WO2014170360A1 - Schaltungsanordnung zum messen einzelner zellenspannungen in einer batterie - Google Patents

Schaltungsanordnung zum messen einzelner zellenspannungen in einer batterie Download PDF

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WO2014170360A1
WO2014170360A1 PCT/EP2014/057699 EP2014057699W WO2014170360A1 WO 2014170360 A1 WO2014170360 A1 WO 2014170360A1 EP 2014057699 W EP2014057699 W EP 2014057699W WO 2014170360 A1 WO2014170360 A1 WO 2014170360A1
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cell
battery
measurement signal
measuring
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Gerhard Kurz
Detlef Schulz
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Gerhard Kurz
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
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    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements

Definitions

  • the LTC6802-1 module from Linear Technology should be mentioned in the prior art.
  • This can measure the individual cell voltages in a battery with 12 accumulator cells connected in series.
  • the respective voltage outputs of the individual cells via a multiplexer are fed directly to an analog-to-digital converter. From the differences of the measured voltage values of the voltage outputs of the individual battery cells of the series connection individual cell voltages can be calculated.
  • the object of the present invention is to provide an alternative circuit arrangement for measuring individual cell voltages in a battery having a plurality of rechargeable battery cells, which makes it possible to individually measure a large number of rechargeable battery cells with cost-effective and scalable circuitry.
  • a plurality of such measurements can be carried out successively with a plurality of activated measuring signal generating units. For example, with three measuring signal generating units each three partial measurements are carried out, in each of which different two of the three measuring signal generating units are activated. From this, too, one can deduce the individual measurement signals. In principle, it is a sufficiently specific system of equations consisting of three equations and three unknowns.
  • the at least one measurement signal generating unit to a voltage-controlled current source, which generates an output current as a measurement signal depending on the cell voltage of the associated accumulator cell.
  • the implementation is carried out with at least one transistor.
  • in the switched-off state ie when the measuring signal generating device of the accumulator cell is not activated by the selection device, only the reverse currents of the transistors forming the respective current sources flow.
  • these currents are lower than the self-discharge currents of the battery cells.
  • outputs of the respective measuring signal generating units of a plurality of battery cells have a common node.
  • the outputs of several voltage-controlled current sources are connected together.
  • the circuit arrangement for measuring individual cell voltages further comprises a charge balancing unit for charge equalization between individual cells.
  • a charge balancing unit can be realized, for example, as a resistor, which is connected or connectable to the two terminals of a cell and thus can be used for charge equalization between the individual cells. This is particularly important during the charging process and a limited time thereafter. Thus, for example, overcharging can be effectively prevented.
  • a battery 1 is shown with a plurality of battery cells 10 and a circuit arrangement 2 for measuring individual cell voltages.
  • several accumulator cells 1 to N are connected in series and designated by reference numerals 10-1 to 10-N.
  • the sum of the voltages of the series connection of the battery cells 10, which is applied across the terminals 1 1 and 12, is designated Vbat.
  • Batteries with series and / or parallel circuits of several battery cells are well known.
  • modules may be provided with an accumulator cell 10 and a measurement signal generating unit 20.
  • a module has, for example, contacts 13 and 14 for insertion into a series connection of a plurality of battery cells, a connection 25 for activation and an output 26 for providing the measurement signal 21.
  • a plurality of such modules can be easily combined, for example, a series connection with a desired output voltage to reach. Further, in case of failure, it is possible to easily exchange such modules.
  • the measuring signal generating units 20 associated with the individual accumulator cells 10 are preferably activated one at a time, an output current 21 'proportional to the respective cell voltage is generated, supplied to the measuring resistor 42, the voltage drop via the measuring resistor 42 evaluated and thus the individual cell voltages determined one after the other.
  • the selection device 30 for activating the measurement signal generation units 20 has in FIG. 2 an address decoder 32, which contains via the connection 41 from the microcontroller 44 a control signal which is converted by the address decoder 32 into output signals on the control lines 31, which control the Switches 28 of the measurement signal generating units 20 are supplied and by closing the respective switches 28, the measurement signal generating units 20 activate.
  • the charge balancing unit 51 can be activated by the selection device 30.
  • the activation of the charge balancing unit 51 of an accumulator cell 10 takes place together with the activation of the Meßsignaler Wegungungs- unit 20 of the accumulator 10.
  • This allows efficient wiring, as shown for example for battery cell 10-N, wherein a single switch 28, both the voltage controlled current source 27 and the charge balance unit 51 is activated by the contacts of the resistor via the switch 28 to the terminals 15 and 16 of the battery cell 10-N are connected.
  • the inventive circuit arrangement for measuring individual cell voltages in a battery with a plurality of battery cells, thus allowing a large number of accumulator cells to be individually measured with a cost-effective and scalable circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnung (12) zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie (1) mit mehreren Akkumulatorzellen (10), mitzumindest einer Messsignalerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines Messsignals (21), wobei jede Messsignalerzeugungseinheit (20) einer Akkumulatorzelle (10) der Batterie (1) zugeordnet ist und wobei das Messsignal (21) von einer Zellenspannung der Akkumulatorzelle (10) abhängt,einer Auswahleinrichtung (30) zum Aktivieren der mindestens einen Messsignalerzeugungs-einheit (20) der jeweiligen Akkumulatorzelle (10), undeiner Auswerteeinrichtung (40) zum Auswerten des Messsignals (21) der jeweils aktivierten Messsignalerzeugungseinheit (20).

Description

Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen.
[0002] Um möglichst viele Lade- und Entladezyklen einer Batterie zu erreichen, ist es erforderlich, die Spannung jeder einzelnen Akkumulatorzelle der Batterie zu beobachten. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und Alterungseffekten ist eine Messung der Batteriespannung, d.h. einer Summe der Spannungen mehrerer Akkumulatorzellen, nicht ausreichend. Insbesondere dann, wenn in der Batterie mehrere Akkumulatorzellen in Reihe geschaltet sind, ist die Erfassung und Begrenzung der Lade-Endspannung und die sichere Vermeidung einer Tiefentladung von besonderer Wichtigkeit. [0003] Üblicherweise wird zur Messung einzelner Zellenspannungen eine Messvorrichtung mit einem Operationsverstärker in Differenzverstärker-Beschaltung zusammen mit einer Multiplexer-Schaltung verwendet. Hat die Batterie nur wenige Zellen, zum Beispiel drei Zellen, so ist eine Messung mit herkömmlichen und günstigen Operationsverstärkern problemlos möglich. Wird die Anzahl der Akkumulatorzellen jedoch größer, so steigen die Anforderungen an die Messschaltung erheblich an. So ist es beispielsweise für Lithiumzellen wünschenswert, die Zellenspannung mit einer relativen Unsicherheit von weniger als 1 % zu erfassen. Zudem ist ein großer Spannungsbereich abzudecken. Der Spannungsbereich entspricht der Summe der in Serie geschalteten Zellenspannungen.
[0004] Als Beispiel eines integrierten Bausteins, der nach diesem Prinzip arbeitet, ist aus dem Stand der Technik der Baustein LTC6802-1 von Linear Technology zu nennen. Dieser kann die einzelnen Zellenspannungen in einer Batterie mit 12 Akkumulatorzellen in Reihenschaltung messen. Hierzu werden die jeweiligen Spannungsausgänge der einzelnen Zellen über einen Multiplexer direkt einem Analog-zu-Digital-Wandler zugeführt. Aus den Differenzen der gemessenen Spannungswerte der Spannungsausgänge der einzelnen Akkumulatorzellen der Serienschaltung können einzelne Zellenspannungen berechnet werden.
[0005] Aus der US 2012/0319654 A1 ist ein Batteriemanagementsystem zum Steuern eines Lade- oder Entladevorgangs einer Batterie bekannt. Für jede Akkumulatorzelle ist ein Spannungs-Strom-Wandler sowie zusätzlich jeweils eine Referenzstromquelle vorgesehen. Die über die Referenzstromquellen abfallenden Spannungen bilden die parallelen Eingänge zu Logikgattern. Die Ausgänge der Logikgatter werden wiederum ausgewertet, ob eine beliebige der Akkumulatorzellen einen Schwellwert über- bzw.
unterschritten hat, und gegebenenfalls wird ein Lade- oder Entladevorgang für die gesamte Batterie unterbrochen.
Aus der US 2009/0206841 A1 ist ein intelligentes fehler-tolerantes Batteriemanagementsystem bekannt. Das System weist Batteriemodule mit jeweils einem Modulkontroller auf, welcher den Status der Blöcke in einem Modul durch Messung von Parametern wie der Spannung, Strom und Temperatur überwacht. Jeder Modulkontroller meldet einem Packkontroller für das Batterieback periodisch Daten. Aus der DE 10 2010 047 960 A1 ist eine Zellenausgleichsfunktion bekannt, um eine relativ einheitliche Ladung über einen Batteriestapel hinweg beizubehalten.
[0006] Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine alternative Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen bereitzustellen, die es ermöglicht, eine große Anzahl von Akkumulatorzellen mit einer kostengünstigen und skalierbaren Beschal- tung individuell zu messen.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen mit zumindest einer Messsignalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Messsignals, wobei jede Messsignalerzeugungseinheit einer Akkumulatorzelle der Batterie zugeordnet ist und wobei das Messsignal von einer Zellenspannung der Akkumulatorzelle abhängt, einer Auswahleinrichtung zum Aktivieren der mindestens einen Messsignalerzeugungseinheit der jeweiligen Akkumulatorzelle, und einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Messsignals der jeweils aktivierten Messsignalerzeugungseinheit.
[0008] Das heißt mit anderen Worten, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zunächst aus der Messgröße Zellenspannung einer Akkumulatorzelle ein davon abhängiges Messsignal erzeugt. Unter dem Begriff Messsignal ist in diesem Kontext, wie üblich, ein analoges Signal zu verstehen, welches der Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Anstelle der Zellenspannung wird somit ein von der Zellenspannung abhängiges Messsignal der Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Messsignals zugeführt. Somit wird vorzugsweise ein von einem absoluten Spannungsniveau unabhängiges Messsignal erzeugt. Das absolute Spannungsniveau an einem Kontakt einer Akkumulatorzelle ergibt sich aus der Summe der Spannungen der vorhergehenden Akkumulatorzellen einer Serienschaltung. Somit hängt das Messsignal vorzugsweise nicht von der Position der Akkumulatorzelle innerhalb einer Reihenschaltung mehrerer Akkumulatorzellen ab. [0009] Ferner sieht die erfindungsgemäße Lösung eine Auswahleinheit zum Aktivieren der jeweiligen Messsignalerzeugungseinheit vor. Somit ist es möglich, selektiv diejenige Messsignalerzeugungseinheit zu aktivieren, deren zugeordnete Zellenspannung der Akkumulatorzelle tatsächlich ausgewertet werden soll. Dies ist vorteilhaft, da der Stromverbrauch gesenkt werden kann, da nur tatsächlich benötigte Messsignalerzeugungsemheiten aktiviert werden. Ferner kann die nachgeschaltete Auswerteeinrichtung einfacher und kostengünstiger ausgestaltet werden, indem eine Auswerteeinrichtung zum Messen mehrerer Zellenspannungen verwendet wird. Es kann nacheinander jeweils das Messsignal der jeweils aktivierten Messsignalerzeugungseinheit ausgewertet werden. Im Allgemeinen kann eine Anzahl an Auswerteeinrichtungen geringer als eine Anzahl von Messsignalerzeugungseinheiten gewählt werden. Vorteilhaft ist eine einzige Auswerteeinrichtung vorgesehen, der die Messsignale der Messsignalerzeugungseinrichtungen, insbesondere nacheinander, zugeführt werden.
[0010] Alternativ können mehrere Messsignalerzeugungseinheiten gleichzeitig aktiviert werden und beispielsweise einer einzigen Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Beispielsweise wird der Auswerteeinrichtung eine Summe mehrerer Messsignale zugeführt. Hierdurch können größere Abweichungen, die außerhalb eines erwarteten Wertebereichs für das Summensignal liegen, effizient detektiert werden, da eine geringere Anzahl an Teilmessungen erforderlich ist, um die Messsignale aller oder einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen zu erfassen.
[0011] Ferner können mehrere derartige Messungen mit mehreren aktivierten Messsignalerzeugungseinheiten nacheinander durchgeführt werden. Beispielsweise werden mit drei Messsignalerzeugungseinheiten jeweils drei Teilmessungen durchgeführt, bei denen jeweils unterschiedliche zwei der drei Messsignalerzeugungseinheiten aktiviert sind. Auch daraus kann auf die einzelnen Messsignale zurückgeschlossen werden. Es handelt sich im Prinzip um ein hinreichend bestimmtes Gleichungssystem aus drei Gleichungen und drei Unbekannten.
[0012] Ferner ermöglicht die vorgeschlagene Lösung die Überwachung einer großen Anzahl an Akkumulatorzellen. Zum Einen ist die vorgeschlagene Lösung leicht skalierbar, indem weiteren Zellen jeweils eine weitere Messsignalerzeugungseinheit zugeordnet wird, eine bestehende Auswerteeinrichtung jedoch auch zum Auswerten der Messsignale dieser weiteren Akkumulatorzellen verwendet werden kann. Zum Zweiten ist mit der vorgeschlagenen Lösung die Überwachung eines großen Spannungsbereichs möglich, insbesondere bei einer Serienschaltung einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen. Insbesondere ist ein Messsignal nur von der Zellenspannung abhängig, nicht jedoch von der Absolutspannung in einer Serienschaltung. Letzteres ist beispielsweise bei Multiple- xer-Lösungen aus dem Stand der Technik der Fall.
[0013] Beispielsweise ergibt die Batteriespannung bei einer Serienschaltung von 100 Lithiumionenakkumulatorzellen mit jeweils 3,7 Volt Zellenspannung in Summe 370 Volt. Bei einer direkten Auswertung der Messgröße müsste eine Auswerteeinrichtung somit auf diesen gesamten Spannungsbereich von 370 Volt ausgelegt sein. Eine einzelne Zellenspannung von ca. 3.7 Volt soll jedoch mit einer Genauigkeit von beispielsweise 1 % der Zellenspannung bestimmt werden können. Der erforderliche Dynamikbereich für eine Serienschaltung mit 100 Akkumulatorzellen ist somit um den Faktor 100 höher als für die Messung einer einzelnen Akkumulatorzelle. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung löst dieses Problem indem in der Messsignalerzeugungseinheit ein Messsignal erzeugt wird, welches von der jeweiligen Zellenspannung abhängt und dieses Messsignal der Auswerteeinheit zugeführt wird. Es ist somit nicht erforderlich, dass die Auswerteeinheit den gesamten Spannungsbereich einer Serienschaltung einer Vielzahl von Akkumulatorzellen abdeckt und einen entsprechenden Dynamikbereich aufweist.
[0014] Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die mindestens eine Messsignalerzeugungseinheit eine spannungsgesteuerte Stromquelle auf, die abhängig von der Zellenspannung der zugeordneten Akkumulatorzelle einen Ausgangsstrom als Messsignal erzeugt. Beispielsweise erfolgt die Implementierung mit zumindest einem Transistor. In einer vorteilhaften Ausgestaltung fließen in ausgeschaltetem Zustand, d.h. wenn die Messsignalerzeugungseinrichtung der Akkumulatorzelle nicht von der Auswahleinrichtung aktiviert ist, nur die Sperrströme der die jeweiligen Stromquellen bildenden Transistoren. Vorteilhaft sind diese Ströme geringer als die Selbstentladeströme der Akkumulatorzellen. [0015] Bei einer bevorzugten Weiterbildung weisen Ausgänge der jeweiligen Messsignalerzeugungseinheiten mehrerer Akkumulatorzellen einen gemeinsamen Knoten auf. Beispielsweise sind die Ausgänge mehrerer spannungsgesteuerter Stromquellen miteinander verbunden. Durch Aktivieren der jeweiligen Messsignalerzeugungseinheiten mit der Auswahleinrichtung kann somit bestimmt werden, welches Messsignal oder welche Messsignale einzeln oder gemeinsam, gleichzeitig oder nacheinander diesem gemeinsamen Knoten zugeführt werden und somit auf effiziente Weise von einer Auswerteeinrichtung erfasst und ausgewertet werden.
[0016] Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass mehr als ein Knoten vorhanden ist, dem jeweils ein oder mehrere Ausgänge der Messsignalerzeugungseinheiten zugeführt werden und somit eine Teil-Parallelisierung erfolgt. Bevorzugt werden die Ausgänge der Messsignalerzeugungseinheiten mehrerer Akkumulatorzellen jedoch einem gemeinsamen Knoten zugeführt, um eine kostengünstige Auswertung mit einer Auswerteeinrichtung zu ermöglichen.
[0017] Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Schaltungsanordnung weist die Auswerteeinrichtung einen Messwiderstand und einen Analog-zu-Digital-Wandler auf. Dies stellt eine besonders kostengünstige Lösung dar, da ein gemeinsamer Messwiderstand für eine Vielzahl an Messsignalerzeugungseinheiten, in diesem Beispiel spannungsgesteuerte Stromquellen, verwendet wird. Insbesondere kann ein Analog-zu-Digital- Wandler eines kostengünstigen Mikrocontrollers verwendet werden. Durch diesen erfindungsgemäßen Einsatz einer Messsignalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines Messsignals, beispielsweise eines zur Zellenspannung proportionalen Ausgangsstroms, ist es möglich einen Analog-zu-Digital-Wandler mit begrenztem Eingangsbereich einzusetzen. Statt beispielsweise einen kompletten Spannungsbereich von 0 bis 370 Volt abzudecken, liegt das zu erwartende Messsignal für jede der Akkumulatorzellen in der Serienschaltung in der gleichen Größenordnung. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass somit auch Nichtlinearitäten in der Kennlinie des Analog-zu-Digital-Wandlers einen geringeren Einfluss auf das Messergebnis haben.
[0018] Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die Auswahleinrichtung einen Adressdecoder auf. Im Allgemeinen aktiviert die Auswahleinrichtung basierend auf einem Eingangssignal, welches Informationen über die zu aktivierende Messsignalerzeugungs- einheit oder zu aktivierenden Messsignalerzeugungseinheiten trägt, die jeweiligen Mess- signalerzeugungseinheiten der Akkumulatorzellen. Die Aktivierung erfolgt beispielsweise über einen in der Messsignalerzeugungseinrichtung vorgesehenen Schalter, insbesondere über einen Transistor.
[0019] Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen ferner eine Ladungsausgleichseinheit zum Ladungsausgleich zwischen einzelnen Zellen auf. Eine derartige Ladungsausgleichseinheit ist beispielsweise als ein Widerstand realisierbar, welcher mit den beiden Klemmen einer Zelle verbunden oder verbindbar ist und somit zum Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen verwendet werden kann. Dies ist insbesondere während des Ladungsvorgangs und einer begrenzte Zeit danach von Bedeutung. Somit kann beispielsweise eine Überladung effektiv verhindert werden.
[0020] Vorzugsweise ist die Ladungsausgleichseinheit durch die Auswahleinrichtung aktivierbar. Somit kann der Ladungsausgleich gezielt in den notwendigen Fällen erfolgen. Sofern ein Ladungsausgleich nicht notwendig ist, wird jedoch keine zusätzliche Energie dafür verbraucht. Da der Ladungsausgleich selektiv für einzelne Akkumulatorzellen erfolgen kann, können andere Akkumulatorzellen dennoch weiter geladen werden.
[0021] Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung der Ladungsausgleichseinheit einer Akkumulatorzelle zusammen mit der Aktivierung der jeweiligen Messsignalerzeugungs- einheit der Akkumulatorzelle. Dies ermöglicht eine effiziente Implementierung und insbesondere eine Doppelnutzung der Auswahleinrichtung sowohl während eines Messvorgangs zum Messen der einzelnen Zellenspannungen als auch beim Ladungsausgleich. Die Auswahleinrichtung kann hierbei derart ausgestaltet sein, dass auch eine Aktivierung mehrerer Ladungsausgleichseinheiten einer oder mehrerer Akkumulatorzellen parallel möglich ist.
[0022] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner von einem Verfahren zum Messen einer einzelner Zellenspannungen in einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: Erfassen der einzelnen Zellenspannungen, Erzeugen eines von der erfassten Zellenspannung einer Akkumulatorzelle abhängigen Messsignals, wobei das Erfassen und/oder Erzeugen nacheinander jeweils für eine oder mehrere ausgewählte Akkumulatorzellen erfolgt, Auswerten des erzeugten Messsignals.
[0023] Ferner wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch von einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen gelöst, die eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen aufweist.
[0024] Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei die erfindungsgemäße Batterie und das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechender Weise, wie in den auf die Schaltungsanordnung bezogenen Unteransprüchen definiert ist, weitergebildet sein können.
[0025] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
[0026] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0027] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen und einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen und einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
Figur 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen und einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
[0028] In Fig. 1 ist eine Batterie 1 mit mehreren Akkumulatorzellen 10 und einer Schaltungsanordnung 2 zum Messen einzelner Zellenspannungen dargestellt. In dem gezeigten Beispiel sind mehrere Akkumulatorzellen 1 bis N in Serie geschaltet und mit Bezugszeichen 10-1 bis 10-N bezeichnet. Die Summe der Spannungen der Serienschaltung der Akkumulatorzellen 10, welche über den Klemmen 1 1 und 12 anliegt, ist mit Vbat bezeichnet. Batterien mit Serien und/oder Parallelschaltungen mehrerer Akkumulatorzellen sind allgemein bekannt.
[0029] Zum Messen einzelner Zellenspannungen in der Batterie 1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 2 vorgesehen. Diese Schaltungsanordnung 2 weist Messsignalerzeugungseinheiten 20, eine Auswahleinrichtung 30, sowie eine Auswerteeinrichtung 40 auf. Dabei ist jede Messsignalerzeugungseinheit 20-1 bis 20-N jeweils einer Akkumulatorzelle 10-1 bis 10-N der Batterie zugeordnet. Beispielsweise sind zwei Elektroden 13 und 14 der Akkumulatorzelle 10-3 mit Eingängen 23 bzw. 24 der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 verbunden oder zumindest verbindbar. Somit liegt die Zellenspannung der Akkumulatorzelle 10-3 an der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 an, woraus wiederum ein von der Zellenspannung der Akkumulatorzelle 10-3 abhängiges Messsignal 21 -3 erzeugt wird.
[0030] Das von der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 erzeugte Messsignal 21 -3 ist grundsätzlich von der Zellenspannung der Akkumulatorzelle 10-3 abhängig, beispielsweise ist das Messsignal 21 -3 proportional zur Zellenspannung. Alternativ kann auch eine andersartige, d.h. nicht proportionale Abhängigkeit gegeben sein, welche beispielsweise durch eine mathematische Funktion gegeben ist oder beispielsweise in Form einer Wertetabelle hinterlegt ist. Insbesondere kann eine derartige Abhängigkeit beim Auswerten des Messsignals 21 in der Auswerteeinrichtung 40 berücksichtigt werden.
[0031] Die Schaltungsanordnung 2 weist ferner die Auswahleinrichtung 30 zum Aktivieren einer Messsignalerzeugungseinheit 20 einer Akkumulatorzelle 10 auf. Die Auswahleinrichtung 30 ist mittels Steuerleitungen 31 mit den jeweiligen Messsignalerzeu- gungseinheiten 20 verbunden. Beispielsweise wird die Steuerleitung 31 -3 dem Eingang 25 der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 zugeführt, um ein Steuersignal zur Aktivierung der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 bereitzustellen. Bei Aktivierung der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 wird das Messsignal 21 -3 erzeugt und am Ausgang 26 der Messsignalerzeugungseinheit 20-3 bereitgestellt. Aktivieren kann hierbei als Auswählen und Einschalten verstanden werden.
[0032] Die jeweiligen Messsignale 21 -1 bis 21 -N der Messsignalerzeugungs- einheiten 20-1 bis 20-N werden im vorliegenden Beispiel einem gemeinsamen Knoten 22 zugeführt. Der gemeinsame Knoten 22 ist wiederum mit der Auswerteeinrichtung 40 verbunden. Somit können dem gemeinsamen Knoten 22 zugeführte Messsignale 21 -1 bis 21 -N der jeweils aktivierten Messsignalerzeugungseinheiten 20-1 bis 20-N von der Auswerteeinrichtung 40 ausgewertet werden. Optional ist die Auswerteeinrichtung 40 mit der Klemme 1 1 der Batterie verbunden, um beispielsweise ein Bezugspotential herzustellen. Optional ist ein Bezugspotential auf Masse gelegt.
[0033] Die Auswerteeinrichtung 40 kann ferner über eine Verbindung 41 mit der Auswahleinrichtung 30 verbunden sein. Hierdurch wird eine korrekte Zuordnung der durch die Auswahleinrichtung 30 aktivierten Messsignalerzeugungseinheiten 20 zu Messsignalen ermöglicht, welche von der Auswerteeinrichtung 40 ausgewertet werden. Beispielsweise wird von der Auswerteeinrichtung 40 ein Steuersignal an die Auswahleinrichtung 30 übermittelt, welches die zu aktivierende Messsignalerzeugungseinheit 21 definiert. Die Auswahleinrichtung 30 aktiviert daraufhin die entsprechende Messsignalerzeugungseinheit 20. Das dann an der Auswerteeinrichtung 40 anliegende Messsignal 21 kann somit der aktivierten Messsignalerzeugungseinheit und damit der zugeordneten Akkumulator- zelle zugeordnet werden. Optional sind die Auswerteeinrichtung 40 und die Auswahleinrichtung 30 als eine Einheit ausgeführt.
[0034] Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ist einfach skalierbar, so dass eine große Anzahl von Akkumulatorzellen 10 gemessen werden kann. Für weitere Akkumulatorzellen 10 ist es lediglich erforderlich, jeder weiteren Akkumulatorzelle eine Signalerzeugungseinheit 20 zuzuordnen und eine Auswahlmöglichkeit an der Auswahleinrichtung 30 zum Aktivieren der weiteren Messsignalerzeugungseinheiten 20 vorzusehen. Die Ausgänge 26 der weiteren Messsignalerzeugungseinheiten 20 können wiederum dem gemeinsamen Knoten 22 zugeführt werden. Eine Modifikation der Auswerteeinrichtung 40 ist nicht notwendigerweise erforderlich. Es ist lediglich die Zuordnung des ausgewerteten Messsignals 21 zu den jeweiligen Akkumulatorzellen 10 sicherzustellen.
[0035] Beispielsweise können Module mit einer Akkumulatorzelle 10 und einer Messsignalerzeugungseinheit 20 vorgesehen werden. Ein solches Modul verfügt beispielsweise über Kontakte 13 und 14 zum Einbringen in eine Serienschaltung mehrerer Akkumulatorzellen, einen Anschluss 25 zur Aktivierung sowie einen Ausgang 26 zum Bereitstellen des Messsignals 21. Eine Mehrzahl derartiger Module kann einfach kombiniert werden, um beispielsweise eine Serienschaltung mit einer gewünschten Ausgangsspannung zu erreichen. Ferner ist es im Falle eines Defekts möglich, derartige Module einfach auszutauschen.
[0036] Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1. Im Folgenden wird insbesondere auf die Unterschiede und weiteren Detaillierungen abgestellt.
[0037] Die Messsignalerzeugungseinheit 20 weist hierbei eine spannungsgesteuerte Stromquelle 27 auf, welche abhängig von der Zellenspannung der zugeordneten Akkumulatorzelle 10 einen Ausgangsstrom 21 ' als analoges Messsignal 21 erzeugen kann. Im vorliegenden Beispiel weist die Messsignalerzeugungseinheit 20 ferner einen Schalter 28 auf, welcher eine Verbindung zwischen einem Anschluss 16 einer Akkumulatorzelle 10-N und der spannungsgesteuerten Stromquelle 27 herstellen kann. Die Steue- rung des Schalters 28 erfolgt über eine Steuerleitung 31 , welche mit der Auswahleinrichtung 30 verbunden ist. Ein Steuereingang 23 der spannungsgesteuerten Stromquelle 27 ist mit einem zweiten Kontakt 15 der Akkumulatorzelle 10-N verbunden. Die Zellenspannung der Akkumulatorzelle 10-N zwischen den Anschlüssen 15 und 16 entspricht der an der spannungsgesteuerten Stromquelle 27 anliegenden bzw. durch den Schalter 28 anlegbaren Steuerspannung. Somit wird abhängig von der Zellenspannung der zugeordneten Akkumulatorzelle 10-N der Ausgangsstrom 21 '-N als Messsignal 21 -N erzeugt, sofern die Messsignalerzeugungseinheit 20 durch den Schalter 28 von der Auswahleinrichtung 30 aktiviert ist.
[0038] Für die erste Akkumulatorzelle 10-1 ist eine etwas andere Lösung vorgesehen, die sich aus dem fehlenden Offset durch vorhergehende Akkumulatorzellen ergibt. Beispielsweise ist hier eine Kombination aus Schalter 28 und optional einem Serienwiderstand 29 vorgesehen.
[0039] Die durch die Messsignalerzeugungseinheiten 20 erzeugten Messsignale 21 , insbesondere die erzeugten Ströme 21 ', werden wiederum dem gemeinsamen Knoten 22 zugeführt.
[0040] Die Auswerteeinrichtung 40 zum Auswerten der Messsignale 21 der aktivierten Messsignalerzeugungseinheiten 20 weist im vorliegenden Beispiel einen Messwiderstand 42 und einen Analog-zu-Digital-Wandler 43 auf. Insbesondere kann der Analog-zu-Digital-Wandler in einem MikroController 44 enthalten sein. Ein dem gemeinsamen Knoten 22 zugeführter Ausgangsstrom 21 ' verursacht einen Spannungsabfall über den Messwiderstand 42. Dieser Spannungsabfall kann wiederum vom Analog-zu-Digital- Wandler 43 des MikroControllers 44 ausgewertet werden und daraus auf die Spannung einer Akkumulatorzelle rückgeschlossen werden. Vorzugsweise werden die den einzelnen Akkumulatorzellen 10 zugeordneten Messsignalerzeugungseinheiten 20 nacheinander jeweils einzeln aktiviert, ein zur jeweiligen Zellenspannung proportionaler Ausgangsstrom 21 ' erzeugt, dieser dem Messwiderstand 42 zugeführt, der Spannungsabfall über den Messwiderstand 42 ausgewertet und somit nacheinander die einzelnen Zellenspannungen bestimmt. [0041] Die Auswahleinrichtung 30 zum Aktivieren der Messsignalerzeugungs- einheiten 20 weist in Fig. 2 einen Adressdecoder 32 auf, welcher über die Verbindung 41 vom MikroController 44 ein Steuersignal enthält, welches vom Adressdecoder 32 in Ausgangssignale an den Steuerleitungen 31 umgesetzt wird, welche den Schaltern 28 der Messsignalerzeugungseinheiten 20 zugeführt werden und durch Schließen der jeweiligen Schalter 28 die Messsignalerzeugungseinheiten 20 aktivieren.
[0042] Optional ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eine Lastausgleichseinheit 51 zum Ladungsausgleich zwischen einzelnen Akkumulatorzellen vorgesehen. In Fig. 2 ist als Ladungsausgleichseinheit 51 ein Widerstand vorgesehen, über welchen eine zusätzliche Belastung realisierbar ist, welche zum Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen verwendet werden kann. Der Widerstand kann hierfür parallel zur zugeordneten Akkumulatorzelle 10 geschaltet werden.
[0043] Vorteilhaft ist die Ladungsausgleichseinheit 51 durch die Auswahleinrichtung 30 aktivierbar. Insbesondere erfolgt die Aktivierung der Ladungsausgleichseinheit 51 einer Akkumulatorzelle 10 zusammen mit der Aktivierung der Messsignalerzeugungs- einheit 20 der Akkumulatorzelle 10. Dies ermöglicht eine effiziente Beschaltung, wie beispielsweise für Akkumulatorzelle 10-N gezeigt, wobei ein einzelner Schalter 28 sowohl die spannungsgesteuerte Stromquelle 27 als auch die Ladungsausgleichseinheit 51 aktiviert, indem die Kontakte des Widerstands über den Schalter 28 mit den Anschlüssen 15 bzw. 16 der Akkumulatorzelle 10-N verbunden werden.
[0044] Eine alternative Lösung ist für Akkumulatorzelle 10-1 gezeigt, wobei ein separater Schalter 28' für die Aktivierung der Ladungsausgleichseinheit 51 vorgesehen ist. Hierbei können die Schalter 28 und 28' wahlweise zusammen oder unabhängig voneinander geschaltet werden. Der Einsatz einer Ladungsausgleichseinheit ist insbesondere während des Ladevorgangs und einer begrenzte Zeit danach vorteilhaft, da so effektiv und kostengünstig eine Überladung der einzelnen Akkumulatorzellen 10 verhindert werden kann. [0045] Fig. 3 zeigt detailliert eine vorteilhafte schaltungstechnische Implementierung der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung 2. Hierbei sind beispielhaft die ersten beiden Akkumulatorzellen 10-1 und 10-2 mit den zugehörigen Elementen abgebildet. Etwaige Schaltungen für weitere Akkumulatorzellen 10 entsprechen der für Akkumulatorzelle 10-2 gezeigten Anordnung. Für Akkumulatorzelle 10-1 ist wiederum eine etwas andere Lösung vorgesehen, die sich aus dem fehlenden Offset vorangehender Akkumulatorzellen ergibt.
[0046] Die Auswahleinrichtung 30 und Auswerteeinrichtung 40 sind hierbei in Form eines MikroControllers 44 realisiert, der bereits einen Analog-zu-Digital-Wandler 43 aufweist. Am Eingang des Analog-zu-Digital-Wandlers 43 ist ferner ein optionaler Stützkondensator 45 vorgesehen, welcher parallel zum Messwiderstand 42 angeordnet ist. Die Aktivierung der einzelnen Messsignalerzeugungseinheiten 20 erfolgt über Steuersignale 31 , beispielsweise direkt über Pins des Mikrocontrollers 44. Somit kann zur Kostenreduzierung auf einen zusätzlichen, externen Adressdecoder 32 verzichtet werden.
[0047] Im Folgenden wird die Funktionsweise der Messsignalerzeugungseinheit 20-2 kurz erläutert. Das Steuersignal 31 -2 schaltet einen ersten Transistor 61 in leitenden Zustand. Dieser ist über einen Serienwiderstand 62 mit Masse verbunden und sorgt somit für einen Spannungsabfall am Knoten 63. Der Knoten 63 ist über die Serienwiderstände 64 und 65 an das obere Potential 18 der Akkumulatorzelle 10-2 angeschlossen. Durch das Potential am Knoten 63 wird ein Stromfluss der Transistoren 66 und 67 ermöglicht. Der Transistor 67 ist über einen Serienwiderstand 68 ebenfalls mit dem oberen Anschluss 18 der Akkumulatorzelle 10-2 verbunden. Der Steueranschluss des Transistors 67 ist über den Transistor 66 mit dem unteren Potential 17 der Akkumulatorzelle 10-2 verbunden. Hierdurch wirkt der Transistor 67 in dieser Schaltungsanordnung als spannungsgesteuerte Stromquelle, welche einen Ausgangsstrom 21 '-2 bewirkt. Dieser Ausgangsstrom 21 '-2 wird einem gemeinsamen Knoten 22 zugeführt und, wie für Fig. 2 beschrieben, von dem Mikrocontroller 44 als Auswerteeinrichtung ausgewertet, um dadurch die Zellenspannungen der Akkumulatorzelle 10-2 zu bestimmen.
[0048] Die modifizierte Schaltung für Akkumulatorzelle 10-1 funktioniert in ähnlicher Weise, jedoch mit Modifikationen aufgrund des fehlenden Offsets. [0049] In dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist ferner eine Ladungsausgleichseinheit 51 vorgesehen. Diese besteht aus einem Transistor 52 und einem Serienwiderstand 53. Die Ansteuerung der Ladungsausgleichseinheit erfolgt über den Transistor 52 gemeinsam mit der Messsignalerzeugungseinheit 20.
[0050] Als Vorteil dieser Lösung fließen im ausgeschalteten Zustand nur die Sperrströme der auswählenden und der die Stromquellen bildenden Transistoren. Diese Ströme liegen im Allgemeinen in der Größenordnung von einigen Nanoampere und sind somit weit geringer, als typische Selbstentladeströme der Akkumulatorzellen 10.
[0051] Durch eine werkseitige Kalibrierung können bei dieser Lösung ferner etwaige Bauteiltoleranzen weitgehend kompensiert werden. Ferner sorgt der Entwurf der Stromquellen für eine ausreichende Temperaturunabhängigkeit. Eine solche Temperaturunabhängigkeit ist insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich wünschenswert. Durch eine entsprechende Auswahl der Bauteile, insbesondere der Transistoren, können somit Batterien bis zu einigen 100 V sehr kostengünstig überwacht werden. Insbesondere kann für die vorgeschlagene Schaltungsanordnung weitgehend auf kommerziell erhältliche Standardbauteile zurückgegriffen werden.
[0052] Zusammenfassend ermöglicht es die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie mit mehreren Akkumulatorzellen, somit eine große Anzahl von Akkumulatorzellen mit einer kostengünstigen und skalierbaren Beschaltung individuell zu messen.

Claims

Patentansprüche
1 . Schaltungsanordnung (12) zum Messen einzelner Zellenspannungen in einer Batterie (1 ) mit mehreren Akkumulatorzellen (10), mit
- zumindest einer Messsignalerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines Messsignals (21 ), wobei jede Messsignalerzeugungseinheit (20) einer Akkumulatorzelle (10) der Batterie (1 ) zugeordnet ist und wobei das Messsignal (21 ) von einer Zellenspannung der Akkumulatorzelle (10) abhängt,
- einer Auswahleinrichtung (30) zum Aktivieren der mindestens einen Messsignalerzeugungseinheit (20) der jeweiligen Akkumulatorzelle (10), und
- einer Auswerteeinrichtung (40) zum Auswerten des Messsignals (21 ) der jeweils aktivierten Messsignalerzeugungseinheit (20).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , wobei die mindestens eine Messsignalerzeugungseinheit (20) eine spannungsgesteuerte Stromquelle (27) aufweist, die abhängig von der Zellenspannung der zugeordneten Akkumulatorzelle (10) einen Ausgangsstrom (21 ') als Messsignal (21 ) erzeugt.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Ausgänge (26) der jeweiligen Messsignalerzeugungseinheiten (20) mehrerer Akkumulatorzellen (10) einen gemeinsamen Knoten (22) aufweisen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (40) einen Messwiderstand (42) und einen Analog-zu-Digital- Wandler (43) aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahleinrichtung (30) einen Adressdecoder (32) aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Ladungsausgleichseinheit (51 ) zum Ladungsausgleich zwischen einzelnen Akkumulatorzellen (10).
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Ladungsausgleichseinheit (51 ) durch die Auswahleinrichtung (30) aktivierbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Aktivierung der Ladungsausgleichseinheit (51 ) einer Akkumulatorzelle (10) zusammen mit der Aktivierung der jeweiligen Messsignalerzeugungseinheit (20) der Akkumulatorzelle (10) erfolgt.
9. Verfahren zum Messen einzelner Zellspannungen in einer Batterie (1 ) mit mehreren Akkumulatorzellen (10), mit den Schritten:
- Erfassen der einzelnen Zellenspannungen,
- Erzeugen eines von der erfassten Zellenspannung einer Akkumulatorzelle abhängigen Messsignals (21 ), wobei das Erfassen und/oder Erzeugen nacheinander jeweils für eine oder mehrere ausgewählte Akkumulatorzellen (10) erfolgt,
- Auswerten des erzeugten Messsignals (21 ).
10. Batterie (1 ) mit mehreren Akkumulatorzellen (10) und einer Schaltungsanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Messen einzelner Zellenspannungen.
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