung umfasst N = 9 Z-Dioden 3a bis 3i, von denen fünf (3c bis 3g) jeweils zwei Zellen 2, zwei (3a bis 3b) jeweils drei Zellen, und einer (3h) vier Zellen zugeordnet sind. Dadurch ist die Lade-Endspannung jeder einzelnen Zelle 2 wiederum eindeutig festgelegt.
Die dargestellte Anordnung ist nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen. Aus Gründen der Einfachheit und Kosten wird bevorzugt, möglichst viele gleiche Z-Dioden vorzusehen, z. B. N-1 identische Z-Dioden, die jeweils 2 Zellen überbrücken.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Batterie 1 mit insgesamt neun Zellen 2a bis 2i, zwei Spannungsbegrenzungsschaltungen und neun Z-Dioden, die jeweils zwei Zellen 2 zugeordnet sind. Die Zellengruppen [2a, 2b], [2b, 2c], [2c,2d]... werden jeweils von einer Z-Diode überbrückt. Im Unterschied zu Fig. 1 ist die Schaltung ohne PTC Widerstände ausgeführt. Die Spannungsregler 4a und 4b sind wiederum zwischen dem positiven Batterieanschluss (+) und dem Anschlussknoten zwischen den ersten beiden Zellen 2a, 2b bzw. dem negativen Batterieanschluss (-) und den letzten Zellen 2h und 2i angeschlossen.
Die Spannungsregler 4 können z. B. als Zweipunktregler ausgeführt sein, die einen Komparator 5, eine Referenzspannungsquelle 6, einen Schalttransistor 8, insbesondere einen MOSFET, und einen Leistungswiderstand 9 umfassen, wie im Schaltbild dargestellt ist. Eine Stromversorgung ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet.

Claims

Ansprüche
1. Batterie (1 ), insbesondere Li-Ionen-Batterie, umfassend mehrere in Serie geschaltete Zellen (2), sowie mehrere Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4), die jeweils einer Gruppe ([2a,2b], [2b, 2c]...) aus einer oder mehreren Zellen (2) zugeordnet sind und deren Spannung begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) derart mit den Zellen (2) verschaltet sind, dass die Maximalspannung jeder einzelnen Zelle (2) eindeutig bestimmt ist.
2. Batterie (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3) so angeordnet sind, dass zwei benachbarte Zellengruppen ([2a, 2b], [2b,2c]...) wenigstens eine Zelle (2) gemeinsam haben.
3. Batterie (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl von N Zellen (2) insgesamt N+1 Spannungsbegrenzungs- einrichtungen (3, 4) vorgesehen sind.
4. Batterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) eine Diode, insbesondere eine Z-Diode umfasst.
5. Batterie (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl von N Zellen (2) wenigstens N - 1 Z-Dioden (3) vorgesehen sind.
6. Batterie (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Dioden (3) jeweils einer Gruppe aus mehreren Zellen (2) zugeordnet sind.
7. Batterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) als Spannungsregler realisiert ist.
8. Batterie (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (4) wenigstens einen Komparator und eine Referenzspannungsquelle (6) umfasst
9. Batterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) jeweils parallel zur zugehörigen Zellengruppe angeschlossen sind.
10. Batterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad einer Spannungsbegrenzungseinrichtung (3) ein Widerstand (5) in Serie geschaltet ist.
11. Batterie (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (5) ein PTC-Widerstand ist.
12. Batterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Z-Dioden einen positiven Temperaturgang ihrer Durchbruchspannung besitzen.
13. Batterie nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Temperaturgang der Durchbruchspannung der Z-Dioden (3) so groß ist, dass die Z-Dioden (3) beim Laden der Zellen (2) nicht zerstört werden können.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009124826A1 (de) * 2008-04-08 2009-10-15 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul
CN102484383A (zh) * 2009-09-10 2012-05-30 宝马股份公司 用于均衡蓄电池的设备
CN102882251A (zh) * 2012-09-25 2013-01-16 上海空间电源研究所 锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011082561A1 (de) 2011-09-13 2013-03-14 Sb Limotive Company Ltd. Batteriezelle, Batteriezellenmodul, Verfahren zur Erhöhung der Ladung einer Batteriezelle, Verfahren zur Nivellierung einer Mehrzahl von Batteriezellen und Kraftfahrzeug
FR2996694B1 (fr) * 2012-10-04 2015-09-18 Commissariat Energie Atomique Circuit de gestion de la charge d'une batterie
DE102014220885A1 (de) * 2014-10-15 2016-04-21 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Schutz von Batteriezellen sowie Batteriemodul, Batterie, Batteriesystem und Fahrzeug

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0226360A2 (de) * 1985-12-04 1987-06-24 Powerplex Technologies, Inc. Zenerdiodenschaltkreiselement zum Schutz einer Batteriezelle
WO2002015363A2 (de) * 2000-08-18 2002-02-21 Hochschule Technik + Architektur Luzern Stromspeicheranlage mit batterien und kondensatoren, insbesondere superkapazitäten
US20050225291A1 (en) * 2004-04-06 2005-10-13 Guixian Lu Rebalance circuit
EP1610434A1 (de) * 2004-06-21 2005-12-28 Inventio AG Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen bei Speichermodulen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0226360A2 (de) * 1985-12-04 1987-06-24 Powerplex Technologies, Inc. Zenerdiodenschaltkreiselement zum Schutz einer Batteriezelle
WO2002015363A2 (de) * 2000-08-18 2002-02-21 Hochschule Technik + Architektur Luzern Stromspeicheranlage mit batterien und kondensatoren, insbesondere superkapazitäten
US20050225291A1 (en) * 2004-04-06 2005-10-13 Guixian Lu Rebalance circuit
EP1610434A1 (de) * 2004-06-21 2005-12-28 Inventio AG Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Überspannungen bei Speichermodulen

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009124826A1 (de) * 2008-04-08 2009-10-15 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul
CN102484383A (zh) * 2009-09-10 2012-05-30 宝马股份公司 用于均衡蓄电池的设备
CN102882251A (zh) * 2012-09-25 2013-01-16 上海空间电源研究所 锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法

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