WO2015121085A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen eines batteriezellenstromes - Google Patents

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WO2015121085A1
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unit
cell unit
stored energy
voltage
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Bernhard Springer
Philipp Hillenbrand
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for measuring a battery cell current
  • Current battery systems are composed of a plurality of battery cell control units each having a battery cell, whereby an individual control of the individual battery cells connected to the battery cell control unit is made possible.
  • the battery cells are connected in series via the battery cell control units.
  • a central control unit for controlling the battery system is present.
  • individual battery cells with the aid of the battery cell control units, either in positive or in negative polarity, relative to the tap of the
  • Terminals of the associated battery cell control unit are electrically conductively connected ("bridged" state).
  • control of the battery system is such that battery cells, depending on their state of charge and other state variables (e.g., SOH).
  • the SOH can be determined from the instantaneous cell voltage and the already extracted energy, which is possible with the aid of a current sensor.
  • each battery cell can be driven independently of the other battery cells, each requires Battery cell one way to determine the charge / discharge current, with which it is currently charged / discharged.
  • the current measurement can eg by a shunt resistance measurement or a Hall sensor on each of the
  • the battery system 60 includes a plurality of series connected ones
  • Battery cell control units 61 also called smart cell units.
  • Battery cell control units 61 includes a battery cell 64.
  • Battery cell control units 61 are over a unidirectional
  • the battery cells 64 of the battery cell control units 61 can be individually controlled by a control signal of the central controller 63 via the unidirectional
  • Communication interface 62 are inserted into a series circuit of all battery cells 54 or bridged in this.
  • the inventive method for measuring a battery cell current through a battery cell unit comprises the steps of discharging an inductively stored energy of the battery cell unit after switching off the battery cell unit by means of a discharge unit, wherein the inductively stored energy of the battery cell unit by an inductive
  • Behavior of the battery cell unit is stored energy, a determination of a period of time in which the inductively stored energy except for a given
  • Threshold has dropped, and determining a battery cell current based on the determined period of time.
  • the inventive device for measuring a battery cell current through a battery cell unit comprises a discharge unit that discharges an inductively stored energy of the battery cell unit after a shutdown of the battery cell unit, wherein the inductively stored energy of the battery cell unit is a stored by an inductive behavior of the battery cell unit energy, a measuring unit, the determines a period of time in which the inductively stored energy of the battery cell unit except for a given
  • Threshold has dropped, and an evaluation unit that has a
  • Battery cell current determined based on the determined time duration. In this way, a cost-effective way of determining a current that has flowed through a battery cell unit immediately before shutdown is provided. In addition, by discharging voltage spikes are avoided when switching the battery cell, which are caused by the inductive behavior of the battery cell unit. Since the battery power occurs when the battery cell is switched off, external disturbances on the measurement are also minimized. In particular, already existing
  • Battery cell unit caused measurement voltage is detected. This allows a measurement of the inductively stored energy of the battery cell unit with little effort.
  • means for measuring a measuring voltage are already provided in many batteries, whereby no additional means for detecting the stored energy of the battery cell unit are required and thus a cost advantage arises.
  • a MOSFET is particularly advantageous, as such for the Leading and blocking of large electrical currents and voltages is optimized, which occur in a series connection of multiple battery cells.
  • Battery cell unit via a parasitic diode of a MOSFET, which breaks down due to a voltage caused by the inductively stored energy of the battery cell unit voltage.
  • the number of necessary components can be further reduced, resulting in higher reliability and lower costs.
  • it is ensured in a simple manner that the discharge unit is active only during a discharge phase.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit is used to switch the transistor in order to discharge the inductively stored energy of the battery cell unit via the switched transistor.
  • an additional switching voltage and means for providing this additional switching voltage can be dispensed with.
  • Zener diode is triggered, which goes into breakthrough due to a voltage caused by the inductively stored energy of the battery cell unit and thus provides a voltage for switching the transistor. This ensures in a simple manner that the discharge unit is active only during a discharge phase.
  • a battery cell control unit is advantageous which comprises the device for measuring the battery cell current and the battery cell unit. This is advantageous because it provides an inexpensive battery cell control unit with the aforementioned advantages that can be used in current battery systems.
  • a battery is advantageous which comprises at least one battery cell control unit according to the invention. It is thus created a low-cost battery with the aforementioned advantages.
  • Figure 1 is a flow chart of a preferred invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a battery cell control unit with a device for measuring a battery cell current in a first preferred embodiment according to the invention
  • Figure 3 is a diagram showing voltages and currents at one
  • FIG. 4 is a schematic representation of a battery cell control unit with a device for measuring a battery cell current in a second preferred invention
  • Figure 5 is a diagram showing the voltages and currents at one
  • Discharge unit according to the second preferred embodiment of the invention, and Figure 6 is a schematic representation of a battery according to the prior art with a plurality of battery cell control units.
  • FIG. 1 shows a flowchart of a preferred invention
  • the method comprises a first step S1, a second step S2 and a third step S3.
  • the method is advantageous by a signal for switching off a
  • a signal can be output, for example, from a central controller, a battery. If the method has been initiated, first the first step S1, then the second step S2 and finally the third Step S3 executed. After executing the third step S3, the process is ended.
  • Battery cell unit 20 by means of a discharge unit 10.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit 20 is stored by an inductive behavior of the battery cell unit 20 energy.
  • Battery cell unit 20 is a unit that includes at least one battery cell 23.
  • the battery cells 23 of a battery cell unit 20 may be connected in series and / or in parallel with each other.
  • Each of the battery cells 23 has an inductive behavior when the battery cell 23 is turned off.
  • Disconnected means that the battery cell 23 is disconnected from a load.
  • the inductive behavior of the battery cell 23 may be due to the physical structure of the battery cell 23, for example. So can one
  • Battery cell unit 20 is thus an energy which, in addition to the electrochemically stored energy of the battery cell unit 20, is temporarily stored in the battery cell unit 20.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit 20 is inventively after switching off the
  • Battery cell unit 20 by a discharge unit 10 completely or partially discharged for this purpose, for example, an electrically conductive connection of a connection pole 21, 22 of the battery cell unit to a ground point is established or a connection of a connection pole 21, 22 of FIG
  • This electrically conductive connection preferably has a resistance by which a speed of the discharge can be influenced.
  • this electrically conductive connection is disconnected as soon as the inductively stored energy of the battery cell unit 20 is discharged in order to avoid discharging the electrochemically stored energy of the battery cell unit 20 via the discharge unit 10.
  • a determination is made of a time duration t M in which the inductively stored energy of the battery cell unit 20 drops to a given threshold value.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit 20 can be measured directly and the measured value compared with a threshold value.
  • a parameter can be measured which is influenced by the inductively stored energy of the battery cell unit 20. For example, after switching off the
  • a voltage across the discharge unit 10 and / or the battery cell unit 20 are measured and compared with a threshold value, which is a voltage value S in this case.
  • a threshold value which is a voltage value S in this case.
  • the time duration t M can also be a time interval between the time of switching off and an event that occurs when the inductively stored energy of the battery cell unit 20 has reached the threshold value. Such an event could be, for example, stopping the discharge by the
  • Discharge unit 10 or the switching of a transistor.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a battery cell control unit 50 having a device for measuring a battery cell current I B in a first preferred embodiment according to the invention.
  • the battery cell control unit 50 shown in FIG. 2 carries out the method described above.
  • the battery cell control unit 50 comprises a battery cell unit 20, a discharge unit 10, a measuring unit 30 and an evaluation unit 40.
  • the battery cell control unit 50 has a first connection contact 51, a second connection contact 52 and a control contact 53.
  • the discharge unit 10 in this first embodiment includes a MOSFET 14.
  • Battery cell unit 20 comprises a first connection pole 21 and a second connection pole 22. Between the first and the second connection pole 21, 22 several battery cells 23 are connected in series.
  • the measuring unit 30 comprises a first measuring input 31 and a second measuring input 32.
  • the MOSFET 14 has the property that at a breakdown voltage S greater than an open circuit voltage of the battery cell unit 20, a
  • Avalanche breakdown between a drain contact 1 1 and a source contact 12 of the MOSFET 14 takes place.
  • This avalanche breakdown is a breakdown of a parasitic diode between the drain contact 1 1 and the source contact 12 of the MOSFET 14th
  • the first connection contact 51 is electrically conductive with the first
  • Terminal pole 21 connected.
  • the second terminal pole 22 is electrically conductively connected to the first measuring input 31 and the drain contact 1 1 of the MOSFET 14.
  • the second connection contact 52 is electrically conductively connected to the second measuring input 32 and the source contact 12 of the MOSFET 14.
  • a gate contact 13 of the MOSFET 14 is connected to the control input 53 via a resistor R.
  • the evaluation unit 40 is coupled to the measuring unit 30 in such a way that at least one signal from the measuring unit 30 can be transmitted to the evaluation unit 40, which describes the time duration t M.
  • the battery cell control unit 50 further comprises a switching unit 54, which is designed here as a mechanical switch, but can also be a transistor or another electrical switch.
  • This switching unit 54 is connected between the first terminal 51 and the second terminal 52.
  • the switching unit 54 in an open state allows the battery cell unit 20 to be connected to other battery cell units of others
  • the battery cell unit 20 in a series circuit with other battery cell units to bridge. If a corresponding control voltage U G s applied to the control input 53, the MOSFET 14 turns on and thus a current flow between the drain contact 1 1 and the source contact 12 is made possible. This state is shown in a first period 100 in the diagram of FIG. In this case, the battery cell current I B by a dashed line, a
  • a battery cell current I B may flow from the first terminal 51 via the battery cell unit 20 and the discharge unit 10 to the second terminal 52.
  • a measuring voltage U D s between the drain contact 1 1 and the source contact 12 is measured.
  • the measuring voltage U D s between the drain contact 1 1 and the source contact 12 "0" volts when the control voltage U G s is applied to the control input 53, since the resistance between the drain contact 1 1 and the source
  • Control input 53 is present. Simultaneously with the switching off of the battery cell unit 20, this is bridged by closing the switching unit 54 in order not to interrupt a flow of current through any further battery cell units 20 connected in series with the battery cell unit 20. This state is shown in the diagram from FIG. 3 in a second time period 200.
  • Control voltage U G is interrupted and drops to "0" volts, in which state the MOSFET 14 switches off and the current flow between the drain contact 11 and the source contact 12 is interrupted due to the missing or at least high-resistance electrical connection between the drain contact 1 1 and the source contact 12 there is a measurement voltage U D s greater than
  • the measurement voltage U D s exceeds the open circuit voltage of the battery cell unit 20.
  • the avalanche breakdown of the MOSFET 14 takes place and there is an electrically conductive connection between the drain contact 1 1 and the
  • Source contact 12 made.
  • the energy stored inductively in the battery cell unit 20 is discharged via this electrically conductive connection and thus via the MOSFET 14 or via the discharge unit 10, since the Battery cell unit 20 via the switching unit 54 and the MOSFET 14 is shorted. Since the inductively stored energy of the
  • Battery cell unit 20 decreases, also decreases the measurement voltage UDS between the drain contact 1 1 and the source contact 12. If the breakdown voltage S of the MOSFET 14 by the decreasing measurement voltage
  • the MOSFET 1 1 blocks the electrically conductive connection between the drain contact 1 1 and the source contact 12.
  • the measuring voltage UDS falls to the value of a voltage of the battery cell unit (or a voltage of a battery, if several battery cell units in Series are switched off).
  • the battery cell control unit 50 thus transitions to the state represented by the third time period 300 in FIG.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit 20 is thus discharged after switching off the battery cell unit 20 by means of the discharge unit 10 and thus carried out the first step S1 described above.
  • Breakthrough voltage S falls below again, measured.
  • the measuring unit 30 is set up to determine the time duration t M between this rise and fall of the measuring voltage U D s. This determined time duration t M is transmitted to the evaluation unit 40 as an analogue or digital value.
  • the time period t M is determined by the measuring unit 30, in which the inductively stored energy of the battery cell unit has dropped to a given threshold.
  • the threshold is in this first
  • the above-described second step S2 is performed by the measuring unit 30.
  • the determined time duration t M is converted into a digital value and transmitted from the measuring unit 30 to the evaluation unit 40.
  • the determined time duration t M is compared with a predetermined table, and thus the determined time duration t M is converted into a value which describes the battery cell current I B.
  • a table can be specified, for example, at the factory and be created in advance by a series of tests with simultaneous direct measurement of the battery current I B.
  • an inductance of the battery cell unit 20 could be determined and the battery cell current l B are calculated by the evaluation unit 40.
  • the evaluation unit 40 thus determines the battery cell current I B based on the determined time duration t M.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a battery cell control unit with a device for measuring a battery cell current in a second preferred embodiment according to the invention.
  • the battery cell control unit 50 shown in FIG. 4 becomes the method described above
  • the battery cell control unit 50 includes a battery cell unit
  • the battery cell control unit 50 has a first connection contact 51, a second connection contact 52 and a control contact 53.
  • the discharge unit 10 in this second embodiment includes a MOSFET 14, a diode 15, and a Zener diode 16.
  • the battery cell unit 20 includes a first terminal pole 21 and a second terminal pole 22. Several battery cells 23 are connected in series between the first and second terminal posts 21, 22 connected.
  • the measuring unit comprises a first measuring input 31 and a second measuring input 32.
  • the Zener diode 16 has the property that at a Zener voltage S which is larger than an open circuit voltage of the battery cell unit 20, a
  • the first connection contact 51 is electrically conductive with the first
  • Terminal pole 21 connected.
  • the second terminal pole 22 is electrically conductively connected to the first measuring input 31 and the drain contact 1 1 of the MOSFET 14.
  • the second connection contact 52 is electrically conductively connected to the second measuring input 32 and the source contact 12 of the MOSFET 14.
  • a gate contact 13 of the MOSFET 14 is electrically conductively connected via a resistor R to the control input 53.
  • An anode of the diode 15 is electrically conductively connected to the drain contact 1 1 and a cathode of the diode 15 is electrically conductively connected to a cathode of the zener diode 16.
  • An anode of the zener diode 16 is electrically conductively connected to the gate contact 13.
  • the evaluation unit 40 is coupled to the measuring unit 30 in such a way that at least one signal from the measuring unit 30 the evaluation unit 40 can be transmitted, which describes the time duration t M.
  • the battery cell control unit 50 further comprises a switching unit 54, which is designed here as a mechanical switch, but can also be a transistor or another electrical switch.
  • This switching unit 54 is connected between the first terminal 51 and the second terminal 52.
  • the switching unit 54 in an open state allows the battery cell unit 20 to be connected to other battery cell units of others
  • Connection contact 51, 52 drains. This state is shown in a first period 101 in the diagram of FIG. In this case, in FIG.
  • Battery cell control unit 50 is shot, a battery cell current l B from the first terminal 51 via the battery cell unit 20 and the
  • Discharge unit 10 to the second terminal contact 52 flow.
  • a measuring voltage U D s between the drain contact 1 1 and the source contact 12 is measured.
  • the measurement voltage U D s is "0" volts when the control voltage U G s is applied to the control input 53, since the electrical resistance between the drain
  • This state is shown in the diagram from FIG. 5 in a second time period 201.
  • the control voltage U G swird interrupted and falls off. In this state, the MOSFET 14 turns off and the current flow between the drain contact 1 1 and the source contact 12 is interrupted.
  • Battery cell unit 20 inductively stored energy is via this electrically conductive connection and thus via the MOSFET 14 and over the
  • Discharge unit 10 discharge because the battery cell unit 20 via the switching unit 54 and the MOSFET 14 is shorted. Because the inductively stored
  • UDS drops to the value of a voltage of the battery cell unit 20 (or a voltage of a battery if a plurality of battery cell units are connected in series).
  • the battery cell control unit 50 transits to the state represented by the third time period 301 in FIG.
  • the inductively stored energy of the battery cell unit 20 is discharged after switching off the battery cell unit 20 by means of the discharge unit 10, and thus the above-described first step S1 performed.
  • the voltage U D s and thus also the increase of the measuring voltage U D s on the open circuit voltage after switching off and the drop of the measuring voltage U D s, when the Zener voltage S again
  • the measuring unit 30 is set up to determine the time duration t M between this rise and fall of the measuring voltage U D s. This determined time duration t M is transmitted to the evaluation unit 40 as an analogue or digital value. Thus, the time period t M is determined by the measuring unit 30, in which the inductively stored energy of
  • Battery cell unit 20 has dropped to a given threshold.
  • the above-described second step S2 is performed by the measuring unit 30.
  • the determined time duration t M is converted into a digital value and transmitted from the measuring unit 30 to the evaluation unit 40.
  • the determined time duration t M is compared with a predetermined table, and thus the determined time duration t M is converted into a value which describes the battery cell current I B.
  • a table can be specified, for example, at the factory and be created in advance by a series of tests with simultaneous direct measurement of the battery current I B.
  • an inductance of the battery cell unit 20 could be determined and the battery cell current I B can be calculated by the evaluation unit 40.
  • the evaluation unit 40 thus determines the battery cell current I B based on the determined time duration t M.
  • battery cell units 20 in a battery or a battery system are often turned on and off so that uniform loading of all cells occurs.
  • the energy stored by the charging or discharging current in the inductance of the cell must be dissipated. This can take place, for example, by utilizing the avalanche operation of a MOSFET 14 or, with the aid of a
  • Zener diode in linear operation of the MOSFET 1 1.
  • a source voltage of the MOSFET increases after switching off the
  • Battery cell current l B very quickly up to the blocking voltage of the MOSFET or the Zener voltage of the zener diode until the energy is dissipated and then drops back to the level of battery voltage.
  • the time duration t M which the source contact 12 of the MOSFET 14 at the higher
  • This time period t M may be through the typically present in each battery cell control unit 50
  • Microcontroller unit can be easily measured.
  • Each battery cell control unit 50 knows the time that it has been charged or discharged. By the inventive method know the
  • Battery cell control unit 50 also the associated battery cell current l B. Thus, it is possible for the battery cell control unit 50 to calculate what energy it has already delivered. Considering the open circuit voltage of the battery cell unit 20 in direct comparison with the already discharged power, it is possible for the battery cell control unit 50
  • SOH State of health

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes durch eine Batteriezelleneinheit. Dabei erfolgt ein Entladen (S1) einerinduktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit nach einem Abschalten der Batteriezelleneinheit mittels einer Entladeeinheit, wobei die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit eine durch ein induktives Verhalten der Batteriezelleneinheit gespeicherte Energie ist, ein Ermitteln (S2) einer Zeitdauer, in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit bis auf einen gegebenen Schwellenwert abgefallen ist, und ein Bestimmen (S3) eines Batteriezellenstroms basierend auf der ermittelten Zeitdauer.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Messen eines Batteriezellenstromes.
Aktuelle Batteriesysteme sind aus mehreren Batteriezellensteuereinheiten mit jeweils einer Batteriezelle aufgebaut, wodurch eine individuelle Steuerung der einzelnen mit der Batteriezellensteuereinheit verschalteten Batteriezellen ermöglicht wird. Die Batteriezellen sind über die Batteriezellensteuereinheiten in einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Darüber hinaus ist eine zentrale Steuereinheit zur Steuerung des Batteriesystems vorhanden. Zur Erzeugung einer geregelten Gesamtausgangsspannung des Batteriesystems werden einzelne Batteriezellen mit Hilfe der Batteriezellensteuereinheiten entweder in positiver oder in negativer Polarität, relativ zum Abgriff der
Gesamtausgangsspannung, in die Reihenschaltung eingebracht (Zustand „positiv zugeschaltet" oder„negativ zugeschaltet"), oder ausgeschaltet, d.h. die Batteriezellen werden von der Reihenschaltung getrennt und die
Anschlussklemmen der zugehörigen Batteriezellensteuereinheit werden elektrisch leitfähig verbunden (Zustand„überbrückt").
Darüber hinaus erfolgt die Steuerung des Batteriesystems so, dass Batteriezellen in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand und weiteren Zustandsgrößen (z.B. SOH
- State of Health), aktiviert werden, wodurch ein aktives Balancing der
Batteriezellen ermöglicht wird.
Der SOH kann anhand der momentanen Zellspannung und der bereits entnommenen Energie bestimmt werden, was mit Hilfe eines Stromsensors möglich ist. Da bei einem solchen Batteriesystem jede Batteriezelle unabhängig von den anderen Batteriezellen angesteuert werden kann, benötigt jede Batteriezelle eine Möglichkeit, den Lade-/Entladestrom zu bestimmen, mit dem sie momentan geladen/entladen wird. Die Strommessung kann z.B. durch eine Shuntwiderstandsmessung oder einen Hallsensor auf jeder der
Batteriezellensteuereinheiten erfolgen.
Ein Batteriesystem bzw. eine Batterie 60 nach dem Stand der Technik ist in Figur 6 gezeigt. Das Batteriesystem 60 umfasst mehrere in Reihe geschaltete
Batteriezellensteuereinheiten 61 (auch Smart-Cell-Units genannt). Jede
Batteriezellensteuereinheiten 61 umfasst eine Batteriezelle 64. Die
Batteriezellensteuereinheiten 61 sind über eine unidirektionale
Kommunikationsschnittstelle 62 mit einem zentralen Regler 63 verbunden. Die Batteriezellen 64 der Batteriezellensteuereinheiten 61 können einzeln durch ein Steuersignal des zentralen Reglers 63 über die unidirektionale
Kommunikationsschnittstelle 62 in eine Reihenschaltung aller Batteriezellen 54 eingefügt werden oder in dieser gebrückt werden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen eines Batteriezellenstromes durch eine Batteriezelleneinheit umfasst die Schritte eines Entladens einer induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit nach einem Abschalten der Batteriezelleneinheit mittels einer Entladeeinheit, wobei die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit eine durch ein induktives
Verhalten der Batteriezelleneinheit gespeicherte Energie ist, eines Ermitteins einer Zeitdauer, in der die induktiv gespeicherte Energie bis auf einen gegebenen
Schwellenwert abgefallen ist, und eines Bestimmens eines Batteriezellenstroms basierend auf der ermittelten Zeitdauer.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes durch eine Batteriezelleneinheit umfasst eine Entladeeinheit, die eine induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit nach einem Abschalten der Batteriezelleneinheit entlädt, wobei die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit eine durch ein induktives Verhalten der Batteriezelleneinheit gespeicherte Energie ist, eine Messeinheit, die eine Zeitdauer ermittelt, in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit bis auf einen gegebenen
Schwellenwert abgefallen ist, und eine Auswertungseinheit, die einen
Batteriezellenstrom basierend auf der ermittelten Zeitdauer bestimmt. Auf diese Weise wird eine kostengünstige Möglichkeit zur Bestimmung eines Stroms, welcher unmittelbar vor dem Abschalten durch eine Batteriezelleneinheit geflossen ist, geschaffen. Zudem werden durch das Entladen Spannungsspitzen beim Einschalten der Batteriezelle vermieden, die durch das induktive Verhalten der Batteriezelleneinheit verursacht werden. Da der Batteriestrom bei abgeschalteter Batteriezelle erfolgt, werden zudem externe Störeinflüsse auf die Messung minimiert. Insbesondere können bereits vorhandene
Leistungselektronik-Bauteile einer herkömmlichen Batteriezellensteuereinheit genutzt werden. Des Weiteren ist kein zusätzlicher Widerstand im Leistungspfad erforderlich, wodurch Leistungsverluste minimiert werden. Insbesondere gegenüber einer Messung mittels eines Hall-Sensors wird eine kostengünstige Alternative geschaffen. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Es ist vorteilhaft, wenn das Abschalten der Batteriezelleneinheit durch die Entladeeinheit, erfolgt. Durch eine solche Mehrfachnutzung der Entladeeinheit kann die Anzahl notwendiger Bauelemente einer Batteriezellensteuereinheit verringert werden, wodurch ein Kostenvorteil entsteht.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit mittels einer nach dem Abschalten durch die
Batteriezelleneinheit verursachten Messspannung erfasst wird. Dies ermöglicht eine Messung der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit mit geringem Aufwand. Insbesondere sind in vielen Batterien bereits Mittel zum Messen eine Messspannung bereitgestellt, wodurch keine zusätzlichen Mittel zum Erfassen der gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit benötigt werden und somit ein Kostenvorteil entsteht.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Entladen der gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit und/oder das Abschalten der Batteriezelleneinheit über einen Transistor, insbesondere einen MOSFET, der Entladeeinheit erfolgt. Durch die schnellen Schaltzeiten eines Transistors kann damit eine besonders präzise Messung erfolgen. Zudem werden andere induktive verursachte
Spannungsspitzen, wie sie bei anderen Schaltern auftreten können, weitgehend vermieden. Ein MOSFET ist insbesondere vorteilhaft, da ein solcher für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist, die bei einer Reihenschaltung mehrerer Batteriezellen auftreten.
Vorteilhaft erfolgt das Entladen der induktiv gespeicherten Energie der
Batteriezelleneinheit über eine parasitäre Diode eines MOSFETs, die aufgrund einer durch die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit verursachten Spannung in Durchbruch geht. Somit kann die Anzahl notwendiger Bauelemente weiter reduziert werden, was zu einer höheren Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten führt. Zudem wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die Entladeeinheit nur während einer Entladephase aktiv ist.
Insbesondere wird die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit zum Schalten des Transistors genutzt, um die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit über den geschalteten Transistor zu entladen. Somit kann auf eine zusätzliche Schaltspannung und auf Mittel zum Bereitstellen dieser zusätzlichen Schaltspannung verzichtet werden.
Zudem ist es von Vorteil, wenn das Entladen der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit mittels einer Diode, insbesondere mittels einer
Zenerdiode, ausgelöst wird, die aufgrund einer durch die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit verursachten Spannung in Durchbruch geht und damit eine Spannung zum Schalten des Transistors bereitstellt. Somit wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die Entladeeinheit nur während einer Entladephase aktiv ist.
Ferner ist eine Batteriezellensteuereinheit vorteilhaft, welche die Vorrichtung zum Messen des Batteriezellenstromes und die Batteriezelleneinheit umfasst. Dies ist vorteilhaft, da somit eine kostengünstige Batteriezellensteuereinheit mit den zuvor genannten Vorteilen geschaffen wird, die in aktuellen Batteriesystemen eingesetzt werden kann.
Ebenso ist eine Batterie vorteilhaft, die zumindest eine erfindungsgemäße Batteriezellensteuereinheit umfasst. Es wird somit eine kostengünstige Batterie mit den zuvor genannten Vorteilen geschaffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 ein Ablaufdiagram eines bevorzugten erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Messen eines Batteriezellenstromes,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezellensteuereinheit mit einer Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes in einer ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt,
Figur 3 ein Diagramm, das Spannungen und Ströme an einer
Entladeeinheit entsprechend der ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Batteriezellensteuereinheit mit einer Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes in einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen
Ausführungsform,
Figur 5 ein Diagramm das Spannungen und Ströme an einer
Entladeeinheit entsprechend der zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, und Figur 6 eine schematische Darstellung einer Batterie nach dem Stand der Technik mit mehreren Batteriezellensteuereinheiten.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagram eines bevorzugten erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Messen eines Batteriezellenstromes lB. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt S1 , einen zweiten Schritt S2 und einen dritten Schritt S3. Das Verfahren wird vorteilhaft durch ein Signal zum Abschalten einer
Batteriezelleneinheit 20, durch die der zu messende Batteriezellenstrom lB fließt, angestoßen. Ein solches Signal kann beispielsweise von einem zentralen Regler eine Batterie ausgegeben werden. Wenn das Verfahren angestoßen wurde, wird zuerst der erste Schritt S1 , dann der zweite Schritt S2 und zuletzt der dritte Schritt S3 ausgeführt. Nach dem Ausführen des dritten Schrittes S3 wird das Verfahren beendet.
In dem ersten Schritt S1 erfolgt ein Entladen einer induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit 20 nach einem Abschalten der
Batteriezelleneinheit 20 mittels einer Entladeeinheit 10. Dabei ist die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 eine durch ein induktives Verhalten der Batteriezelleneinheit 20 gespeicherte Energie. Eine
Batteriezelleneinheit 20 ist eine Einheit, die zumindest eine Batteriezelle 23 umfasst. Die Batteriezellen 23 einer Batteriezelleneinheit 20 können in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein. Jede der Batteriezellen 23 weist ein induktives Verhalten auf, wenn die Batteriezelle 23 abgeschaltet wird.
Abgeschaltet bedeutet dabei, dass die Batteriezelle 23 von einer Last getrennt wird. Das induktive Verhalten der Batteriezelle 23 kann beispielsweise durch den physikalischen Aufbau der Batteriezelle 23 bedingt sein. So kann ein
spulenähnliches Verhalten der Batteriezelle 23 beispielsweise durch eine Wicklung der Elektroden der Batteriezelle 23 verursacht werden. Durch das induktive Verhalten der einzelnen Batteriezellen 23 wird das induktive Verhalten der Batteriezelleneinheit 20 begründet. Ähnlich einer Spule wird durch die Batteriezelleneinheit 20 also eine Energie gespeichert. Die durch das induktive
Verhalten der Batteriezelleneinheit 20 induktiv gespeicherte Energie der
Batteriezelleneinheit 20 ist also eine Energie die zusätzlich, neben der elektrochemisch gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit 20, temporär in der Batteriezelleneinheit 20 gespeichert wird. Die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 wird erfindungsgemäß nach einem Abschalten der
Batteriezelleneinheit 20 durch eine Entladeeinheit 10 ganz oder teilweise entladen. Dazu wird beispielsweise eine elektrisch leitfähige Verbindung eines Anschlusspoles 21 , 22 der Batteriezelleneinheit mit einem Massepunkt hergestellt oder eine Verbindung eines Anschlusspoles 21 , 22 der
Batteriezelleneinheit mit einem Punkt hergestellt dessen elektrisches Potential niedriger ist als das der Batteriezelleneinheit 20 nach dem Abschalten. Diese elektrisch leitfähige Verbindung weist vorzugsweise einen Widerstand auf, durch den eine Geschwindigkeit des Entladens beeinflusst werden kann. Vorzugsweise wird diese elektrisch leitfähige Verbindung getrennt, sobald die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 entladen ist, um ein Entladen der elektrochemisch gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit 20 über die Entladeeinheit 10 zu vermeiden. In dem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Ermitteln einer Zeitdauer tM, in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 bis auf einen gegebenen Schwellenwert abfällt. Dabei kann die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 direkt gemessen werden und der Messwert mit einem Schwellenwert verglichen werden. Ebenso kann ein Parameter gemessen werden, der durch die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 beeinflusst wird. So könnte beispielsweise nach dem Abschalten der
Batteriezelleneinheit 20 eine Spannung über die Entladeeinheit 10 und/oder die Batteriezelleneinheit 20 gemessen werden und mit einem Schwellenwert, der in diesem Falle ein Spannungswert S ist, verglichen werden. Ebenso kann als Zeitdauer tM auch ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt des Abschaltens und einem Ereignis gemessen werden, dass auftritt, wenn die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 den Schwellenwert erreicht hat. Ein solches Ereignis könnte beispielsweise ein Beenden des Entladens durch die
Entladeeinheit 10 oder das Schalten eines Transistors sein.
In dem dritten Schritt S3 erfolgt ein Bestimmen eines Batteriezellenstroms lB basierend auf der ermittelten Zeitdauer tM. Da die anfängliche induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 von dem Batteriezellenstrom lB abhängig ist, der vor dem Abschalten durch die Batteriezelleneinheit 20 geflossen ist, steigt die ermittelte Zeitdauer tM mit dem Batteriezellenstrom lB, da eine größere gespeicherte Energie eine längere Zeitdauer benötigt, um Entladen zu werden. Somit lässt sich aus der ermittelten Zeitdauer tM auf den
Batteriezellenstrom lB schließen, der vor dem Abschalten durch die
Batteriezelleneinheit 20 geflossen ist. Dies kann beispielsweise durch ein vorangehende Kalibrierung erfolgen in der unterschiedlichen Zeitdauern tM jeweils ein Batteriezellenstrom lB zugeordnet wird. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellensteuereinheit 50 mit einer Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes lB in einer ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Durch die in Figur 2 gezeigte Batteriezellensteuereinheit 50 wird das zuvor beschriebene Verfahren ausgeführt. Die Batteriezellensteuereinheit 50 umfasst eine Batteriezelleneinheit 20, ein Entladeeinheit 10, eine Messeinheit 30 und eine Auswertungseinheit 40. Die Batteriezellensteuereinheit 50 weist einen ersten Anschlusskontakt 51 , einen zweiten Anschlusskontakt 52 und einen Steuerkontakt 53 auf. Die Entladeeinheit 10 umfasst in dieser ersten Ausführungsform einen MOSFET 14. Die
Batteriezelleneinheit 20 umfasst einen ersten Anschlusspol 21 und einen zweiten Anschlusspol 22. Zwischen dem ersten und den zweiten Anschlusspol 21 , 22 sind mehrere Batteriezellen 23 in Reihe geschaltet. Die Messeinheit 30 umfasst einen ersten Messeingang 31 und einen zweiten Messeingang 32.
Der MOSFET 14 weist die Eigenschaft auf, dass bei einer Durchbruchspannung S, die größer ist als eine Leerlaufspannung der Batteriezelleneinheit 20, ein
Lawinendurchbruch zwischen einem Drain-Kontakt 1 1 und einem Source-Kontakt 12 des MOSFETs 14 erfolgt. Dieser Lawinendurchbruch ist ein Durchbruch einer parasitären Diode zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 des MOSFETs 14.
Der erste Anschlusskontakt 51 ist elektrisch leitfähig mit dem ersten
Anschlusspol 21 verbunden. Der zweite Anschlusspol 22 ist elektrisch leitfähig mit dem ersten Messeingang 31 und dem Drain-Kontakt 1 1 des MOSFETs 14 verbunden. Der zweite Anschlusskontakt 52 ist elektrisch leitfähig mit dem zweiten Messeingang 32 und dem Source-Kontakt 12 des MOSFETs 14 verbunden. Ein Gate-Kontakt 13 des MOSFETs 14 ist über einen Widerstand R mit dem Steuereingang 53 verbunden. Die Auswertungseinheit 40 ist derart mit der Messeinheit 30 gekoppelt, dass von der Messeinheit 30 zumindest ein Signal an die Auswertungseinheit 40 übertragen werden kann, welches die Zeitdauer tM beschreibt.
Die Batteriezellensteuereinheit 50 umfasst ferner noch einen Schalteinheit 54, die hier als ein mechanischer Schalter ausgeführt ist, aber ebenso ein Transistor oder ein anderer elektrischer Schalter sein kann. Diese Schalteinheit 54 ist zwischen den ersten Anschlusskontakt 51 und den zweiten Anschlusskontakt 52 geschaltet. Die Schalteinheit 54 ermöglicht es in einem offenen Zustand die Batteriezelleneinheit 20 mit anderen Batteriezelleneinheiten anderer
Batteriezellensteuereinheiten in Reihe zu schalten und in einem geschlossenen Zustand die Batteriezelleneinheit 20 bei einer Reihenschaltung mit anderen Batteriezelleneinheiten zu überbrücken. Wird eine entsprechende Steuerspannung UGs an dem Steuereingang 53 angelegt, so schaltet der MOSFET 14 durch und es wird somit ein Stromfluss zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 ermöglicht. Dieser Zustand ist in einem ersten Zeitraum 100 in dem Diagramm aus Figur 3 dargestellt. Dabei ist der Batteriezellenstrom lB durch eine Strichpunktlinie, eine
Messspannung UDs durch eine durchgezogene Linie und die Steuerspannung UGS durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Es kann, wenn ein Verbraucher an die Batteriezellensteuereinheit 50 angeschossen ist, ein Batteriezellenstrom lB von dem ersten Anschlusskontakt 51 über die Batteriezelleneinheit 20 und die Entladeeinheit 10 zu dem zweiten Anschlusskontakt 52 fließen. Durch die
Messeinheit 30 wird eine Messspannung UDs zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 gemessen. In dieser ersten Ausführungsform beträgt die Messspannung UDs zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source- Kontakt 12„0" Volt, wenn die Steuerspannung UGs an dem Steuereingang 53 anliegt, da der Widerstand zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-
Kontakt 12 des MOSFET 14 in diesem Falle gegen 0 Ohm geht.
In dieser ersten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt das Abschalten der Batteriezelleneinheit 20 durch den MOSFET 14 der
Entladeeinheit 10, wenn die Steuerspannung UGs nicht mehr an dem
Steuereingang 53 anliegt. Zeitgleich mit dem Abschalten der Batteriezelleneinheit 20 wird diese durch ein Schließen der Schalteinheit 54 gebrückt, um einen Stromfluss durch eventuelle weitere in Reihe mit Batteriezelleneinheit 20 geschaltete Batteriezelleneinheiten 20 nicht zu unterbrechen. Dieser Zustand ist in dem Diagramm aus Figur 3 in einem zweiten Zeitraum 200 dargestellt. Die
Steuerspannung UGswird unterbrochen und fällt auf„0" Volt ab. In diesem Zustand schaltet der MOSFET 14 ab und der Stromfluss zwischen dem Drain- Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 wird unterbrochen. Durch die fehlende oder zumindest hochohmige elektrische Verbindung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 kommt es zu einer Messspannung UDs größer als
„0" Volt. Aufgrund des induktiven Verhaltens der Batteriezelleneinheit 20 übersteigt die Messspannung UDs die Leerlaufspannung der Batteriezelleneinheit 20. Somit erfolgt der Lawinendurchbruch des MOSFETs 14 und es wird eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem
Source-Kontakt 12 hergestellt. Die in der Batteriezelleneinheit 20 induktiv gespeicherte Energie wird über diese elektrisch leitfähige Verbindung und somit über den MOSFET 14 bzw. über die Entladeeinheit 10 entladen, da die Batteriezelleneinheit 20 über die Schalteinheit 54 und den MOSFET 14 kurzgeschlossen ist. Da die induktiv gespeicherte Energie der
Batteriezelleneinheit 20 abnimmt, verringert sich ebenfalls die Messspannung UDS zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12. Wird die Durchbruchspannung S des MOSFETs 14 durch die absinkende Messspannung
UDS erreicht, so sperrt der MOSFET 1 1 die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12. Die Messspannung UDS fällt auf den Wert einer Spannung der Batteriezelleneinheit (bzw. einer Spannung einer Batterie, falls mehrere Batteriezelleneinheiten in Reihe geschaltet sind) ab. Die Batteriezellensteuereinheit 50 geht somit in den Zustand über, der durch den dritten Zeitraum 300 in Figur 3 dargestellt ist. Die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 wird also nach dem Abschalten der Batteriezelleneinheit 20 mittels der Entladeeinheit 10 entladen und somit der zuvor beschriebene erste Schritt S1 durchgeführt.
Durch die Messeinheit 30 wird die Messspannung UDs und somit auch das Ansteigen der Messspannung UDs über die Leerlaufspannung nach dem
Abschalten und das Abfallen der der Messspannung UDs, wenn die
Durchbruchspannung S wieder unterschritten wird, gemessen. Dabei ist die Messeinheit 30 dazu eingerichtet, die Zeitdauer tM zwischen diesem Ansteigen und Abfallen der Messspannung UDs zu ermitteln. Diese ermittelte Zeitdauer tM wird als ein analoger oder digitaler Wert an die Auswertungseinheit 40 übermittelt. Somit wird durch die Messeinheit 30 die Zeitdauer tM ermittelt, in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit bis auf einen gegebenen Schwellenwert abgefallen ist. Der Schwellenwert ist in dieser ersten
Ausführungsform durch die Durchbruchspannung S des MOSFET 14 definiert. Somit wird durch die Messeinheit 30 der zuvor beschriebene zweite Schritt S2 durchgeführt. In dieser ersten Ausführungsform wird die ermittelte Zeitdauer tM in einen digitalen Wert gewandelt und von der Messeinheit 30 an die Auswertungseinheit 40 übermittelt. In der Auswertungseinheit 40 wird die ermittelte Zeitdauer tM mit einer vorgegebenen Tabelle verglichen und somit die ermittelte Zeitdauer tM in einen Wert umgesetzt, der den Batteriezellenstrom lB beschreibt. Eine solche Tabelle kann beispielsweise werksseitig vorgegeben werden und vorab durch eine Versuchsreihe bei gleichzeitiger direkter Messung des Batteriestromes lB erstellt werden. Ebenso könnte eine Induktivität der Batteriezelleneinheit 20 ermittelt werden und der Batteriezellenstrom lB von der Auswertungseinheit 40 errechnet werden. Die Auswertungseinheit 40 bestimmt den Batteriezellenstrom lB somit basierend auf der ermittelten Zeitdauer tM. Somit wird durch die
Auswertungseinheit 40 der zuvor beschriebene dritte Schritt S3 durchgeführt.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Batteriezellensteuereinheit mit einer Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes in einer zweiten bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Durch die in Figur 4 gezeigte Batteriezellensteuereinheit 50 wird das zuvor beschriebene Verfahren
ausgeführt. Die Batteriezellensteuereinheit 50 umfasst eine Batteriezelleneinheit
20, eine Entladeeinheit 10, eine Messeinheit 30 und eine Auswertungseinheit 40.
Die Batteriezellensteuereinheit 50 weist einen ersten Anschlusskontakt 51 , einen zweiten Anschlusskontakt 52 und einen Steuerkontakt 53 auf. Die Entladeeinheit 10 umfasst in dieser zweiten Ausführungsform einen MOSFET 14, eine Diode 15 und eine Zenerdiode 16. Die Batteriezelleneinheit 20 umfasst einen ersten Anschlusspol 21 und einen zweiten Anschlusspol 22. Mehrere Batteriezellen 23 sind zwischen dem ersten und den zweiten Anschlusspol 21 , 22 in Reihe geschaltet. Die Messeinheit umfasst einen ersten Messeingang 31 und einen zweiten Messeingang 32.
Der Zenerdiode 16 weist die Eigenschaft auf, dass bei einer Zenerspannung S, die größer als eine Leerlaufspannung der Batteriezelleneinheit 20 ist, ein
Durchbruch erfolgt.
Der erste Anschlusskontakt 51 ist elektrisch leitfähig mit dem ersten
Anschlusspol 21 verbunden. Der zweite Anschlusspol 22 ist elektrisch leitfähig mit dem ersten Messeingang 31 und dem Drain-Kontakt 1 1 des MOSFETs 14 verbunden. Der zweite Anschlusskontakt 52 ist elektrisch leitfähig mit dem zweiten Messeingang 32 und dem Source-Kontakt 12 des MOSFETs 14 verbunden. Ein Gate-Kontakt 13 des MOSFETs 14 ist über einen Widerstand R mit dem Steuereingang 53 elektrisch leitfähig verbunden. Eine Anode der Diode 15 ist mit dem Drain-Kontakt 1 1 elektrisch leitfähig verbunden und eine Kathode der Diode 15 ist mit einer Kathode der Zenerdiode 16 elektrisch leitfähig verbunden. Eine Anode der Zenerdiode 16 ist mit dem Gate-Kontakt 13 elektrisch leitfähig verbunden. Die Auswertungseinheit 40 ist derart mit der Messeinheit 30 gekoppelt, dass von der Messeinheit 30 zumindest ein Signal an die Auswertungseinheit 40 übertragen werden kann, welches die Zeitdauer tM beschreibt.
Die Batteriezellensteuereinheit 50 umfasst ferner noch einen Schalteinheit 54, die hier als ein mechanischer Schalter ausgeführt ist, aber ebenso ein Transistor oder ein anderer elektrischer Schalter sein kann. Diese Schalteinheit 54 ist zwischen den ersten Anschlusskontakt 51 und den zweiten Anschlusskontakt 52 geschaltet. Die Schalteinheit 54 ermöglicht es in einem offenen Zustand die Batteriezelleneinheit 20 mit anderen Batteriezelleneinheiten anderer
Batteriezellensteuereinheiten in Reihe zu schalten und in einem geschlossenen
Zustand die Batteriezelleneinheit 20 bei einer Reihenschaltung mit anderen Batteriezelleneinheiten zu überbrücken.
Wird eine entsprechende Steuerspannung UGs an dem Steuereingang 53 angelegt, so schaltet der MOSFET 14 durch und es wird somit ein Stromfluss zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 ermöglicht. Durch die Diode 15 wird sichergestellt, dass kein durch den Widerstand R und die Steuerspannung UGs definierter Strom über den ersten oder zweiten
Anschlusskontakt 51 , 52 abfließt. Dieser Zustand ist in einem ersten Zeitraum 101 in dem Diagramm aus Figur 5 dargestellt. Dabei ist in Figur 5 der
Batteriezellenstrom lB durch eine Strichpunktlinie, eine Messspannung UDs durch eine durchgezogene Linie und die Steuerspannung UGs durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Es kann, wenn ein Verbraucher an die
Batteriezellensteuereinheit 50 angeschossen ist, ein Batteriezellenstrom lB von dem ersten Anschlusskontakt 51 über die Batteriezelleneinheit 20 und die
Entladeeinheit 10 zu dem zweiten Anschlusskontakt 52 fließen. Durch die Messeinheit 30 wird eine Messspannung UDs zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 gemessen. In dieser ersten Ausführungsform beträgt die Messspannung UDs„0" Volt, wenn die Steuerspannung UGs an dem Steuereingang 53 anliegt, da der elektrische Widerstand zwischen dem Drain-
Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 des MOSFET 14 gegen„0" Ohm geht.
In dieser zweiten Ausführungsform erfolgt das Abschalten der
Batteriezelleneinheit 20 durch den MOSFET 14 der Entladeeinheit 10, wenn die Steuerspannung UGS an dem Steuereingang 53 nicht mehr anliegt. Zeitgleich mit dem Abschalten der Batteriezelleneinheit 20 wird diese durch ein Schließen der Schalteinheit 54 gebrückt, um einen Stromfluss durch eventuelle weitere in Reihe mit Batteriezelleneinheit 20 geschaltete Batteriezelleneinheiten 20 nicht zu unterbrechen. Dieser Zustand ist in dem Diagramm aus Figur 5 in einem zweiten Zeitraum 201 dargestellt. Die Steuerspannung UGswird unterbrochen und fällt ab. In diesem Zustand schaltet der MOSFET 14 ab und der Stromfluss zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 wird unterbrochen. Durch die fehlende oder zumindest hochohmige elektrische Verbindung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 kommt es zu einer Messspannung UDS größer„0" Volt. Aufgrund des induktiven Verhaltens der Batteriezelleneinheit 20 übersteigt die Messspannung UDs die Leerlaufspannung der
Batteriezelleneinheit 20. Durch die das erhöhte Spannungsniveau an dem Drain-
Kontakt 1 1 des MOSFETs 14 überschreitet in diesem Zustand eine Spannung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Gate-Kontakt 13 die Zenerspannung S der zwischen diesen Kontakten angeordneten Zenerdiode 16. Die Zenerdiode 16 geht in Durchbruch, und es kann ein Strom von dem Drain-Kontakt 1 1 zu dem Gate-Kontakt 13 des MOSFETs 14 fließen. Daher liegt an dem MOSFET 14 eine verringerte Steuerspannung UGs an, die aus der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit 20 gespeist wird. Somit wird die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 zum Schalten des MOSFETs 14 genutzt. Der MOSFET wird dadurch in seinem linearen Arbeitsbereich betrieben und eine widerstandsbehaftete elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Drain-
Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 12 wird herstellt. Die in der
Batteriezelleneinheit 20 induktiv gespeicherte Energie wird über diese elektrisch leitfähige Verbindung und somit über den MOSFET 14 bzw. über die
Entladeeinheit 10 entladen, da die Batteriezelleneinheit 20 über die Schalteinheit 54 und den MOSFET 14 kurzgeschlossen ist. Da die induktiv gespeicherte
Energie der Batteriezelleneinheit 20 abnimmt, verringert sich ebenfalls das erhöhte Spannungsniveau an dem Drain-Kontakt 13 des MOSFETs 14. Wird die Zenerspannung S der Zenerdiode 16 unterschritten, so fällt die Steuerspannung UGs auf 0 Volt ab, und der MOSFET 14 sperrt die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Drain-Kontakt 1 1 und dem Source-Kontakt 13. Die Messspannung
UDS fällt auf den Wert einer Spannung der Batteriezelleneinheit 20 (bzw. einer Spannung einer Batterie, falls mehrere Batteriezelleneinheiten in Reihe geschaltet sind) ab. Die Batteriezellensteuereinheit 50 geht in den Zustand über, der durch den dritten Zeitraum 301 in Figur 5 dargestellt ist. Somit wird die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit 20 nach dem Abschalten der Batteriezelleneinheit 20 mittels der Entladeeinheit 10 entladen und somit der zuvor beschriebene erste Schritt S1 durchgeführt. Durch die Messeinheit wird die Spannung UDs und somit auch das Ansteigen der Messspannung UDs über die Leerlaufspannung nach dem Abschalten und das Abfallen der Messspannung UDs, wenn die Zenerspannung S wieder
unterschritten wird, gemessen. Dabei ist die Messeinheit 30 dazu eingerichtet, die Zeitdauer tM zwischen diesem Ansteigen und Abfallen der Messspannung UDs zu ermitteln. Diese ermittelte Zeitdauer tM wird als ein analoger oder digitaler Wert an die Auswertungseinheit 40 übermittelt. Somit wird durch die Messeinheit 30 die Zeitdauer tM ermittelt, in der die induktiv gespeicherte Energie der
Batteriezelleneinheit 20 bis auf einen gegebenen Schwellenwert abgefallen ist.
Der Schwellenwert ist in dieser zweiten Ausführungsform durch die
Zenerspannung S der Zenerdiode 16 definiert. Somit wird durch die Messeinheit 30 der zuvor beschriebene zweite Schritt S2 durchgeführt. In dieser zweiten Ausführungsform wird die ermittelte Zeitdauer tM in einen digitalen Wert gewandelt und von der Messeinheit 30 an die Auswertungseinheit 40 übermittelt. In der Auswertungseinheit 40 wird die ermittelte Zeitdauer tM mit einer vorgegebenen Tabelle verglichen und somit die ermittelte Zeitdauer tM in einen Wert umgesetzt, der den Batteriezellenstrom lB beschreibt. Eine solche Tabelle kann beispielsweise werksseitig vorgegeben werden und vorab durch eine Versuchsreihe bei gleichzeitiger direkter Messung des Batteriestromes lB erstellt werden. Ebenso könnte eine Induktivität der Batteriezelleneinheit 20 ermittelt werden und der Batteriezellenstrom lB von der Auswertungseinheit 40 errechnet werden. Die Auswertungseinheit 40 bestimmt den Batteriezellenstrom lB somit basierend auf der ermittelten Zeitdauer tM. Somit wird durch die
Auswertungseinheit 40 der zuvor beschriebene dritte Schritt S3 durchgeführt.
Allgemein gilt, dass Batteriezelleneinheiten 20 in einer Batterie oder einem Batteriesystem häufig ein- und ausgeschaltet werden, so dass eine gleichmäßige Belastung aller Zellen erfolgt. Bei jedem Ausschaltvorgang muss die Energie, welche durch den Lade- bzw. Entladestrom in der Induktivität der Zelle gespeichert ist, abgebaut werden. Dies kann beispielsweise unter Ausnutzung des Avalanchebetriebs eines MOSFETs 14 erfolgen oder, mit Hilfe einer
Zenerdiode, im Linearbetrieb des MOSFETs 1 1. Bei beiden Varianten steigt eine Sourcespannung des MOSFETs nach dem Abschalten des
Batteriezellenstromes lB sehr schnell bis auf die Sperrspannung des MOSFETs bzw. die Zenerspannung der Zenerdiode an, bis die Energie abgebaut ist und fällt anschließend wieder auf das Niveau der Batteriespannung ab. Die Zeitdauer tM, welche der Source-Kontakt 12 des MOSFETs 14 auf dem höheren
Spannungsniveau verharrt, ist bei gleicher Sperrspannung und gleicher
Induktivität proportional zur abgebauten Energie und somit proportional zum zuvor geflossenen Batteriestrom lB. Diese Zeitdauer tM kann durch die typischerweise in jeder Batteriezellensteuereinheit 50 vorhandenen
Microcontrollereinheit einfach gemessen werden.
Jede Batteriezellensteuereinheit 50 kennt die Zeitdauer, mit der diese geladen bzw. entladen wurde. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kenn die
Batteriezellensteuereinheit 50 ebenfalls den dazugehörigen Batteriezellenstrom lB. Somit ist es der Batteriezellensteuereinheit 50 möglich zu berechnen, welche Energie diese bereits abgegeben hat. Unter Betrachtung der Leerlaufspannung der Batteriezelleneinheit 20 im direkten Vergleich mit der bereits abgegebenen Energie ist es der Batteriezellensteuereinheit 50 möglich, den
Gesundheitszustand (SOH - State of Health) der Batteriezelleneinheit 20 zu bestimmen. Mit geeigneten Algorithmen kann somit dazu beigetragen werden, dass eine bereits sehr stark gealterte Batteriezelleneinheit 20 geschont wird. Somit wird die maximale Lebensdauer der Batterie bzw. des Batteriesystems verbessert.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der Figuren 1 bis 6 verwiesen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Messen eines Batteriezellenstromes (lB) einer
Batteriezelleneinheit (20), umfassend die Schritte:
Entladen einer induktiv gespeicherten Energie der
Batteriezelleneinheit (20) nach einem Abschalten der
Batteriezelleneinheit (20) mittels einer Entladeeinheit (10), wobei die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) eine durch ein induktives Verhalten der Batteriezelleneinheit (20) gespeicherte Energie ist,
Ermitteln einer Zeitdauer (tM), in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) bis auf einen gegebenen Schwellenwert abfällt, und
Bestimmen eines Batteriezellenstroms (lB) basierend auf der ermittelten Zeitdauer (tM).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abschalten der Batteriezelleneinheit (20) durch die Entladeeinheit (10), erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die induktiv gespeicherte Energie der
Batteriezelleneinheit (20) anhand einer nach dem Abschalten der
Batteriezelleneinheit (20) durch die Batteriezelleneinheit (20) verursachten Messspannung (UDs) erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Entladen der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit (20) und/oder das Abschalten der Batteriezelleneinheit (20) über einen Transistor, insbesondere einen MOSFET (14), der
Entladeeinheit (10) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit (20) über eine parasitäre Diode eines MOSFETs (14) erfolgt, die aufgrund einer durch die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) verursachten Spannung in Durchbruch geht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) zum Schalten des Transistors genutzt wird, um die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) über den geschalteten Transistor zu entladen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen der induktiv gespeicherten Energie der Batteriezelleneinheit (20) mittels einer Diode, insbesondere mittels einer Zenerdiode (16), ausgelöst wird, die aufgrund einer durch die induktiv gespeicherte Energie der
Batteriezelleneinheit (20) verursachten Spannung in Durchbruch geht, und damit eine Spannung zum Schalten des Transistors bereitstellt.
Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes (lB) einer
Batteriezelleneinheit (20), umfassend:
eine Entladeeinheit (10), die eine induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) nach einem Abschalten der
Batteriezelleneinheit (20) entlädt, wobei die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) eine durch ein induktives Verhalten der Batteriezelleneinheit (20) gespeicherte Energie ist, eine Messeinheit (30), die eine Zeitdauer (tM) ermittelt, in der die induktiv gespeicherte Energie der Batteriezelleneinheit (20) bis auf einen gegebenen Schwellenwert (S) abgefallen ist, und
eine Auswertungseinheit (40), die einen Batteriezellenstrom (lB) basierend auf der ermittelten Zeitdauer (tM) bestimmt.
Batteriezellensteuereinheit (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellensteuereinheit (50) eine Vorrichtung zum Messen eines Batteriezellenstromes (lB) nach Anspruch 8 und die Batteriezelleneinheit (20) umfasst.
Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie zumindest eine Batteriezellensteuereinheit (40) nach Anspruch 9 umfasst.
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