WO2020109093A2 - Schaltungsanordnung für eine batterie - Google Patents

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WO2020109093A2
WO2020109093A2 PCT/EP2019/081838 EP2019081838W WO2020109093A2 WO 2020109093 A2 WO2020109093 A2 WO 2020109093A2 EP 2019081838 W EP2019081838 W EP 2019081838W WO 2020109093 A2 WO2020109093 A2 WO 2020109093A2
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cell
modules
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Urs Boehme
Akin Candir
André Haspel
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Daimler Ag
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • 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]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016—Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for an electric battery, comprising a plurality of individual cells or modules electrically connected in series.
  • Batteries which consist of several complete partial strands including contactors.
  • a partial string with a defective cell or a defective module can be switched off via the contactor.
  • Several sub-strands including a contactor are required. The available power drops sharply.
  • a battery for an electrical system of a motor vehicle is known from DE 10 2015 016 980 A1, with
  • At least two battery strings which each have at least one battery cell and a switching element connected in series therewith and which can be connected in parallel with one another to a first battery connection of the battery by means of the respective switching element,
  • a second battery connection for connecting the battery to the vehicle electrical system, wherein the second battery connection can be electrically coupled to the first battery connection via a main switching device of the battery;
  • a precharging device which is designed in a first operating mode of the battery for precharging an intermediate circuit of the vehicle electrical system
  • Pre-charging device in a second operating mode of the battery to each other Aligning battery voltages of a first battery string and at least one second battery string is designed.
  • a battery system is known from DE 10 2012 212 374 A1, which has a
  • battery string which has a plurality of battery cells connected in series to the battery string and a plurality of fuses which are connected in series with the battery cells.
  • the battery system also has two connections, each of which is connected to one end of the battery string.
  • An electrical path can be connected in parallel to a section of the battery string via two switching means, the section including at least one battery cell and at least one fuse.
  • a circuit arrangement for an electric battery is known from DE 10 2016 015 298 A1, comprising a cell network formed from a plurality of individual cells electrically connected in series with two pole connection points, with two electrical bridging lines, between each bridging line and each
  • Pole connection point is arranged a switchable coupling device.
  • a further switchable coupling device is arranged between each bridging line and each electrical connection between the individual cells. Furthermore, the use of such a circuit arrangement for detecting electrical parameters of an individual cell or a plurality of individual cells of the cell network is disclosed.
  • the invention is based on the object of specifying an improved circuit arrangement for an electric battery.
  • each of the cells or each of the modules has a bypass diode connected in parallel such that an anode of the bypass diode is connected to a negative pole of one of the cells or one of the modules and a cathode of the same bypass diode to a positive pole of the same cell or the same module. If all cells or modules have approximately the same cell voltage and approximately the same internal resistance, then a current flows in the discharge direction exclusively via the cells or modules and not via the bypass diodes.
  • the current is divided in this cell or this module and a bypass current flows through the respective bypass diode and a cell current overflows the cell or module. If the current is low, it can continue to flow completely as a cell current over the defective cell or module. Only when the voltage drop across the respective internal resistance due to the flowing current becomes so great that the respective bypass diode opens, does the respective bypass diode take over the additional portion of the current as a bypass current. From this point on, the proportion of cell current remains almost constant. The maximum cell current is thus limited. The same applies to the waste heat generated in the defective cell. In addition, there is the waste heat that arises at the bypass diode. In total, less waste heat is generated at the defective cell and the associated bypass diode than would be generated at the defective cell without a bypass path.
  • the bypass diodes are not connected in series with the individual cells or modules. With an intact battery, they therefore do not influence the efficiency when discharging the battery (ferry operation) and have no heat input into the battery. The diodes only become active as soon as a cell or a module is badly aged or defective.
  • bypass diodes should only be designed for the voltage of the cells or modules connected in parallel.
  • the waste heat output can be reduced in the case of aged or defective cells or modules.
  • the neighboring cells or modules are protected against overheating and accelerated aging. A fire in the defective cell or module can thus be avoided.
  • Circuit arrangement for an electric battery comprising a plurality of individual cells or modules electrically connected in series, each of the cells or each of the modules a semiconductor switch connected in parallel, wherein each of the cells or each of the modules one Has voltage measuring unit for measuring a cell voltage or module voltage, a current measuring unit for measuring a current through the battery being provided, at least one control unit being provided with the
  • Voltage measuring unit of one of the cells and connected to the current measuring unit and is designed such that it opens the semiconductor switch of the same cell when a current flows, the or its absolute value greater than or equal to a predetermined
  • bypass diode has a fixed threshold voltage (e.g. -0.7V as the terminal voltage of the defective cell).
  • any switching threshold can be set by controlling the semiconductor switches.
  • Switching thresholds can be implemented that are significantly lower than the threshold voltage of the bypass diodes, which means that the maximum current of a defective cell can be limited to a lower value. This is particularly advantageous when used to bridge battery modules with a defective cell. Because the semiconductor switch is not intrinsic
  • Has threshold voltage the waste heat losses in the semiconductor switch and also in the internal resistance are lower, since commutation starts at a lower current value.
  • the semiconductor switches are each as one
  • MOSFETs e.g. MOSFETs
  • a trigger threshold of the semiconductor switches can be freely selected.
  • the MOSFET is an n-channel MOSFET, the source of which is connected to a negative pole of one of the cells and the drain of which is connected to a positive pole of the same cell.
  • MOSFETs for example p-channel MOSFETs or IGBT, can also be provided.
  • control unit comprises a first one
  • Comparator for comparing the current with the predefinable current threshold value.
  • control unit comprises a second one
  • control unit comprises an AND gate, which logically links outputs of the comparators and is connected to a control input of the semiconductor switch.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a battery with a number of cells connected in series and these bypass diodes connected in parallel,
  • Fig. 2 shows a course of currents and voltages on the one shown in Figure 1
  • Fig. 3 shows a curve of powers on the internal resistances of the cells in
  • FIG. 1 circuit shown during discharge and in the event of an error in one of the cells
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a battery with a number of cells connected in series and these semiconductor switches connected in parallel
  • 5 shows a profile of currents and voltages on the circuit shown in FIG. 4 during discharge and in the event of a fault on one of the cells
  • FIG. 6 shows a profile of powers at internal resistances of the cells of the circuit shown in FIG. 4 during discharge and in the event of a fault on one of the cells.
  • the following exemplary embodiments consider electrical batteries which are made up of individual cells.
  • the cells in each of the exemplary embodiments can be replaced by modules.
  • a module is a series connection of several cells.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a battery 1 with a number of cells 2.1, 2.2, 2.3 connected in series.
  • Each of the cells 2.1, 2.2, 2.3 is represented by an ideal voltage source 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 with a cell voltage U 1, U2, U3 and an internal resistance R1, R2, R3 connected to it in series.
  • An ideal voltage source 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 with a cell voltage U 1, U2, U3 and an internal resistance R1, R2, R3 connected to it in series.
  • R1, R2, R3 internal resistance
  • a bypass diode D1, D2, D3 is connected in parallel such that an anode of the bypass diode D1, D2, D3 with a negative pole of one of the cells 2.1, 2.2, 2.3 and a cathode of the same bypass Diode D1, D2, D3 is connected to a positive pole of the same cell 2.1, 2.2, 2.3.
  • An electrical consumer 4 through which a current I flows, is connected to the battery 1.
  • the electrical consumer 4 is shown as a current source.
  • the current I is low, it can continue to flow completely as a cell current Iz over the defective cell 2.1, 2.2, 2.3. Only when the voltage drop at the respective Internal resistance R1, R2, R3 becomes so great due to the flowing current I that the respective bypass diode D1, D2, D3 opens, the respective bypass diode D1, D2, D3 takes over the additional portion of the current I as a bypass current IB . From this point on, the proportion of cell current lz remains almost constant.
  • the maximum cell current lz is thus limited.
  • the same also applies to the waste heat generated in the defective cell 2.1, 2.2, 2.3.
  • less waste heat is generated at the defective cell 2.1, 2.2, 2.3 and the bypass diode D1, D2, D3 than at the defective one
  • FIG. 2 shows a profile of currents and voltages on the circuit shown in FIG. 1 during discharge and in the event of an error in cell 2.2. Shown from top to bottom are a voltage Um across the internal resistance R1, a cell current Izi through the cell 2.1, a voltage U DI through the bypass diode D1, a bypass current I BI through the bypass diode D1, a voltage U R 2 across the internal resistance R2, a cell current Iz2 through the cell 2.2, a voltage U D 2 across the bypass diode D2, a bypass current I B 2 through the bypass diode D2, a voltage U R3 across the
  • the cell 2.2 has a higher internal resistance R2 and a lower cell voltage U2 than the other cells 2.1, 2.3. Only the discharge case is considered, i.e. the current I increases from 0A to -100A in the course of the simulation time.
  • Internal resistance R2 is stronger and is directed against the cell voltage U2.
  • the voltage drop across the internal resistance R2 corresponds to the sum of the cell voltage U2, for example 3V, and a threshold voltage of the bypass diode D2, for example 1V. From this point in time, cell current Iz2 through cell 2.2 remains at an almost constant value. The bypass diode D2 now takes over the difference in proportion to the current I rising through the consumer. Because the bypass diode D2 also has a contact resistance
  • FIG. 3 shows a profile of powers on the internal resistances R1, R2, R3 of cells 2.1, 2.2, 2.3 and on the bypass diode D2 of the circuit shown in FIG. 1 during discharge and in the event of a fault on cell 2.2.
  • a power P at the internal resistance R1 and a power P R 2 am are shown from top to bottom
  • the powers PRI, PR2, PR3 at the internal resistances R1, R2, R3 increase in proportion to the current I in a quadratic manner.
  • the outputs PRI, PR3 at R1 and R3 continue to increase quadratically in proportion.
  • the power PR2 at R2 is (almost) constant, because from now on the differential current is taken over by the bypass diode D2.
  • the power PD2 to the bypass diode D2 is now growing (almost) proportional to the bypass current I B 2 -
  • bypass diode D2 is therefore a suitable one Protection measure against local overheating due to aged or defective cells.
  • the power P R 2 is not completely constant and the increase in the power P D 2 at the bypass diode D2 is not completely proportional to the bypass current I B 2 due to the influence of the contact resistance of the bypass diode D2.
  • the lower this contact resistance the more constant the power P R 2 released at R2 with increasing current I.
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a battery 1 with a number of cells 2.1, 2.2, 2.3 connected in series.
  • Each of the cells 2.1, 2.2, 2.3 is represented by an ideal voltage source 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 with a cell voltage U 1, U2, U3 and an internal resistance R1, R2, R3 connected to it in series.
  • An ideal voltage source 2.1.1, 2.2.1, 2.3.1 with a cell voltage U 1, U2, U3 and an internal resistance R1, R2, R3 connected to it in series.
  • R1, R2, R3 internal resistance
  • Each of the cells 2.1, 2.2, 2.3 has a voltage measuring unit 5 for measuring the cell voltage U1, U2, U3. Only the voltage measuring unit 5 for measuring the cell voltage U2 of the cell 2.2 is shown here.
  • An electrical consumer 4 through which a current I flows, is connected to the battery 1.
  • the electrical consumer 4 is shown as a current source.
  • a current measuring unit 6 is provided for measuring the current I.
  • the current I flows in the discharge direction of the cells 2.1, 2.2, 2.3 exclusively via the cells 2.1, 2.2 , 2.3 and not via the semiconductor switches F1, F2, F3.
  • one of the cells 2.1, 2.2, 2.3, for example the cell 2.2 has a lower cell voltage LH, U2, U3 or a higher internal resistance R1, R2, R3 due to a defect or aging.
  • the principle of the circuit from FIG. 4 is similar to the principle from FIG. 1 with bypass diodes D1, D2, D3.
  • the bypass diode D1, D2, D3, however, has a fixed threshold voltage (eg -0.7V as the terminal voltage of the defective cell). If the bypass diodes D1, D2, D3 are replaced by semiconductor switches F1, F2, F3, in particular MOSFETs, any switching threshold can be set by activating the semiconductor switches F1, F2, F3. Switching thresholds can be implemented, which are significantly lower are than the threshold voltage of the bypass diodes D1, D2, D3, whereby the maximum current of the defective cell 2.2 can be limited to a lower value. This is particularly advantageous when used to bridge battery modules with a defective cell.
  • the control of the semiconductor switch F2 assigned to the defective cell 2.2 takes place via a control unit 7, which is connected to the one in the battery 1
  • Voltage measuring unit 5 is connected to the current measuring unit 6 for measuring the current I flowing through the battery 1. Because the semiconductor switch F2, in particular MOSFET, does not have an intrinsic threshold voltage, the waste heat losses in the semiconductor switch F2 and also in the internal resistance R2 are lower, since commutation starts at a lower current value.
  • control unit 7 comprises a first comparator 7.1 for comparing the current I with an adjustable current threshold value ITH
  • control unit 7 further comprises a second one
  • Comparator 7.2 for comparing the cell voltage U2 with an adjustable one
  • Voltage threshold UTH which can be 0.1 V, for example.
  • the outputs of the comparators 7.1, 7.2 are logically linked via an AND gate 7.3 and the output of the AND gate 7.3 controls the semiconductor switch F2.
  • the output of the first comparator 7.1 assumes the logical value 1, for example, when the current I reaches and / or exceeds or falls below the current threshold value I TH .
  • the output of the second comparator 7.2 assumes, for example, the logical value 1 when the cell voltage U2 reaches and / or falls below the voltage threshold UTH.
  • the semiconductor switch F2 thus opens when a current I flows which is greater than or equal to the current threshold value ITH and when the cell voltage U2 falls below or reaches the voltage threshold value UTH due to the increased internal resistance R2 when the current I flows.
  • the remaining cells 2.1, 2.3 of the battery 1 can in the same way
  • FIG. 5 shows a profile of currents and voltages on the circuit shown in FIG. 4 during discharge and in the event of an error in cell 2.2. Shown from top to bottom are a voltage Um, an internal current R1, a cell current Izi through the cell 2.1, a voltage UFI across the semiconductor switch F1, a bypass current I through the semiconductor switch F1, a voltage U R 2 across the
  • the cell 2.2 has a higher one
  • Internal resistance R2 is stronger and is directed against the cell voltage U2.
  • the voltage across the internal resistance R2 corresponds to the sum of the cell voltage U2, for example 3V. From this point on the
  • Resistance value Rd 0.005 ohm of the semiconductor switch F2
  • FIG. 6 shows a profile of powers at the internal resistances R1, R2, R3 of the cells 2.1, 2.2, 2.3 and at the semiconductor switch F2 of the circuit shown in FIG. 4 during discharge and in the event of a fault in the cell 2.2.
  • a power P at the internal resistance R1 and a power P R 2 am are shown from top to bottom
  • the powers PRI, P R 2, P R 3 at the resistors R1, R2, R3 increase quadratically in proportion to the current I when discharging.
  • the power P R 2 is much higher because it is much higher
  • the power P, P R3 at R1 and R3 is 100W each.
  • the semiconductor switch F2 reduces the waste heat output at the defective cell 2.2 (at high current I even more than at the intact cells 2.1, 2.3).
  • the waste heat output is also significantly lower than when using a diode.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1, 2.2, 2.3) oder Module. Jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module ist eine Bypass-Diode (D1, D2, D3) parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Minuspol einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass-Diode (D1, D2, D3) mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) oder desselben Moduls verbunden ist. Alternativ ist jeder der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedem der Module ein Halbleiterschalter (F1, F2, F3) parallel geschaltet, wobei jede der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit (5) zur Messung einer Zellspannung (U1, U2, U3) oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit (6) zur Messung eines Stromes (I) durch die Batterie (1) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit (7) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (5) einer der Zellen (2.1, 2.2, 2.3) und mit der Strommesseinheit (6) verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den Halbleiterschalter (F1, F2, F3) derselben Zelle (2.1, 2.2, 2.3) öffnet, wenn ein Strom (I) fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren Stromschwellwert (ITH) ist und wenn die jeweilige Zellspannung (U1, U2, U3) beim Fließen des Stroms (I) unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert (UTH) abfällt oder diesen erreicht.

Description

Schaltungsanordnung für eine Batterie
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module.
Bei Ausfall oder Defekt einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls wird durch erhöhten Innenwiderstand der defekten Batteriezelle die abrufbare Leistung der gesamten Batterie erheblich reduziert. Findet in diesem Zustand keine Abschaltung statt, besteht die Gefahr einer lokal starken Überhitzung innerhalb der Batterie, die ein Sicherheitsproblem darstellen kann.
Bekannt sind Batterien, die aus mehreren kompletten Teilsträngen inklusive Schützen bestehen. Ein Teilstrang mit einer defekten Zelle oder einem defekten Modul kann über das Schütz stromfrei geschaltet werden. Dabei sind mehrere Teilstränge inklusive Schütz erforderlich. Die abrufbare Leistung sinkt stark ab.
Aus der DE 10 2015 016 980 A1 ist eine Batterie für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit
- zumindest zwei Batteriesträngen, welche jeweils zumindest eine Batteriezelle und ein dazu seriell geschaltetes Schaltelement aufweisen und welche mittels des jeweiligen Schaltelementes parallel zueinander an einen ersten Batterieanschluss der Batterie schaltbar sind,
- einem zweiten Batterieanschluss zum Anschließen der Batterie an das Bordnetz, wobei der zweite Batterieanschluss über eine Hauptschalteinrichtung der Batterie mit dem ersten Batterieanschluss elektrisch koppelbar ist; und
- einer Vorladevorrichtung, welche in einem ersten Betriebsmodus der Batterie zum Vorladen eines Zwischenkreises des Bordnetzes ausgelegt ist, wobei die
Vorladevorrichtung in einem zweiten Betriebsmodus der Batterie zum aneinander Angleichen von Batteriespannungen eines ersten Batteriestranges und zumindest eines zweiten Batteriestranges ausgelegt ist.
Aus der DE 10 2012 212 374 A1 ist ein Batteriesystem bekannt, welches einen
Batteriestrang umfasst, der eine Vielzahl dem Batteriestrang in Reihe geschaltete Batteriezellen sowie eine Vielzahl an Sicherungen aufweist, die zu den Batteriezellen in Reihe geschaltet sind. Das Batteriesystem weist zudem zwei Anschlüsse auf, die jeweils mit einem Ende des Batteriestrangs verbunden sind. Über zwei Schaltmittel ist ein elektrischer Pfad parallel zu einem Abschnitt des Batteriestranges schaltbar, wobei der Abschnitt mindestens eine Batteriezelle sowie mindestens eine Sicherung beinhaltet.
Aus der DE 10 2016 015 298 A1 ist eine Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie bekannt, umfassend einen aus einer Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen gebildeten Zellverbund mit zwei Polanschlusspunkten, mit zwei elektrischen Überbrückungsleitungen, wobei zwischen jeder Überbrückungsleitung und jedem
Polanschlusspunkt jeweils eine schaltbare Koppelvorrichtung angeordnet ist. Zwischen jeder Überbrückungsleitung und jeder elektrischen Verbindung zwischen den Einzelzellen ist jeweils eine weitere schaltbare Koppelvorrichtung angeordnet. Weiterhin ist eine Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung zur Erfassung elektrischer Parameter einer einzelnen Einzelzelle oder mehrerer Einzelzellen des Zellverbunds offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module, jeder der Zellen oder jedem der Module eine Bypass-Diode parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode mit einem Minuspol einer der Zellen oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass-Diode mit einem Pluspol derselben Zelle oder desselben Moduls verbunden ist. Wenn alle Zellen oder Module eine annähernd gleiche Zellspannung und einen annähernd gleichen Innenwiderstand aufweisen, so fließt ein Strom in Entladerichtung ausschließlich über die Zellen oder Module und nicht über die Bypass-Dioden. Sobald jedoch eine der Zellen oder eines der Module infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere Zellspannung oder einen höheren Innenwiderstand aufweist, wird bei dieser Zelle oder diesem Modul der Strom aufgeteilt und es fließt ein Bypass-Strom über die jeweilige Bypass-Diode und ein Zellstrom über die Zelle oder das Modul. Ist der Strom gering, so kann er weiterhin vollständig als Zellstrom über die defekte Zelle oder das defekte Modul fließen. Erst wenn der Spannungsabfall am jeweiligen Innenwiderstand infolge des fließenden Stromes so groß wird, dass die jeweilige Bypass-Diode öffnet, übernimmt die jeweilige Bypass-Diode den zusätzlichen Anteil des Stroms als Bypass- Strom. Ab diesem Punkt bleibt der Anteil des Zellstroms nahezu konstant. Der maximale Zellstrom wird somit begrenzt. Das gleiche gilt auch für die in der defekten Zelle entstehende Abwärme. Hinzu kommt die Abwärme, die an der Bypass-Diode entsteht. In Summe entsteht an der defekten Zelle und der zugehörigen Bypass-Diode weniger Abwärme, als an der defekten Zelle ohne Bypass-Pfad entstehen würde.
Folgende Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Bypass-Dioden:
• Die Bypass-Dioden sind nicht in Reihe mit den einzelnen Zellen oder Modulen geschaltet. Sie beeinflussen somit bei intakter Batterie nicht den Wirkungsgrad beim Entladen der Batterie (Fährbetrieb) und haben auch keinen Abwärmeeintrag in die Batterie. Die Dioden werden erst aktiv, sobald eine Zelle oder ein Modul stark gealtert oder defekt ist.
• Die Bypass-Dioden sind nur auf die Spannung der jeweils parallel geschalteten Zellen oder Module auszulegen.
• Durch die Parallelschaltung der Dioden ist bei gealterten oder defekten Zellen oder Modulen eine Reduzierung der Abwärmeleistung erreichbar. Die benachbarten Zellen oder Module werden vor Überhitzung und beschleunigter Alterung geschützt. Ein Brand der defekten Zelle oder des defekten Moduls kann so vermieden werden.
• Die Schaltung mit Bypass-Dioden ist passiv und daher ohne Auswerteelektronik umsetzbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer
Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie, umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen oder Module, jeder der Zellen oder jedem der Module ein Halbleiterschalter parallel geschaltet, wobei jede der Zellen oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit zur Messung einer Zellspannung oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit zur Messung eines Stromes durch die Batterie vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit vorgesehen ist, die mit der
Spannungsmesseinheit einer der Zellen und mit der Strommesseinheit verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den Halbleiterschalter derselben Zelle öffnet, wenn ein Strom fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren
Stromschwellwert ist und wenn die jeweilige Zellspannung beim Fließen des Stroms unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert abfällt oder diesen erreicht.
Wenn alle Zellen eine annähernd gleiche Zellspannung und einen annähernd gleichen Innenwiderstand aufweisen, so fließt der Strom in Entladerichtung ausschließlich über die Zellen und nicht über die Halbleiterschalter.
Das Prinzip der Schaltung aus ist ähnlich dem oben beschriebenen Prinzip mit Bypass- Dioden. Die Bypass-Diode verfügt allerdings über eine feste Schwellspannung (z.B. -0,7V als Klemmenspannung der defekten Zelle). Werden die Bypass-Dioden durch
Halbleiterschalter, insbesondere MOSFETs, ersetzt, so ist über eine Ansteuerung der Halbleiterschalter eine beliebige Schaltschwelle einstellbar. Dabei sind Schaltschwellen realisierbar, die deutlich kleiner sind als die Schwellspannung der Bypass-Dioden, wodurch der Maximalstrom einer defekten Zelle auf einen geringeren Wert begrenzt werden kann. Dies ist vor allem beim Einsatz zum Brücken von Batteriemodulen mit einer defekten Zelle von Vorteil. Dadurch, dass der Halbleiterschalter keine intrinsische
Schwellwertspannung besitzt, sind die Abwärmeverluste im Halbleiterschalter und auch im Innenwiderstand geringer, da Kommutierung bei einem geringeren Stromwert einsetzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Halbleiterschalter jeweils als ein
MOSFET ausgebildet.
Folgende Vorteile ergeben sich bei Verwendung von Bypass-Halbleiterschalter
(beispielsweise MOSFETs):
• Alle Vorteile der Schaltung mit Bypass-Dioden werden erfüllt.
• Eine Auslöseschwelle der Halbleiterschalter kann im Gegensatz zum Konzept mit den Bypass-Dioden frei gewählt werden.
• Im Vergleich zu den Bypass-Dioden kann die entstehende Abwärmeleistung in den Halbleiterschaltern und vor allem auch in der defekten Zelle nochmals erheblich reduziert werden. • Die Ansteuerschaltung der Bypass- Halbleiterschalter benötigt keine zusätzlichen Messeinrichtungen in der Batterie. Eine Gesamtstrommessung und die
Spannungsmessung der Einzelzellen oder Modulen sind häufig ohnehin vorgesehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET, dessen Source mit einem Minuspol einer der Zellen und dessen Drain mit einem Pluspol derselben Zelle verbunden ist. In alternativen Ausführungsformen können auch andere MOSFETs, beispielsweise p-Kanal-MOSFETs oder IGBT vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit einen ersten
Komparator zum Vergleichen des Stroms mit dem vorgebbaren Stromschwellwert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit einen zweiten
Komparator zum Vergleichen der Zellspannung mit dem vorgebbaren
Spannungsschwellwert.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit ein UND-Glied, das Ausgänge der Komparatoren logisch verknüpft und mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Batterie mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen und diesen parallel geschalteten Bypass-Dioden,
Fig. 2 einen Verlauf von Strömen und Spannungen an der in Figur 1 gezeigten
Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen,
Fig. 3 einen Verlauf von Leistungen an den Innenwiderständen der Zellen der in
Figur 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen,
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer Batterie mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen und diesen parallel geschalteten Halbleiterschaltern, Fig. 5 einen Verlauf von Strömen und Spannungen an der in Figur 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen, und
Fig. 6 einen Verlauf von Leistungen an Innenwiderständen der Zellen der in Figur 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an einer der Zellen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den folgenden Ausführungsbeispielen werden elektrische Batterien betrachtet, die aus einzelnen Zellen aufgebaut sind. Die Zellen in jedem der Ausführungsbeispiele können durch Module ersetzt werden. Bei einem Modul handelt es sich um eine Reihenschaltung mehrerer Zellen.
Figur 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Batterie 1 mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 2.1 , 2.2, 2.3. Jede der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 wird durch eine ideale Spannungsquelle 2.1.1 , 2.2.1 , 2.3.1 mit einer Zellspannung U 1 , U2, U3 und einen dazu in Reihe geschalteten Innenwiderstand R1 , R2, R3 repräsentiert. Jeder der
Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 ist eine Bypass-Diode D1 , D2, D3 parallel geschaltet, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode D1 , D2, D3 mit einem Minuspol einer der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und eine Katode derselben Bypass-Diode D1 , D2, D3 mit einem Pluspol derselben Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 verbunden ist.
An die Batterie 1 ist ein elektrischer Verbraucher 4 angeschlossen, durch den ein Strom I fließt. Der elektrische Verbraucher 4 ist als Stromquelle dargestellt.
Wenn alle Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 eine annähernd gleiche Zellspannung U 1 , U2, U3 und einen annähernd gleichen Innenwiderstand R1 , R2, R3 aufweisen, so fließt der Strom I in Entladerichtung der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 ausschließlich über die Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und nicht über die Bypass-Dioden D1 , D2, D3. Sobald jedoch eine der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3, beispielsweise die Zelle 2.2, infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere
Zellspannung U 1 , U2, U3 oder einen höheren Innenwiderstand R1 , R2, R3 aufweist, wird bei dieser Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 der Strom I aufgeteilt und es fließt ein Bypass-Strom IB über die jeweilige Bypass-Dioden D1 , D2, D3 und ein Zellstrom lz über die Zelle 2.1 , 2.2, 2.3.
Ist der Strom I gering so kann er weiterhin vollständig als Zellstrom lz über die defekte Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 fließen. Erst wenn der Spannungsabfall am jeweiligen Innenwiderstand R1 , R2, R3 infolge des fließenden Stromes I so groß wird, dass die jeweilige Bypass-Diode D1 , D2, D3 öffnet, übernimmt die jeweilige Bypass- Diode D1 , D2, D3 den zusätzlichen Anteil des Stroms I als Bypass-Strom IB. Ab diesem Punkt bleibt der Anteil des Zellstroms lz nahezu konstant.
Der maximale Zellstrom lz wird somit begrenzt. Das gleiche gilt auch für die in der defekten Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 entstehende Abwärme. Hinzu kommt die Abwärme, die an der Bypass-Diode D1 , D2, D3 entsteht. In Summe entsteht an der defekten Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 und der Bypass-Diode D1 , D2, D3 weniger Abwärme, als an der defekten
Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 ohne Bypass-Pfad entstehen würde.
In Figur 2 ist ein Verlauf von Strömen und Spannungen an der in Figur 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Dargestellt sind von oben nach unten eine Spannung Um über dem Innenwiderstand R1 , ein Zellstrom Izi durch die Zelle 2.1 , eine Spannung UDI über der Bypass-Diode D1 , ein Bypass-Strom IBI durch die Bypass-Diode D1 , eine Spannung UR2 über dem Innenwiderstand R2, ein Zellstrom Iz2 durch die Zelle 2.2, eine Spannung UD2 über der Bypass-Diode D2, ein Bypass-Strom IB2 durch die Bypass-Diode D2, eine Spannung UR3 über dem
Innenwiderstand R3, ein Zellstrom Iz3 durch die Zelle 2.3, eine Spannung UD3 über der Bypass-Diode D3, ein Bypass-Strom IB3 durch die Bypass-Diode D3 und der Strom I. Die Zelle 2.2 weist einen höheren Innenwiderstand R2 und eine niedrigere Zellspannung U2 auf als die anderen Zellen 2.1 , 2.3. Betrachtet wird nur der Entladefall, das heißt der Strom I steigt im Lauf der Simulationszeit von 0A auf -100A an.
In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,4s fließt der Strom I durch alle
Zellen 2.1 , 2.2, 2.3. Über die Bypass-Dioden D1 , D2, D3 fließt kein Strom. Infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 wächst der Spannungsabfall über dem
Innenwiderstand R2 stärker en und ist der Zellspannung U2 entgegen gerichtet.
Nach etwa 0,4s entspricht der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand R2 der Summe der Zellspannung U2, beispielsweise 3V, und einer Schwellwertspannung der Bypass-Diode D2, beispielsweise 1V. Ab diesem Zeitpunkt bleibt der Zellstrom Iz2 durch die Zelle 2.2 auf einem nahezu konstanten Wert. Der Differenzanteil zum weiterhin ansteigenden Strom I durch den Verbraucher wird nun von der Bypass-Diode D2 übernommen. Dadurch, dass bei der Bypass-Diode D2 ebenfalls ein Übergangswiderstand
angenommen wurde, erhöht sich der Spannungsabfall an der Bypass-Diode D2 mit steigendem Bypass-Strom IB. Dadurch nimmt auch der Zellstrom lz durch die defekte Zelle 2.2 geringfügig zu.
Im in Figur 2 dargestellten Beispiel wurden folgende Simulationsparameter verwendet:
R1 = R3 = 0,01 Ohm
R2 = 10*R1
U1 = U3 =4,0V
U2 = 3,0V
Spannungsabfall Ud=1V über der Bypass-Diode D2
Widerstandswert Rd=0.005 Ohm der Bypass Diode D2
Strom I durch den Verbraucher 4 (Stromquelle): von 0A bis -100A in 1 sek.
In Figur 3 ist ein Verlauf von Leistungen an den an den Innenwiderständen R1 , R2, R3 der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und an der Bypass-Diode D2 der in Figur 1 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Von oben nach unten sind dargestellt eine Leistung P am Innenwiderstand R1 , eine Leistung PR2 am
Innenwiderstand R2, eine Leistung PD2 an der Bypass-Diode D2, eine summierte
Leistung PD2_R2 an der Bypass-Diode D2 und am Innenwiderstand R2, eine Leistung PR3 am Innenwiderstand R3. Diese Leistungen entsprechen auch der abzuführenden
Wärmeleistung für ein Kühlsystem, um ein Überhitzen oder einen Brand zu vermeiden.
In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,4s steigen die Leistungen PRI , PR2, PR3 an den Innenwiderständen R1 , R2, R3 quadratisch proportional mit dem Strom I an. Die
Leistung PR2 ist dabei wesentlich höher, weil hier auch ein wesentlich höherer
Innenwiderstand R2 angenommen wurde.
Nach etwa 0,4s steigen die Leistungen PRI , PR3 an R1 und R3 weiterhin quadratisch proportional an. Die Leistung PR2 an R2 ist (nahezu) konstant, weil der Differenzstrom von nun an durch die Bypass-Diode D2 übernommen wird.
Die Leistung PD2 an der Bypass-Diode D2 wächst nun (nahezu) proportional zum Bypass- Strom I B2 - Die in Summe umgesetzte Leistung PD2_R2 an D2 und R2 beträgt bei -100A ca. 256W. Ohne D2 entspräche die Abwärme an R2 allerdings:
100A*100A*0.10hm = 1000W. Die Bypass-Diode D2 stellt also eine geeignete Schutzmaßahme gegen eine lokale Überhitzung aufgrund von gealterten oder defekten Zellen dar.
Die Leistung PR2 ist nicht völlig konstant und der Anstieg der Leistung PD2 an der Bypass- Diode D2 nicht völlig proportional zum Bypass-Strom IB2 wegen des Einflusses des Übergangswiderstands der Bypass-Diode D2. Je geringer dieser Übergangswiderstand ist, desto konstanter ist die freiwerdende Leistung PR2 an R2 mit steigendem Strom I.
Figur 4 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Batterie 1 mit einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen 2.1 , 2.2, 2.3. Jede der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 wird durch eine ideale Spannungsquelle 2.1.1 , 2.2.1 , 2.3.1 mit einer Zellspannung U 1 , U2, U3 und einen dazu in Reihe geschalteten Innenwiderstand R1 , R2, R3 repräsentiert. Jeder der
Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 ist eine Halbleiterschalter F1 , F2, F3, insbesondere ein MOSFET, parallel geschaltet, insbesondere derart, dass bei einem n-Kanal MOSFET Source mit einem Minuspol einer der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und Drain desselben MOSFET mit einem Pluspol derselben Zelle 2.1 , 2.2, 2.3 verbunden ist. Jede der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 weist eine Spannungsmesseinheit 5 zur Messung der Zellspannung U1 , U2, U3 auf. Dargestellt ist hier nur die Spannungsmesseinheit 5 zur Messung der Zellspannung U2 der Zelle 2.2.
An die Batterie 1 ist ein elektrischer Verbraucher 4 angeschlossen, durch den ein Strom I fließt. Der elektrische Verbraucher 4 ist als Stromquelle dargestellt. Weiter ist eine Strommesseinheit 6 zur Messung des Stromes I vorgesehen.
Wenn alle Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 eine annähernd gleiche Zellspannung U1 , U2, U3 und einen annähernd gleichen Innenwiderstand R1 , R2, R3 aufweisen, so fließt der Strom I in Entladerichtung der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 ausschließlich über die Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und nicht über die Halbleiterschalter F1 , F2, F3. Es soll der Fall betrachtet werden, dass eine der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3, beispielsweise die Zelle 2.2, infolge eines Defekts oder Alterung eine geringere Zellspannung LH , U2, U3 oder einen höheren Innenwiderstand R1 , R2, R3 aufweist.
Das Prinzip der Schaltung aus Figur 4 ist ähnlich dem Prinzip aus Figur 1 mit Bypass- Dioden D1 , D2, D3. Die Bypass-Diode D1 , D2, D3 verfügt allerdings über eine feste Schwellspannung (z.B. -0,7V als Klemmenspannung der defekten Zelle). Werden die Bypass-Dioden D1 , D2, D3 durch Halbleiterschalter F1 , F2, F3, insbesondere MOSFETs, ersetzt, so ist über eine Ansteuerung der Halbleiterschalter F1 , F2, F3 eine beliebige Schaltschwelle einstellbar. Dabei sind Schaltschwellen realisierbar, die deutlich kleiner sind als die Schwellspannung der Bypass-Dioden D1 , D2, D3, wodurch der Maximalstrom der defekten Zelle 2.2 auf einen geringeren Wert begrenzt werden kann. Dies ist vor allem beim Einsatz zum Brücken von Batteriemodulen mit einer defekten Zelle von Vorteil.
Die Ansteuerung des der defekten Zelle 2.2 zugeordneten Halbleiterschalters F2 erfolgt über eine Steuereinheit 7, die mit der in der Batterie 1 vorhandenen
Spannungsmesseinheit 5 und mit der Strommesseinheit 6 zur Messung des durch die Batterie 1 fließenden Stroms I verbunden ist. Dadurch, dass der Halbleiterschalter F2, insbesondere MOSFET, keine intrinsische Schwellwertspannung besitzt, sind die Abwärmeverluste im Halbleiterschalter F2 und auch im Innenwiderstand R2 geringer, da Kommutierung bei einem geringeren Stromwert einsetzt.
In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 7 einen ersten Komparator 7.1 zum Vergleichen des Stroms I mit einem einstellbaren Stromschwellwert ITH, der
beispielsweise 0 sein kann. Die Steuereinheit 7 umfasst weiter einen zweiten
Komparator 7.2 zum Vergleichen der Zellspannung U2 mit einem einstellbaren
Spannungsschwellwert UTH, der beispielsweise 0,1 V sein kann. Die Ausgänge der Komparatoren 7.1 , 7.2 sind über ein UND-Glied 7.3 logisch verknüpft und der Ausgang des UND-Gliedes 7.3 steuert den Halbleiterschalter F2 an. Der Ausgang des ersten Komparators 7.1 nimmt beispielsweise den logischen Wert 1 an, wenn der Strom I den Stromschwellwert ITH erreicht und/oder überschreitet bzw. unterschreitet. Der Ausgang des zweiten Komparators 7.2 nimmt beispielsweise den logischen Wert 1 an, wenn die Zellspannung U2 den Spannungsschwellwert UTH erreicht und/oder unterschreitet. Der Halbleiterschalter F2 öffnet also, wenn ein Strom I fließt, der größer als der oder gleich dem Stromschwellwert ITH ist und wenn die Zellspannung U2 infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 beim Fließen des Stroms I unter den Spannungsschwellwert UTH abfällt oder diesen erreicht.
Ähnliche Schaltungen mit dem Vergleich von Modulspannungen und einer daraus abgeleiteten Auslöseschwelle sind ebenfalls denkbar.
Die übrigen Zellen 2.1 , 2.3 der Batterie 1 können in gleicher weise
Spannungsmesseinheiten 5 und Steuereinheiten 7 aufweisen.
In Figur 5 ist ein Verlauf von Strömen und Spannungen an der in Figur 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Dargestellt sind von oben nach unten eine Spannung Um über dem Innenwiderstand R1 , ein Zellstrom lzi durch die Zelle 2.1 , eine Spannung UFI über dem Halbleiterschalter F1 , ein Bypass- Strom I durch den Halbleiterschalter F1 , eine Spannung UR2 über dem
Innenwiderstand R2, ein Zellstrom Iz2 durch die Zelle 2.2, eine Spannung UF2 über dem Halbleiterschalter F2, ein Bypass-Strom IB2 durch den Halbleiterschalter F2, eine
Spannung UR3 über dem Innenwiderstand R3, ein Zellstrom Iz3 durch die Zelle 2.3, eine Spannung UF3 über dem Halbleiterschalter F3, ein Bypass-Strom IB3 durch den
Halbleiterschalter F3 und der Strom I. Die Zelle 2.2 weist einen höheren
Innenwiderstand R2 und eine niedrigere Zellspannung U2 auf als die anderen
Zellen 2.1 , 2.3. Betrachtet wird nur der Entladefall, das heißt der Strom I steigt im Lauf der Simulationszeit von 0A auf -100A an.
In einem ersten Zeitraum von 0 bis etwa 0,3s fließt der Strom I durch alle
Zellen 2.1 , 2.2, 2.3. Über die Halbleiterschalter F 1 , F2, F3 fließt kein Strom. Infolge des erhöhten Innenwiderstands R2 wächst der Spannungsabfall über dem
Innenwiderstand R2 stärker en und ist der Zellspannung U2 entgegen gerichtet.
Nach etwa 0,3 s entspricht die Spannung über dem Innenwiderstand R2 der Summe der Zellspannung U2, beispielsweise 3V. Ab diesem Zeitpunkt werden die
Einschaltbedingungen für den Halbleiterschalter F2 erfüllt: Der durch die Batterie 1 beim Entladen fließende Strom I ist kleiner/gleich 0 und die Zellspannung U2 ist
kleiner/gleich 0,1V. Durch das Einschalten des Halbleiterschalters F2 bleibt der
Zellstrom Iz2 durch die mittlere Zelle 2.2 auf einem (nahezu) konstanten Wert. Der Differenzanteil zum weiterhin ansteigenden Strom I durch den Verbraucher 4 wird nun vom Halbleiterschalter F2 übernommen.
Da beim Halbleiterschalter F2 ebenfalls ein Übergangswiderstand angenommen wurde, ergibt sich eine geringe Stromzunahme in R2 mit steigendem Strom I, da sich der Spannungsabfall an F2 mit zunehmendem Strom I in F2 ebenfalls leicht erhöht.
Im in Figur 5 dargestellten Beispiel wurden folgende Simulationsparameter verwendet:
R1 = R3 = 0,01 Ohm
R2 = 10*R1
U1 = U3 =4,0V
U2 = 3,0V
Widerstandswert Rd=0,005 Ohm des Halbleiterschalters F2
Strom I: von 0A bis -100A in 1 sek In Figur 6 ist ein Verlauf von Leistungen an den an den Innenwiderständen R1 , R2, R3 der Zellen 2.1 , 2.2, 2.3 und am Halbleiterschalter F2 der in Figur 4 gezeigten Schaltung beim Entladen und bei einem Fehler an der Zelle 2.2 gezeigt. Von oben nach unten sind dargestellt eine Leistung P am Innenwiderstand R1 , eine Leistung PR2 am
Innenwiderstand R2, eine Leistung PF2 am Halbleiterschalter F2, eine summierte
Leistung PFF2_R2 am Halbleiterschalter F2 und am Innenwiderstand R2, eine Leistung PR3 am Innenwiderstand R3. Diese Leistungen entsprechen auch der abzuführenden
Wärmeleistung für ein Kühlsystem, um ein Überhitzen oder einen Brand zu vermeiden.
In einem ersten Zeitraum bis etwa 0,3 s steigen die Leistungen PRI , PR2, PR3 an den Widerständen R1 , R2, R3 quadratisch proportional an mit dem Strom I beim Entladen. Die Leistung PR2 ist dabei wesentlich höher, weil hier ein wesentlich höherer
Innenwiderstand R2 angenommen wurde.
In einem Zeitraum ab etwa 0,3 s steigen die Leistungen PRI , PR3 an R1 und R3 weiterhin quadratisch proportional an. Die Leistung PR2 an R2 ist (nahezu) konstant, weil der Differenzstrom von nun an durch F2 übernommen wird.
Die Leistung PF2 an F2 wächst nun (nahezu) proportional zum Strom I. Die in Summe umgesetzte Leistung PF2_R2 an F2 und R2 beträgt bei -100A ca. 99W. Ohne F2 entspräche die Leistung PR2 und damit die Abwärme an R2 allerdings:
100A*100A*0.10hm = 1000W. Die Leistung P , PR3 an R1 und R3 beträgt je 100W.
Der Halbleiterschalter F2 reduziert die Abwärmeleistung an der defekten Zelle 2.2 (bei hohem Strom I sogar stärker als an den intakten Zellen 2.1 , 2.3). Die Abwärmeleistung ist zudem wesentlich geringer als bei Verwendung einer Diode.
Je geringer der Übergangswiderstand des Halbleiterschalters F2 ist, desto konstanter ist die freiwerdende Leistung PR2 an R2 mit steigendem Strom I. Bezugszeichenliste
1 Batterie
2.1 , 2.2, 2.3 Zelle
2.1.1. 2.2.1. 2.3.1 Spannungsquelle
4 elektrischer Verbraucher
5 Spannungsmesseinheit
6 Strommesseinheit
7 Steuereinheit
7.1 erster Komparator
7.2 zweiter Komparator
7.3 UND-Glied
D1 , D2, D3 Bypass-Diode
F1 , F2, F3 Halbleiterschalter
I Strom
IB, I B1 , I B2, I B3 Bypass-Strom
ITH Stromschwellwert
lz, lzi , Iz2, I Z3 Zellstrom
PD2, PF2 Leistung
PF2_R2, P D2_R2 summierte Leistung
PRI , PR2, PR3 Leistung
R1 , R2, R3 Innenwiderstand
U1 , U2, U3 Zellspannung
UD1 , UD2, UD3 Spannung
UF1 , UF2, UF3 Spannung
URI , UR2, UR3 Spannung
UTH Spannungsschwellwert

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1 ), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder Module, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder jedem der Module eine Bypass-Diode (D1 , D2, D3) parallel geschaltet ist, derart, dass eine Anode der Bypass-Diode (D1 , D2, D3) mit einem Minuspol einer der
Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder eines der Module und eine Katode derselben Bypass- Diode (D1 , D2, D3) mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1 , 2.2, 2.3) oder desselben Moduls verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung für eine elektrische Batterie (1 ), umfassend eine Mehrzahl elektrisch in Reihe geschalteter Einzelzellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder Module, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder jedem der Module ein Halbleiterschalter (F1 , F2, F3) parallel geschaltet ist, wobei jede der Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) oder jedes der Module eine Spannungsmesseinheit (5) zur Messung einer Zellspannung (U1 , U2, U3) oder Modulspannung aufweist, wobei eine Strommesseinheit (6) zur Messung eines Stromes (I) durch die Batterie (1 ) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Steuereinheit (7) vorgesehen ist, die mit der Spannungsmesseinheit (5) einer der Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) und mit der
Strommesseinheit (6) verbunden und so ausgebildet ist, dass sie den
Halbleiterschalter (F1 , F2, F3) derselben Zelle (2.1 , 2.2, 2.3) öffnet, wenn ein Strom (I) fließt, der oder dessen Absolutwert größer als ein oder gleich einem vorgebbaren Stromschwellwert (ITH) ist und wenn die jeweilige
Zellspannung (U1 , U2, U3) beim Fließen des Stroms (I) unter einen vorgebbaren Spannungsschwellwert (UTH) abfällt oder diesen erreicht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Halbleiterschalter (F1 , F2, F3) jeweils als ein MOSFET ausgebildet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der MOSFET ein n-Kanal-MOSFET ist, dessen Source mit einem Minuspol einer der Zellen (2.1 , 2.2, 2.3) und dessen Drain mit einem Pluspol derselben Zelle (2.1 , 2.2, 2.3) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (7) einen ersten Komparator (7.1 ) zum Vergleichen des Stroms (I) mit dem vorgebbaren Stromschwellwert (ITH) umfasst.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (7) einen zweiten Komparator (7.2) zum Vergleichen der
Zellspannung (U1 , U2, U3) mit dem vorgebbaren Spannungsschwellwert (UTH) umfasst.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (7) ein UND-Glied (7.3) umfasst, das Ausgänge der Komparatoren (7.1 , 7.2) logisch verknüpft und mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters (F1 , F2, F3) verbunden ist.
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