WO2014095233A2 - Batterie mit mindestens einem batteriestrang sowie verfahren zur regelung einer batteriespannung - Google Patents

Batterie mit mindestens einem batteriestrang sowie verfahren zur regelung einer batteriespannung Download PDF

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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a battery having at least one
  • the invention relates to an associated method for controlling a battery voltage of a battery, the at least one battery string with a plurality of the
  • Battery string includes each switchable and bridgeable battery cells.
  • Battery voltage provides. To achieve a high battery current, battery cells are often additionally connected in parallel. Further, multiple battery strings may be used simultaneously to select a plurality of
  • Circuit topology for a method for increasing the intrinsic safety of battery cells proposed in which a battery cell by a
  • FIG. 1 shows a battery string 10 which has a series connection with a plurality of battery cells and a positive battery terminal terminal HV + and a negative battery terminal terminal HV-.
  • the battery cells 1 1 each have a bridging circuit 12 with a first transistor 13 and a second transistor 14.
  • the bridging circuits 12 are used to selectively turn on a certain number of battery cells 1 1 in order to achieve a certain strand tension.
  • FIG. 2 is a possible
  • Communication bus 21 are communicated from a central controller 22, whether the first transistor 13 or the second transistor 14 to be turned on.
  • the cells By means of the signal transmission connection 21, the cells must be addressed in a corresponding manner.
  • the respective cell voltage and / or the state of charge of the respective battery cell 1 1 must be reported back to the controller 22, so that this can decide which battery cells 1 1 cells are to be switched to achieve the desired strand voltage.
  • a driver circuit 23 is further arranged, of a
  • Microcontroller 24 is controlled.
  • the control signals 25 are between the low-voltage side arranged control unit 21 and the high-voltage side
  • a battery with at least one battery string is made available, wherein the battery string comprises a plurality of battery cells which can be connected and bridged by triggering to the battery string.
  • Battery also has drive means, which are adapted to the To control battery cells by means of a pulse width modulated signal such that an average on time of a respective battery cell is determined by the duty cycle of the pulse width modulated signal. Further, a method for controlling a battery voltage of a battery is provided, are controlled in the battery cells of the battery by means of a pulse width modulated signal such that the
  • Battery cells are switched on average so to the battery string, that the battery voltage is set to a desired target voltage.
  • An advantage of the invention is that a regulation of a battery voltage or battery string voltage, and in particular also of a variable or adjustable battery voltage can be performed, wherein the
  • the battery further comprises a control unit which is connected via a signal transmission connection with the battery cells and which is adapted to compare a battery voltage generated by the battery string with a predetermined target voltage and the duty cycle of the pulse width modulated signal based on a result of the comparison.
  • the comparison can preferably be carried out with the aid of an operational amplifier.
  • a regulation of the battery voltage can be achieved, which works regardless of the state of charge of the battery cells. This is achieved in particular in that, for example, in the case of a higher average state of charge of the cells via the control unit another
  • PWM pulse width modulated
  • the battery further comprises one or more generating means, which are adapted to generate the pulse width modulated signal based on an analog and / or digital signal.
  • An embodiment of the invention provides to arrange the generating means in each battery cell. This embodiment is particularly suitable for being implemented, for example, with an analog signal, such as an output current or an output voltage of the control unit, so that the battery cells are centrally controlled by means of a single analog signal.
  • the analog signal preferably corresponds to the desired battery voltage (HV voltage).
  • the invention can also be carried out with digital signals, which are transmitted to the respective battery cells and
  • the generating means are present as a central module in the battery. Preference is given to
  • Embodiment can easily by the signal transmission connection, a transmission of the pulse width modulated signal to the
  • the analog signal or the digital signal or the pulse width modulated signal via a galvanic
  • the insulator separates a high-voltage side and a low-voltage side of the battery. As a result, a risk to users or destruction of electronic components can be avoided.
  • the isolator used is preferably an optocoupler per cell.
  • the battery can be equipped in particular with a cascode circuit.
  • the battery string is connected in series with a smoothing inductance, by which a smoothing of the battery voltage generated by the battery string is effected.
  • the battery according to the invention also has a battery cell connected to or in the battery cell for each battery cell
  • the microcontroller au the battery cells in particular for further signal processing of the
  • the microcontrollers are each designed to control a driver circuit arranged in the respective battery cell and via the
  • the microcontrollers can be arranged on the high-voltage side (HV side) or low-voltage side (LV side). If the microcontroller is arranged on the low-voltage side, the half-bridge according to the invention can be controlled by the microcontroller via the isolator.
  • Microcontroller for desynchronization of a respective pulse width modulated signal is formed.
  • the battery or each of the battery cells may include means for desynchronization, which are connected to the respective microcontroller.
  • the microcontroller in a respective battery cell can be set up to receive information about a desired duty cycle of the pulse width modulated signal via the signal transmission connection and to evaluate it.
  • a logic module FPGA, CPLD
  • the means for desynchronization according to the invention may also comprise a spread spectrum oscillator, ie an oscillator whose edges are statistically distributed.
  • a spread spectrum oscillator ie an oscillator whose edges are statistically distributed.
  • an oscillator arranged in each case for clocking the battery cell can be used.
  • the statistical distribution of the clock edges is achieved not by a spread spectrum oscillator but by a random or quasi-random algorithm implemented on the microcontroller.
  • a noise source which is read in via the A / D converter of the microcontroller can be used.
  • Noise source for example, a reverse-biased base-emitter path conceivable.
  • a motor vehicle in particular an electric or hybrid vehicle is provided, which with the
  • Battery according to the invention is equipped, wherein the battery is connected to a drive train of the motor vehicle.
  • the claimed battery cell is a lithium-ion battery cell.
  • Figure 2 is a schematic diagram of a circuit arrangement for operating
  • Figure 3 is a schematic diagram of a circuit arrangement for operating switchable and decoupled battery cells, wherein the
  • Circuitry a control circuit for regulating the
  • Figure 4 is a schematic diagram of a circuit arrangement for operating switchable and decoupled battery cells, wherein the
  • Circuitry a control circuit for regulating the
  • Figure 5 is a schematic diagram of an interconnection of a battery cell with
  • FIG. 6 is a block diagram of an interconnection of a battery cell
  • FIG. 3 is a block diagram of a
  • the control loop includes in this
  • Voltage source 32 is connected to generate a desired voltage Ui.
  • the negative input of the operational amplifier 31 is connected via a voltage divider 33 to a positive battery terminal, as shown in FIG.
  • the voltage at the negative input of the operational amplifier 31 is proportional to the battery voltage U H v-
  • the battery voltage U H v is compared taking into account a factor with the reference voltage Ui.
  • the output of the operational amplifier 31 therefore provides an analogue signal suitable for regulating the battery voltage U H v, which is supplied via the
  • Signal transmission connection 21 is transmitted to the battery cells 11 of the battery string.
  • a plurality of optocouplers 34 are arranged, wherein preferably for each battery cell 1 1, an optocoupler 34 is present. To simplify the illustration, only two of the optocouplers 34 and a battery cell 11 were shown in the figure.
  • the optocoupler 34 transmits the analog signal to a logic device
  • microcontroller 24 in the arrangement shown in Figure 3 is adapted to convert the originating from the operational amplifier 31 and transmitted via the optocoupler 34 analog signal into a pulse width modulated signal or based on the analog signal to generate a pulse width modulated signal. This is used to control the driver circuit 23, wherein the transistors 13 or 14 alterierend the battery cell 1 1 connect the battery line 10 or bridge them.
  • FIG. 4 shows a basic circuit diagram of a circuit arrangement for operating switchable and disconnectable battery cells 11 according to a second exemplary embodiment of the invention. In contrast to the first embodiment according to FIG. 3, the pulse-width-modulated signal is used here
  • the control unit 42 may include the operational amplifier 34 of FIG. 3 and additional components.
  • FIG. 5 shows a basic circuit diagram of an interconnection of a battery cell 11 with various components for controlling the battery cell 11 according to a third embodiment of the invention.
  • the components of the driver circuit 23 shown in FIG. 5 which are used to drive the transistors 13, 14, the microcontroller 24 and the isolator 26 have already been described above.
  • the reference numeral 25 designates control signals which are in particular bidirectionally between the microcontroller 24 on the one hand and not explicitly shown again in this figure
  • control unit can be transmitted across the isolator 26.
  • the third embodiment has means for desynchronizing the pulse width modulated one
  • the pulse-width-modulated signal or the timing 51 of the microcontroller 24 are influenced accordingly by means of a spread spectrum oscillator 52, so that it has statistically distributed clock edges.
  • a smooth battery voltage U H v can be achieved.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of an interconnection of a battery cell 11 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the desynchronization is performed by means of an algorithm in the microcontroller 24.
  • the microcontroller 24 is further coupled sec with a noise voltage source U S, by the different

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Abstract

Es wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang (10) beschrieben, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen (11) umfasst. Ferner umfasst die Batterie Ansteuerungsmittel, die dazu eingerichtet sind, die Batteriezellen (10) mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (41) derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (41) eine durchschnittliche Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle (11) bestimmt ist. Ferner wird ein dazugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung (UHV) beschrieben.

Description

Beschreibung
Titel
Batterie mit mindestens einem Batteriestrang sowie Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit mindestens einem
Batteriestrang, der mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang
zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang mit mehreren zu dem
Batteriestrang jeweils zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen umfasst.
Stand der Technik Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt
Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige
Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, wodurch ein Batteriestrang gebildet wird, der eine
Batteriespannung bereitstellt. Zur Erzielung eines hohen Batteriestroms werden oft noch zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet. Ferner können mehrere Batteriestränge gleichzeitig verwendet werden, um eine Mehrzahl von
Batteriespannungen bereitzustellen. In vorherigen Anmeldungen der Anmelderin wurden Batterien beschrieben, die einen Batteriestrang mit einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung aufweisen. Ferner wurde eine
Schaltungstopologie für ein Verfahren zur Erhöhung der Eigensicherheit von Batteriezellen vorgeschlagen, bei dem eine Batteriezelle durch eine
parallelgeschaltete Halbbrücke, die beispielsweise mit MOSFETs realisiert wird, im Falle eines sicherheitskritischen Zustands der Batteriezelle sich selbst überbrückt. Es bietet sich grundsätzlich an, eine Schaltungstopologie mit zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen auch zur Erzielung einer bestimmten Strangspannung zu verwenden.
In der Figur 1 ist ein Batteriestrang 10 gezeigt, der eine Reihenschaltung mit mehreren Batteriezellen und ein positives Batteriestrangterminal HV+ und ein negatives Batteriestrangterminal HV- aufweist. Die Batteriezellen 1 1 weisen jeweils eine Überbrückungsschaltung 12 mit einem ersten Transistor 13 und einem zweiten Transistor 14 auf. Die Überbrückungsschaltungen 12 werden dazu genutzt, eine bestimmte Anzahl von Batteriezellen 1 1 gezielt einzuschalten, um eine bestimmte Strangspannung zu erzielen. In der Figur 2 ist eine mögliche
Realisierung einer Topologie zur Ansteuerung der Transistoren 13, 14 gezeigt. Dabei muss der jeweiligen Batteriezelle 1 1 über eine Kommunikationsschnittstelle beziehungsweise eine Signalübertragungsverbindung
(Kommunikationsbus) 21 von einem zentralen Steuergerät 22 mitgeteilt werden, ob der erste Transistor 13 oder der zweite Transistor 14 eingeschaltet werden soll. Mittels der Signalübertragungsverbindung 21 müssen dazu die Zellen in entsprechender Weise adressiert werden. Gleichzeitig muss die jeweilige Zellspannung und/oder der Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle 1 1 an das Steuergerät 22 zurückgemeldet werden, damit dieses entscheiden kann, welche Batteriezellen 1 1 Zellen zur Erzielung der gewünschten Strangspannung zugeschaltet werden sollen. Zur Ansteuerung der Transistoren 13, 14 ist hochvoltseitig ferner eine Treiberschaltung 23 angeordnet, die von einem
Mikrocontroller 24 gesteuert wird. Die Steuersignale 25 werden zwischen dem niedervoltseitig angeordneten Steuergerät 21 und dem hochvoltseitig
angeordneten Mikrocontroller 24 über den Isolator 26 hinweg, der zur
galvanischen Trennung angeordnet ist, übertragen. Bei einer Batterie mit einer hohen Anzahl von Batteriezellen 1 1 wird der Aufwand für die Kommunikation allerdings sehr hoch, da die Batteriezellen 1 1 eindeutig in Echtzeit adressiert und geschaltet werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit mindestens einem Batteriestrang zur Verfügung gestellt, wobei der Batteriestrang mehrere durch Ansteuerung zu dem Batteriestrang zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen umfasst. Die
Batterie weist ferner Ansteuerungsmittel auf, die dazu eingerichtet sind, die Batteriezellen mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals eine durchschnittliche Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle bestimmt ist. Ferner wird ein Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung einer Batterie zur Verfügung gestellt, bei dem Batteriezellen der Batterie mittels eines pulsweitenmodulierten Signals derart angesteuert werden, dass die
Batteriezellen im Mittel so zu dem Batteriestrang zugeschaltet werden, dass die Batteriespannung auf eine gewünschte Sollspannung eingestellt wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist, das eine Regelung einer Batteriespannung oder Batteriestrangspannung, und insbesondere auch einer variablen oder einstellbaren Batteriespannung durchgeführt werden kann, bei der der
Kommunikationsaufwand zwischen den Batteriezellen und einer zentralen Batteriesteuerungseinheit auf drastische Weise reduziert wird, wobei gleichzeitig die Spannungswerte genaue eingestellt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Batterie ferner eine Regeleinheit auf, die über eine Signalübertragungsverbindung mit den Batteriezellen verbunden ist und die eingerichtet ist, eine von dem Batteriestrang erzeugte Batteriespannung mit einer vorgegebenen Sollspannung zu vergleichen und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs einzustellen. Der Vergleich kann bevorzugt mit Hilfe eines Operationsverstärkers durchgeführt werden.
Damit kann eine Regelung der Batteriespannung erreicht werden, die unabhängig vom Ladezustand der Batteriezellen funktioniert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise im Falle eines höheren mittleren Ladezustands der Zellen über die Regeleinheit ein anderes
pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit einem niedrigeren Tastverhältnis
(„Duty-Cycle") zum Zuschalten der Zellen generiert werden kann.
Gemäß noch einer anderen Weiterbildung weist die Batterie ferner eines oder mehrere Erzeugungsmittel auf, die dazu eingerichtet sind, das pulsweiten- modulierte Signal basierend auf einem analogen und/oder digitalen Signal zu erzeugen. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Erzeugungsmittel in jeder Batteriezelle anzuordnen. Diese Ausführungsform ist besonders dafür geeignet, beispielsweise mit einem analogen Signal, wie ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung der Regeleinheit, ausgeführt zu werden, so dass die Batteriezellen mittels eines einzigen analogen Signals zentral gesteuert werden. Bevorzugt entspricht das analoge Signal der gewünschten Batteriespannung (HV-Spannung). Die Erfindung kann aber auch mit digitalen Signalen ausgeführt werden, die an die jeweiligen Batteriezellen übertragen werden und
insbesondere eine Information über das Tastverhältnis des
pulsweitenmodulierten Signals enthalten.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Erzeugungsmittel als ein zentrales Modul in der Batterie vorhanden. Bevorzugt werden die
Erzeugungsmittel dabei in der Regeleinheit angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform kann auf einfache Weise durch die Signalübertragungsverbindung eine Übermittlung des pulsweitenmodulierten Signals an die
Batteriezellen erfolgen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird das analoge Signal oder das digitale Signal oder das pulsweitenmodulierte Signal über einen als galvanische
Trennung angeordneten Isolator zu den Batteriezellen übertragen, wobei der Isolator eine Hochvoltseite und eine Niedervoltseite der Batterie trennt. Dadurch kann eine Gefährdung von Benutzern oder eine Zerstörung von Elektronikkomponenten vermieden werden. Als Isolator wird bevorzugt ein Optokoppler pro Zelle eingesetzt.
Grundsätzlich sind jedoch auch andere isolierende oder nicht-isolierende Verfahren denkbar, insbesondere Power-Linie-Communication, mit denen das Ausgangssignal des Reglers zu den Zellen übertragen wird. Bevorzugt kann die Batterie insbesondere mit einer Kaskode-Schaltung ausgestattet sein.
Ferner wird es bevorzugt, dass der Batteriestrang mit einer Glättungsinduktivität, durch die eine Glättung der von dem Batteriestrang erzeugten Batteriespannung bewirkt wird, in Reihe geschaltet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Batterie ferner für jede Batteriezelle einen mit der Batteriezelle verbundenen oder in der
Batteriezelle angeordneten Mikrocontroller auf. Dabei sind die Mikrocontroller au den Batteriezellen insbesondere für eine weitere Signalverarbeitung des an die
Batteriezelle übertragenen Signals ausgebildet.
Bevorzugt sind die Mikrocontroller jeweils zur Steuerung einer in der jeweiligen Batteriezelle angeordneten Treiberschaltung ausgebildet und über die
Signalübertragungsverbindung mit der Regeleinheit verbunden.
Die Mikrocontroller können hochvoltseitig (HV-Seite) oder niedervoltseitig (LV- Seite) angeordnet sein. Falls der Mikrocontroller niedervoltseitig angeordnet ist, kann die erfindungsgemäße Halbbrücke über den Isolator von dem Mikrocontroller angesteuert werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die
Mikrocontroller zur Desynchronisierung eines jeweiligen pulsweitenmodulierten Signals ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Batterie oder jede der Batteriezellen Mittel zur Desynchronisierung umfassen, die mit dem jeweiligen Mikrocontroller verbunden sind.
So kann der Mikrocontroller in einer jeweiligen Batteriezelle dazu eingerichtet sein, eine Information über ein gewünschtes Tastverhältnis (Duty Cycle) des pulsweitenmodulierten Signals über die Signalübermittlungsverbindung zu empfangen und diese auszuwerten. Alternativ kann zur Auswertung auch ein Logik-Baustein (FPGA, CPLD) auf den einzelnen Batteriezellen eingesetzt werden. Ferner ist auch denkbar, das pulsweitenmodulierte Signal direkt an den Mikrocontroller zu übertragen, wo es von dem Mikrocontroller ausgewertet wird.
Durch solche separaten Weiterverarbeitungen auf den Batteriezellen kann eine Desynchronisierung der pulsweitenmodulierten Signale erreicht werden. Dies ergibt sich zum Teil allein dadurch, dass die Batteriezellen beziehungsweise deren Mikrocontroller weitestgehend autonom voneinander arbeiten. Besonders auch in Kombination mit der oben genannten Glättungsinduktivität kann eine sehr gute Glättung der Batterieausgangsspannung erreicht werden, ohne dass die Glättungsinduktivität sehr groß dimensioniert sein muss. Je nach Ausgestaltung kann in manchen Fällen sogar ganz auf die Glättungsinduktivität verzichtet werden.
Die erfindungsgemäßen Mittel zur Desynchronisierung können ferner auch einen Spread-Spectrum-Oszillator, also einen Oszillator, dessen Flanken statistisch verteilt werden, umfassen. Dazu kann jeweils ein zur Taktung der Batteriezelle angeordneter Oszillator eingesetzt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird die statistische Verteilung der Taktflanken nicht durch einen Spread-Spectrum-Oszillator, sondern durch einen Zufalls- oder Quasi-Zufalls-Algorithmus erreicht, der auf dem Mikrocontroller implementiert wird. Zur Erzeugung ungleichmäßiger Startbedingungen für diesen Zufalls-Algorithmus kann beispielsweise eine Rauschquelle, die über den A/D- Wandler des Mikrocontrollers eingelesen wird, verwendet werden. Als
Rauschquelle ist beispielsweise eine in Sperrrichtung betriebene Basis-Emitter- Strecke denkbar.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt, das mit der
erfindungsgemäßen Batterie ausgestattet ist, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Bevorzugt ist die beanspruchte Batteriezelle eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Batteriestrang mit einer Reihenschaltung aus mehreren zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezelle gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen, wobei die
Schaltungsanordnung einen Regelkreis zum Regeln der
Batteriespannung aufweist, nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen, wobei die
Schaltungsanordnung einen Regelkreis zum Regeln der
Batteriespannung aufweist, nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle mit
Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle, nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 6 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle mit
Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle, nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen
Bezugszeichen gezeichnet. In der Figur 3 ist ein Prinzipschaltbild einer
Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen 11 gezeigt, die mit einem Regelkreis zum Regeln der
Batteriespannung ausgestattet ist. Der Regelkreis umfasst in dieser
Ausführungsform einen als eine Regeleinheit fungierenden Operationsverstärker 31 , der über seinen positiven Eingang mit einer
Spannungsquelle 32 zum Erzeugen einer Sollspannung Ui verbunden ist. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 31 ist über einen Spannungsteiler 33 mit einem positiven Batterieterminal verbunden, so wie in der Figur 3 gezeigt. Somit ist die Spannung am negativen Eingang des Operationsverstärkers 31 proportional zur Batteriespannung UHv- Somit wird die Batteriespannung UHv unter Berücksichtigung eines Faktors mit der Sollspannung Ui verglichen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 31 liefert daher ein zum Regeln der Batteriespannung UHv geeignetes analoges Signal, das über die
Signalübertragungsverbindung 21 an die Batteriezellen 11 des Batteriestrangs übertragen wird.
In der Signalübertragungsverbindung sind eine Mehrzahl von Optokopplern 34 angeordnet, wobei bevorzugt für jede Batteriezelle 1 1 ein Optokoppler 34 vorhanden ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in der Figur jeweils nur zwei von den Optokopplern 34 und eine Batteriezelle 1 1 dargestellt. Der Optokoppler 34 überträgt das analoge Signal an einen Logikbaustein
beziehungsweise an einen in oder auf der Batteriezelle 1 1 angeordneten Mikrocontroller 24. Erfindungsgemäß ist der Mikrocontroller 24 in der in Figur 3 gezeigten Anordnung dazu ausgebildet, das aus von dem Operationsverstärker 31 stammende und über den Optokoppler 34 übertragene analoge Signal in ein pulsweitenmoduliertes Signal umzuwandeln beziehungsweise basierend auf das analoge Signal ein pulsweitenmodulierte Signal zu erzeugen. Dieses wird zur Steuerung der Treiberschaltung 23 eingesetzt, wobei die Transistoren 13 oder 14 alterierend die Batteriezelle 1 1 dem Batteriestrand 10 zuschalten oder sie überbrücken.
Auf diese Weise kann eine gemeinsame Ansteuerung aller Batteriezellen 11 mit nur wenig Kommunikationsaufwand durchgeführt werden. Das Verfahren ist auch für unterschiedliche Ladezustände der Batteriezellen 11 ausgelegt und funktioniert insbesondere auch bei zeitlichen Änderungen des Ladezustands, da das analoge Signal jeweils mittels des Regelkreises und des Operationsverstärkers 31 entsprechen angepasst und nachgeführt wird. Ferner hat die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform den Vorteil, dass die Batteriezellen 11 der Batterie inhärent asynchron takten, da sie separat und autonom jeweils ein eigenes pulsweitenmoduliertes Signal generieren. In der Figur 4 ist ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von zuschaltbaren und entkoppelbaren Batteriezellen 11 nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform nach Figur 3 wird hier das pulsweitenmodulierte Signal
41 , das in der Figur mittels einer Rechteckwelle symbolisiert wird, direkt durch eine Regeleinheit 42 erzeugt und über den Isolator 26 an die Treiberschaltung 23 übertragen. Damit kann ein Mikrocontroller 24 auf den Batteriezellen 11 entfallen. Die Regeleinheit 42 kann den Operationsverstärker 34 aus Figur 3 und zusätzliche Komponenten umfassen.
Zur Glättung der Batteriespannung UHv ist der Batteriestrang 10 ferner mit einer Glättungsinduktivität 43 in Reihe geschaltet. In der Figur 5 ist ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle 11 mit verschiedenen Komponenten zur Ansteuerung der Batteriezelle 11 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die in Figur 5 gezeigten Komponenten der Treiberschaltung 23, die zum Ansteuern der Transistoren 13, 14 dient, des Mikrocontrollers 24 und des Isolators 26 wurden zuvor bereits beschrieben. Ferner werden mit dem Bezugszeichen 25 Steuersignale bezeichnet, die insbesondere bidirektional zwischen dem Mikrocontroller 24 einerseits und einer in dieser Figur nicht nochmals explizit dargestellten
Regeleinheit andererseits über den Isolator 26 hinweg übertragen werden. Im Unterschied zur den Ausführungsformen in den Figuren 3 und 4 weist die dritte Ausführungsform Mittel zur Desynchronisierung des pulsweitenmodulierten
Signals auf. Dazu werden das pulsweitenmodulierte Signal beziehungsweise die Taktung 51 des Mikrocontrollers 24 mittels eines Spread-Spectrum-Oszillators 52 entsprechend beeinflusst, so dass es statistisch verteilte Taktflanken aufweist. Somit kann erfindungsgemäß eine glatte Batteriespannung UHv erzielt werden.
In der Figur 6 ein Prinzipschaltbild einer Verschaltung einer Batteriezelle 11 nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu der dritten Ausführungsform wird die Desynchronisierung mittels eines Algorithmus im Mikrocontroller 24 vorgenommen. Dazu ist der Mikrocontroller 24 ferner mit einer Rauschspannungsquelle USs gekoppelt, durch die unterschiedliche
Anfangsbedingungen pro Batteriezelle 11 erzielt werden können. Neben der vorstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit zur Ergänzung der Offenbarung auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den Figuren Bezug genommen.

Claims

Ansprüche
1. Batterie mit mindestens einem Batteriestrang (10), der mehrere durch
Ansteuerung zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbare und überbrückbare Batteriezellen (1 1) umfasst, gekennzeichnet durch Ansteuerungsmittel, die dazu eingerichtet sind, die Batteriezellen (11) mittels eines
pulsweitenmodulierten Signals (41) derart anzusteuern, dass durch das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (41) eine durchschnittliche Einschaltzeit einer jeweiligen Batteriezelle (11) bestimmt ist.
2. Batterie nach Anspruch 1 , wobei die Batterie ferner eine Regeleinheit (42) aufweist, die über eine Signalübertragungsverbindung (21) mit den
Batteriezellen (11) verbunden ist und die eingerichtet ist, eine von dem Batteriestrang (10) erzeugte Batteriespannung (UHv) mit einer vorgegebenen Sollspannung (Ui) zu vergleichen und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (41) basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs einzustellen.
3. Batterie nach Anspruch 2, wobei die Batterie ferner ein oder mehrere
Erzeugungsmittel aufweist, die dazu eingerichtet sind, das pulsweiten- modulierte Signal (41) basierend auf einem analogen oder digitalen Signal zu erzeugen.
4. Batterie nach Anspruch 3, wobei die Erzeugungsmittel in der
Regeleinheit (42) oder auf jeder Batteriezelle (11) angeordnet sind.
5. Batterie nach Anspruch 4, wobei die Signalübertragungsverbindung (21) einen Isolator (26) als galvanische Trennung zwischen hochvoltseitig angeordneten elektronischen Komponenten und niedervoltseitig
angeordneten elektronischen Komponenten aufweiset.
6. Batterie nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Batterie für jede
Batteriezelle (11) einen mit der Batteriezelle (11) verbundenen oder auf der Batteriezelle (1 1) angeordneten Mikrocontroller (24) aufweist, wobei die Mikrocontroller (24) jeweils zur Steuerung einer in der jeweiligen
Batteriezelle (11) angeordneten Treiberschaltung (23) ausgebildet sind und über die Signalübertragungsverbindung (21) mit der Regeleinheit (42) verbunden sind, wobei jeder der Mikrocontroller (24) zur Desynchronisierung eines jeweiligen pulsweitenmodulierten Signals (41) ausgebildet ist und/oder mit einem Mittel zur Desynchronisierung verbunden ist.
Batterie nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Batteriestrang (10) mit einer Glättungsinduktivität (43) zur Glättung der von dem
Batteriestrang (11) erzeugten Batteriespannung (UHv) verschaltet ist.
Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einer Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie mit einem Antriebsstrang des Elektromotors verbunden ist.
Verfahren zur Regelung einer Batteriespannung (UHv) einer Batterie, die mindestens einen Batteriestrang (10) mit mehreren zu dem Batteriestrang (10) zuschaltbaren und überbrückbaren Batteriezellen (1 1 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (1 1 ) mittels eines
pulsweitenmodulierten Signals (41) derart angesteuert werden, dass die Batteriezellen (1 1 ) im Mittel so zu dem Batteriestrang (22) zugeschaltet werden, dass die Batteriespannung (UHv) auf eine gewünschte Sollspannung (Ui) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals (41) basierend auf einem Vergleich eines aktuellen Wertes der Batteriespannung (UHv) mit der gewünschten Sollspannung (Ui) eingestellt wird.
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