WO2022175316A1 - Einrichtung zur ermittlung von zellspannungen an in reihe geschalteten batteriezellen sowie verfahren zur ermittlung von zellspannungen - Google Patents

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WO2022175316A1
WO2022175316A1 PCT/EP2022/053799 EP2022053799W WO2022175316A1 WO 2022175316 A1 WO2022175316 A1 WO 2022175316A1 EP 2022053799 W EP2022053799 W EP 2022053799W WO 2022175316 A1 WO2022175316 A1 WO 2022175316A1
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battery cells
voltage
pack
series
cell voltages
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PCT/EP2022/053799
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Matthias Ridder
Magnus Jaster
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Vitesco Technologies Germany Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3835—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC involving only voltage measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining cell voltages in series-connected battery cells of a cell stack, for example battery cells of a traction battery of an electrically powered vehicle.
  • traction batteries of electrically powered vehicles typically have several series-connected packages (packs) of battery cells. Multiple packs can form a cell stack and a battery can have one or more cell stacks.
  • Each individual pack is monitored by a control device assigned to it.
  • the supply voltage for the control unit is usually provided by the battery cells.
  • the monitoring of the packs includes in particular the determination of cell voltages of the battery cells connected in series.
  • the voltage measuring device used for this can be part of the control device.
  • cell temperatures can also be determined, for example. All of the facilities for monitoring a pack can reside on a circuit board associated with that pack.
  • a device for determining cell voltages on series-connected battery cells of a cell stack specified, wherein the battery cells are combined into packs of a plurality of series-connected battery cells the device having the following: Each pack is assigned a voltage measuring device for determining the cell voltages of the individual battery cells of the pack. For at least two adjacent packs, the device has a voltage follower connected to the current path between the two adjacent packs, which receives a potential of one pack and a reference voltage as an input signal and provides a low-impedance supply voltage for the voltage measuring device of the other pack as an output signal.
  • a cell stack is understood here and below to mean a plurality of battery cells which are arranged in close proximity to one another, for example in a common housing, and which can be connected in series.
  • a pack of battery cells is understood here and below to mean a plurality of battery cells which can have a common control device.
  • the battery cells of a pack can also be combined mechanically into a package, for example mechanically connected and/or arranged together in a housing section.
  • the battery cells of a pack within the meaning of this application can also be arranged spatially separated from one another.
  • At least one voltage measuring device is assigned to each pack, which determines and monitors the cell voltages of all battery cells of the pack. For this purpose, measuring lines are provided on each battery cell.
  • neighboring packs are understood to be consecutive packs, i.e. packs connected in series.
  • the device according to the invention makes it possible to generate the required supply potentials for the voltage measuring device and possibly further infrastructure for cell management using the measuring lines that are present anyway. This makes it possible to manage with relatively few supply lines and thus to save costs and space. In particular, only one positive and one negative supply line is required, regardless of the number of voltage measuring devices connected in series. Since the voltage measurement is to be carried out with a high level of accuracy, particularly in the millivolt range, the impedance of the connecting lines between the cells and the voltage measuring device can be problematic, since a current flowing from the cells to the voltage measuring device causes a voltage drop that cannot be calculated.
  • a voltage follower provides a low-impedance signal that serves as the supply voltage for the voltage measuring device.
  • the device for the voltage follower of each individual pack of the cell stack has an upstream voltage follower from the second pack to the last pack of the cell stack. This has the advantage that a precise voltage measurement is possible for all cells in a cell stack.
  • the voltage measuring device of the first pack of the cell stack is connected directly to the supply potential, which supplies the reference voltage for the voltage followers of the following packs.
  • the at least one voltage follower has a bypass circuit and an amplifier circuit, through which flow occurs alternatively during operation.
  • This embodiment provides that the impedance conversion by the voltage follower only takes place when required. If the device for determining the cell voltages is not in operation, for example because the vehicle that is being supplied by the battery is not in operation, energy can advantageously be saved by the voltage measuring devices going into a sleep state. In this sleep state, however, no impedance conversion is required by the voltage follower.
  • the amplifier circuit which causes the impedance conversion, would draw energy unnecessarily and is therefore switched to inactive when the voltage measuring device is in the sleep state, and the bypass circuit is active.
  • the amplifier circuit can have a power stage with two complementary bipolar transistors and a base stage with two diodes, which are each connected upstream of the base of the bipolar transistors, so that they shift the operating points of the bipolar transistors.
  • the input signal is amplified by one of the complementary bipolar transistors—when the input signal falls, by the one bipolar transistor, and when the input signal rises, by the complementary bipolar transistor.
  • the output signal follows the input signal.
  • the amplifier circuit would have a dead zone where none of the bipolar transistors would conduct, since the difference between the input and output voltage must always be greater than the forward voltage.
  • the diodes which can be in the form of bipolar diodes, for example, compensate for the dead zone.
  • the at least one voltage follower has an input for an activation signal with which the bypass circuit can be activated and the amplifier circuit can be deactivated when the assigned voltage measuring device changes from an awake state to a sleep state.
  • the activation signal causes switching between the alternatively through-flow bypass circuit and amplifier circuit.
  • the activation signal has two levels and the amplifier circuit is active at a high level and the bypass circuit is active at a low level.
  • the high level can be 5V above the output signal, while the lower level is at the output signal (ground).
  • a battery for an electrically operated vehicle which has a number of cells of a cell stack connected in series, the battery cells being combined to form a plurality of packs of a plurality of battery cells connected in series.
  • the battery also has the device described for determining cell voltages of the battery cells connected in series.
  • Such a battery with such a device for determining cell voltages could also be embodied as a solar battery for storing electrical energy provided by a photovoltaic system, or as another type of battery.
  • the battery can in particular be the traction battery of an electrically powered vehicle, with an electrically powered Vehicle is understood to be both an exclusively electrically operated vehicle and, for example, a flybrid vehicle.
  • a method for determining cell voltages on the series-connected battery cells of a cell stack is specified, the battery cells being combined into a plurality of packs on a plurality of series-connected battery cells and each pack having a voltage measuring device for determining the cell voltages of the individual cells Battery cells of the respective pack is assigned.
  • a high-impedance voltage signal made available from a potential of a pack is used, impedance-converted with a reference voltage, as the supply voltage for the voltage measuring device of an adjacent pack.
  • the impedance conversion can take place in particular by means of a voltage follower.
  • the impedance conversion takes place only when the associated voltage measuring device is in an awake state.
  • FIG. 1 shows schematically a battery for an electrically operated vehicle according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows parts of a device for measuring cell voltages on the battery according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows part of a circuit according to Figure 2
  • Figure 4 shows another part of the circuit according to Figure 2.
  • FIG. 1 shows schematically a battery 1 for an electrically operated vehicle according to an embodiment of the invention.
  • the battery 1 has at least one cell stack 2 made up of a plurality of battery cells 3 stacked on top of one another.
  • FIG. 1 shows only one cell stack 2 , such batteries 1 typically having a plurality of cell stacks 2 .
  • six battery cells 3 are assigned to each pack 4, 4′, 4′′, 4′′.
  • the battery cells 3 can be, for example, lithium ion cells or lithium polymer cells or other types of energy storage cells, for example electrochemical capacitors. They are all referred to below as "battery cells" for the sake of simplicity.
  • the battery cells 3 are connected in series.
  • the battery 1 has a device 5 for determining the cell voltages of the battery cells 3 connected in series.
  • the device 5 for determining the cell voltages has at least one voltage measuring device 6, 6', 6", 6" for each individual pack 4, 4', 4", 4" for determining the cell voltages on the respective associated pack 4, 4'. , 4", 4'" on.
  • the device 5 can also have other components for monitoring the battery cells 3, for example devices for monitoring the temperatures of the battery cells 3.
  • the respective voltage measuring device 6, 6', 6", 6" is supplied with voltage by the battery cells 3 of the respective assigned pack 4, 4', 4", 4"". The voltage is tapped via measuring lines 7.
  • a voltage follower 8, 8', 8" is provided between each two adjacent packs 4, 4', 4", 4"".
  • the voltage followers 8, 8' or 8" each receive as an input signal the potential of the preceding pack 4, 4' or 4" as well as a reference voltage 9 and provide a low-impedance supply voltage at the output 11 for the voltage measuring device 6', 6" or 6 '" of the following pack 4', 4" or 4'' available.
  • FIG. 2 schematically shows a circuit for the voltage followers 8, 8′, 8′′, only one voltage follower 8 being shown in the figure by way of example.
  • FIGS. 3 and 4 each show parts of the circuit shown in FIG. Figure 3 shows an amplifier circuit of the voltage follower 8 and Figure 4 shows a bypass circuit of the voltage follower 8.
  • the circuit of the voltage follower 8 is shown in simplified form in the figures. Components such as resistors are partially indicated only schematically. These can be formed by resistors, coils or other components.
  • the amplifier circuit 12 of the voltage follower 8 includes a high-impedance voltage divider, which is formed by the resistors 16, 17 and makes the voltage present at the input 10 available for controlling the power stage.
  • the resistor 16 can be, for example, 22 k ⁇ and the resistor 17 63 k ⁇ .
  • the power stage includes, in particular, the complementary bipolar transistors 14 and 15, with the bipolar transistor 14 having an npn junction and the bipolar transistor 15 having a pnp junction.
  • the power level has the following function:
  • the control voltage at the power stage increases and a current flows into the base of the bipolar transistor 14.
  • the collector current is equal to the base current multiplied by the current gain, here for example 250-450.
  • the base current thus pulls up the voltage at output 11 until an equilibrium is reached between the base current and the current at output 11.
  • the current at output 11 corresponds to the sum of the currents at input 10 and the reference 9. If the base or Emitter voltage of the bipolar transistor 15 increases, no current flows from the output 11 to the negative pole 18 of the supply, since the bipolar transistor 15 is a pnp transistor.
  • the bipolar transistor 15 becomes conductive and the bipolar transistor 14 conducts no current.
  • the voltage at output 11 thus follows the voltage at input 10.
  • the power stage with the bipolar transistors 14 and 15 would have a dead zone of about 1.2 V, in which none of the transistors 14, 15 would be conductive, since the difference between the input and the output voltage must always be greater than the forward voltage.
  • this dead zone is compensated for in that the amplifier circuit 12 includes upstream diodes 19, 20, which cause the bipolar transistors 14, 15 to be biased.
  • the bias voltage is set such that the base voltage of bipolar transistor 14 is always 0.6 V higher than the voltage at input 10 and the base voltage of bipolar transistor 15 is always 0.6 V lower than the voltage at input 10.
  • the diodes 19, 20 are bipolar diodes whose forward voltage has the same temperature characteristic as the forward voltage of the transistors 14, 15.
  • the voltage follower 8 also includes a bypass circuit 13, which is shown in isolation in FIG. This has the task of bypassing the amplifier circuit 12 when the voltage measuring device 6 is not in the awake state. This is advantageous because the amplifier circuit 12 would always draw a certain supply current for the voltage divider, resulting from the supply voltage applied, independently of the output current. In order to save energy and protect the battery cells 3, an activation signal 21 is therefore provided that can have either a high level of 5 V above the output signal or a low level on the output signal.
  • the activation signal 21 serves to activate and deactivate the amplifier circuit 12. When the activation signal 21 is low, the bypass circuit 13 is active and the amplifier circuit 12 is inactive. If the activation signal 21 is high, the amplifier circuit 12 is active and the bypass circuit 13 is inactive.
  • the activation signal is high (e.g. 5V) and the transistor 22, which is in the form of a p-channel MOSFET with the gate terminal connected to ground and the source terminal connected to the activation signal 21, has a voltage of -5V between gate and source and is therefore conductive.
  • transistor 23 which is also in the form of a p-channel MOSFET, has a voltage of +5V between gate and source and is therefore nonconductive.
  • the bipolar transistor 24 connects the amplifier circuit 12 to the negative pole 18 of the supply voltage, the amplifier circuit 12 is therefore active.
  • the activation signal 21 is at the level of the output signal, ie at ground for the Tension measuring device 6, 6', 6", 6'".
  • transistor 22 is non-conductive.
  • the transistor 23 is conductive and connects the output 11 to the input 10 via the resistor 25, so that the amplifier circuit 12 is bypassed.

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Abstract

Einrichtung (5) zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) eines Zellstapels (2), wobei die Batteriezellen (3) zu Packs (4, 4', 4'', 4''') aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) zusammengefasst sind, wobei die Einrichtung folgendes aufweist: - jedem Pack (4, 4', 4'', 4''') ist eine Spannungsmesseinrichtung (6, 6', 6'', 6''') zur Ermittlung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen (3) des jeweiligen korrespondierenden Packs (4, 4', 4'', 4''') zugeordnet; - für zumindest zwei benachbarte Packs (4 und 4'; 4' und 4''; 4'' und 4''') weist die Einrichtung (5) einen mit dem Strompfad zwischen den zwei benachbarten Packs (4 und 4'; 4' und 4''; 4'' und 4''') verbundenen Spannungsfolger (8; 8'; 8'') auf, der als Eingangssignal ein Potential des einen Packs (4; 4'; 4'') sowie eine Referenzspannung (9) erhält und als Ausgangssignal (11) niederimpedant eine Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung (6'; 6''; 6''') des anderen Packs (4'; 4''; 4''') zur Verfügung stellt.

Description

Beschreibung
Einrichtung zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen sowie Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen eines Zellstapels, beispielsweise Batteriezellen einer Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Große Traktionsbatterien elektrisch angetriebener Fahrzeuge weisen typischerweise mehrere in Reihe geschaltete Pakete (Packs) aus Batteriezellen auf. Mehrere Packs können einen Zellstapel bilden und eine Batterie kann einen oder mehrere Zellstapel aufweisen.
Jedes einzelne Pack wird durch eine ihm zugeordnete Steuereinrichtung überwacht. Die Versorgungsspannung für die Steuereinheit wird dabei meist aus den Batteriezellen zur Verfügung gestellt.
Die Überwachung der Packs umfasst insbesondere die Ermittlung von Zellspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die dafür verwendete Spannungsmesseinrichtung kann Teil der Steuereinrichtung sein. Neben den Zellspannungen können beispielsweise auch Temperaturen der Zellen ermittelt werden. Alle Einrichtungen zur Überwachung eines Packs können auf einer diesem Pack zugeordneten Platine untergebracht sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen eines Zellstapels anzugeben, wobei auf zusätzliche Anschlüsse sowie Versorgungsleitungen nach Möglichkeit verzichtet werden soll. Zudem soll eine sehr genaue Spannungsmessung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen eines Zellstapels angegeben, wobei die Batteriezellen zu Packs aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zusammengefasst sind, wobei die Einrichtung folgendes aufweist: Jedem Pack ist eine Spannungsmesseinrichtung zur Ermittlung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen des Packs zugeordnet. Für zumindest zwei benachbarte Packs weist die Einrichtung einen mit dem Strompfad zwischen den zwei benachbarten Packs verbundenen Spannungsfolger auf, der als Eingangssignal ein Potential des einen Packs sowie eine Referenzspannung erhält und als Ausgangssignal niederimpedant eine Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung des anderen Packs zur Verfügung stellt.
Unter einem Zellstapel wird hier und im Folgenden eine Mehrzahl von Batteriezellen verstanden, die in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind, beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, und die in Reihe geschaltet sein können.
Unter einem Pack von Batteriezellen wird, wie bereits weiter oben erläutert, hier und im Folgenden eine Mehrzahl von Batteriezellen verstanden, die eine gemeinsame Steuereinrichtung aufweisen können. Die Batteriezellen eines Packs können auch mechanisch zu einem Paket zusammengefasst sein, beispielsweise mechanisch verbunden und/oder gemeinsam in einem Gehäuseabschnitt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig, die Batteriezellen eines Packs im Sinne dieser Anmeldung können vielmehr auch räumlich voneinander getrennt angeordnet sein. Zumindest ist jedem Pack eine Spannungsmesseinrichtung zugeordnet, die die Zellspannungen sämtlicher Batteriezellen des Packs ermittelt und überwacht. Dazu sind an jeder Batteriezelle Messleitungen vorgesehen.
Unter benachbarten Packs werden im H inblick auf die Spannungsversorgung aufeinander folgende, d.h. seriell verschaltete Packs verstanden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es, die benötigten Versorgungspotenziale für die Spannungsmesseinrichtung und gegebenenfalls weitere Infrastruktur zum Zellmanagement mithilfe der ohnehin vorhandenen Messleitungen zu erzeugen. Dies ermöglicht es, mit verhältnismäßig wenig Versorgungsleitungen auszukommen und somit Kosten und Bauraum zu sparen. Insbesondere wird nur noch eine positive und eine negative Versorgungsleitung benötigt, unabhängig von der Zahl der in Reihe geschalteten Spannungsmesseinrichtungen. Da die Spannungsmessung mit einer hohen Genauigkeit erfolgen soll, insbesondere im Millivoltbereich, kann die Impedanz der Verbindungsleitungen zwischen den Zellen und der Spannungsmesseinrichtung problematisch sein, da ein von den Zellen zur Spannungsmesseinrichtung fließender Strom einen Spannungsabfall bewirkt, der nicht kalkulierbar ist.
Der Einsatz eines Spannungsfolgers stellt jedoch ein niederimpedantes Signal zur Verfügung, das als Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung dient.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Einrichtung für den Spannungsfolger jedes einzelnen Pack des Zellstapels von dem zweiten Pack bis zum letzten Pack des Zellstapels einen vorgeschalteten Spannungsfolger auf. Dies hat den Vorteil, dass eine genaue Spannungsmessung für alle Zellen eines Zellstapels möglich ist. Die Spannungsmesseinrichtung des ersten Packs des Zellstapels wird unmittelbar an das Versorgungspotential angeschlossen, das für die Spannungsfolger der nachfolgenden Packs die Referenzspannung liefert.
Gemäß einer Ausführungsform weist der zumindest eine Spannungsfolger eine Bypassschaltung sowie eine Verstärkerschaltung auf, die im Betrieb alternativ durchflossen werden.
Diese Ausführungsform sieht vor, dass die Impedanzwandlung durch den Spannungsfolger nur bei Bedarf erfolgt. Falls die Einrichtung zur Ermittlung der Zellspannungen nicht in Betrieb ist, beispielsweise, weil das Fahrzeug, das durch die Batterie versorgt wird, nicht in Betrieb ist, kann vorteilhafterweise Energie gespart werden, indem die Spannungsmesseinrichtungen in einen Schlafzustand übergehen. In diesem Schlafzustand ist jedoch keine Impedanzwandlung durch den Spannungsfolger erforderlich. Die Verstärkerschaltung, die die Impedanzwandlung bewirkt, würde unnötig Energie ziehen und wird daher im Schlafzustand der Spannungsmesseinrichtung inaktiv geschaltet und die Bypassschaltung ist aktiv.
Die Verstärkerschaltung kann insbesondere eine Leistungsstufe mit zwei komplementären Bipolartransistoren aufweisen sowie eine Basisstufe mit zwei Dioden, die jeweils der Basis der Bipolartransistoren vorgeschaltet sind, sodass sie die Arbeitspunkte der Bipolartransistoren verschieben. Bei dieser Ausführungsform wird das Eingangssignal durch jeweils einen der komplementären Bipolartransistoren verstärkt - bei sinkendem Eingangssignal durch den einen Bipolartransistor, bei steigendem Eingangssignal durch den komplementären Bipolartransistor. Somit folgt das Ausgangssignal dem Eingangssignal.
Ohne die Basisstufe wiese die Verstärkerschaltung eine Totzone auf, in der keiner der Bipolartransistoren leitend wäre, da die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung immer größer sein muss als die Durchlasspannung. Die Dioden, die beispielsweise als bipolare Dioden ausgebildet sein können, kompensieren die Totzone.
Gemäß einer Ausführungsform weist der zumindest eine Spannungsfolger einen Eingang für ein Aktivierungssignal auf, mit dem die Bypassschaltung aktivierbar und die Verstärkerschaltung deaktivierbar ist, wenn die zugeordnete Spannungsmesseinrichtung von einem Wach- in einen Schlafzustand übergeht.
Das Aktivierungssignal bewirkt demnach das Umschalten zwischen der alternativ durchflossenen Bypassschaltung und Verstärkerschaltung. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass das Aktivierungssignal zwei Level aufweist und bei einem hohen Level die Verstärkerschaltung aktiv ist und bei einem niedrigen Level die Bypassschaltung. Das hohe Level kann beispielsweise 5 V über dem Ausgangssignal liegen, während das niedrigere Level auf dem Ausgangssignal (ground) liegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Batterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug angegeben, die eine Anzahl aus in Reihe geschalteten Zellen eines Zellstapels aufweist, wobei die Batteriezellen zu mehreren Packs aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zusammengefasst sind. Die Batterie weist ferner die beschriebene Einrichtung zur Ermittlung von Zellspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen auf. Eine derartige Batterie mit einer derartigen Einrichtung zur Ermittlung von Zellspannungen könnte auch als Solarbatterie zur Speicherung von durch eine Photovoltaikanlage bereitgestellte elektrische Energie ausgebildet sein oder als sonstige Batterie.
Bei der Batterie kann es sich insbesondere um die Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handeln, wobei unter einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug sowohl ein ausschließlich elektrisch betriebenes Fahrzeug als auch beispielsweise ein Flybridfahrzeug verstanden wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen an den in Reihe geschalteten Batteriezellen eines Zellstapels angegeben, wobei die Batteriezellen zu mehreren Packs auf einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen zusammengefasst sind und jedem Pack eine Spannungsmesseinrichtung zur Ermittlung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen des jeweiligen Packs zugeordnet ist. Ein aus einem Potenzial eines Packs hochimpedant zu Verfügung gestelltes Spannungssignal wird mit einer Referenzspannung impedanzgewandelt als Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung eines benachbarten Packs verwendet.
Die Impedanzwandlung kann dabei insbesondere mittels eines Spannungsfolgers erfolgen.
Die Impedanzwandlung erfolgt insbesondere nur dann, wenn sich die zugeordnete Spannungsmesseinrichtung in einem Wachzustand befindet.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch eine Batterie für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 zeigt Teile einer Einrichtung zur Messung von Zellspannungen an der Batterie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt einen Teil einer Schaltung gemäß Figur 2 und
Figur 4 zeigt einen anderen Teil der Schaltung gemäß Figur 2.
Figur 1 zeigt schematisch eine Batterie 1 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Batterie 1 weist zumindest einen Zellstapel 2 aus einer Mehrzahl aufeinander gestapelter Batteriezellen 3 auf. Figur 1 zeigt der Einfachheit halber lediglich einen Zellstapel 2, wobei derartige Batterien 1 typischerweise mehrere Zellstapel 2 aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform sind jeweils sechs Batteriezellen 3 zu jeweils einem Pack 4, 4‘, 4“, 4‘“ zugeordnet. Bei den Batteriezellen 3 kann es sich beispielsweise um Lithiumionenzellen oder Lithium-Polymerzellen oder andere Arten von Energiespeicherzellen handeln, beispielsweise um elektrochemische Kondensatoren. Sie werden im Folgenden alle der Einfachheit halber als „Batteriezellen“ bezeichnet.
Die Batteriezellen 3 sind in Reihe geschaltet. Um eine optimale Ausnutzung der Kapazitäten und eine besonders schonende Ladung und Entladung der einzelnen Batteriezellen 3 zu gewährleisten, weist die Batterie 1 eine Einrichtung 5 zur Ermittlung der Zellspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen 3 auf.
Die Einrichtung 5 zur Ermittlung der Zellspannungen weist für jedes einzelne Pack 4, 4‘, 4“, 4‘“ zumindest eine Spannungsmesseinrichtung 6, 6‘, 6“, 6‘“ zur Ermittlung der Zellspannungen an dem jeweiligen zugeordneten Pack 4, 4‘, 4“, 4‘“ auf. Die Einrichtung 5 kann ferner weitere Komponenten zur Überwachung der Batteriezellen 3 aufweisen, beispielsweise Einrichtungen zur Überwachung der Temperaturen der Batteriezellen 3.
Die jeweilige Spannungsmesseinrichtung 6, 6‘, 6“, 6‘“ wird durch die Batteriezellen 3 des jeweiligen zugeordneten Packs 4, 4‘, 4“, 4‘“ mit Spannung versorgt. Der Spannungsabgriff erfolgt über Messleitungen 7.
Um zu verhindern, dass die Spannungsmessung durch den durch die Eingangsimpedanzen der Messleitungen 7 hervorgerufenen Spannungsabfall beeinträchtigt wird, sind zwischen je zwei benachbarten Packs 4, 4‘, 4“, 4‘“ jeweils ein Spannungsfolger 8, 8‘, 8“ vorgesehen. Die Spannungsfolger 8, 8‘ bzw. 8“ erhalten jeweils als Eingangssignal das Potenzial des vorhergehenden Packs 4, 4‘ bzw. 4“ sowie eine Referenzspannung 9 und stellen am Ausgang 11 niederimpedant eine Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung 6‘, 6“ bzw. 6‘“ des nachfolgenden Packs 4‘, 4“ bzw. 4‘“ zur Verfügung.
Der Aufbau der Spannungsfolger 8, 8‘, 8“ wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 näher beschrieben.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine Schaltung für die Spannungsfolger 8, 8‘, 8“, wobei in der Figur beispielhaft nur ein Spannungsfolger 8 dargestellt. Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils Teile der in Figur 2 dargestellten Schaltung. Figur 3 zeigt dabei eine Verstärkerschaltung des Spannungsfolgers 8 und die Figur 4 eine Bypassschaltung des Spannungsfolgers 8. Der Schaltkreis des Spannungsfolgers 8 ist in den Figuren vereinfacht dargestellt. Bauteile wie Widerstände sind teilweise nur schematisch angedeutet. Diese können durch Widerstände, Spulen oder andere Bauteile gebildet sein.
Die Verstärkerschaltung 12 des Spannungsfolgers 8 umfasst einen hochimpedanten Spannungsteiler, der durch die Widerstände 16, 17 gebildet ist und die am Eingang 10 anliegende Spannung zur Steuerung der Leistungsstufe zur Verfügung stellt. Der Widerstand 16 kann beispielsweise 22 kQ betragen und der Widerstand 17 63 kQ. Die Leistungsstufe umfasst insbesondere die komplementären Bipolartransistoren 14 und 15, wobei der Bipolartransistor 14 einen npn-Übergang aufweist und der Bipolartransistor 15 einen pnp-Übergang. Die Leistungsstufe hat folgende Funktion:
Steigt die Spannung am Eingang 10, so steigt die Steuerspannung an der Leistungsstufe und ein Strom fließt in die Basis des Bipolartransistors 14. Der Kollektorstrom ist gleich dem Basisstrom multipliziert mit der Stromverstärkung, hier beispielsweise 250-450. Der Basisstrom zieht somit die Spannung am Ausgang 11 hoch, bis sich ein Gleichgewicht einstellt zwischen dem Basisstrom und dem Strom am Ausgang 11. Der Strom am Ausgang 11 entspricht der Summe der Ströme am Eingang 10 sowie der Referenz 9. Wenn die Basis- bzw. Emitterspannung des Bipolartransistors 15 steigt, fließt kein Strom vom Ausgang 11 zum Minuspol 18 der Versorgung, da es sich bei dem Bipolartransistor 15 um einen pnp-Transistor handelt.
Wenn die Spannung am Eingang 10 sinkt, wird umgekehrt der Bipolartransistor 15 leitend und der Bipolartransistor 14 führt keinen Strom. Die Spannung am Ausgang 11 folgt somit der Spannung am Eingang 10.
Die Leistungsstufe mit den Bipolartransistoren 14 und 15 würde ohne Kompensierung eine Totzone von etwa 1 ,2 V aufweisen, in der keiner der Transistoren 14, 15 leitend wäre, da die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung stets größer sein muss als die Durchlassspannung. Diese Totzone wird in der gezeigten Ausführungsform dadurch kompensiert, dass die Verstärkerschaltung 12 vorgeschaltete Dioden 19, 20 umfasst, die eine Vorspannung der Bipolartransistoren 14, 15 bewirken. Eine derartige Vorspannung könnte auch alternativ mittels anderer Bauteile erreicht werden. Die Vorspannung wird derart eingestellt, dass die Basisspannung des Bipolartransistors 14 stets 0,6 V höher ist als die Spannung am Eingang 10 und die Basisspannung des Bipolartransistors 15 stets 0,6 V niedriger als die Spannung am Eingang 10.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Dioden 19, 20 bipolare Dioden, deren Durchlassspannung die gleiche Temperaturcharakteristik aufweist wie die Durchlassspannung der Transistoren 14, 15.
Der Spannungsfolger 8 umfasst neben der Verstärkerschaltung 12 auch eine Bypassschaltung 13, die isoliert in Figur 4 dargestellt ist. Diese hat die Aufgabe, die Verstärkerschaltung 12 zu umgehen, wenn sich die Spannungsmesseinrichtung 6 nicht im Wachzustand befindet. Dies ist vorteilhaft, weil die Verstärkerschaltung 12 stets einen gewissen, aus der anliegenden Versorgungsspannung resultierenden Versorgungsstrom für den Spannungsteiler ziehen würde, unabhängig von dem Ausgangsstrom. Um Energie zu sparen und die Batteriezellen 3 zu schonen, ist somit ein Aktivierungssignal 21 vorgesehen, dass entweder ein hohes Level 5 V über dem Ausgangssignal oder ein niedriges Level auf dem Ausgangssignal aufweisen kann.
Das Aktivierungssignal 21 dient zur Aktivierung und Deaktivierung der Verstärkerschaltung 12. Ist das Aktivierungssignal 21 niedrig, ist die Bypassschaltung 13 aktiv und die Verstärkerschaltung 12 inaktiv. Ist das Aktivierungssignal 21 hoch, ist die Verstärkerschaltung 12 aktiv und die Bypassschaltung 13 inaktiv.
Falls die Spannungsmesseinrichtung im Wachzustand ist, ist das Aktivierungssignal hoch (z.B. 5V) und der Transistor 22, der als p-Kanal MOSFET ausgebildet ist, wobei der Gateanschluss mit Masse verbunden ist und der Sourceanschluss mit dem Aktivierungssignal 21 , hat eine Spannung von -5V zwischen Gate und Source anliegen und ist somit leitend. Wenn der Transistor 22 leitend ist, hat der Transistor 23, der ebenfalls als p-Kanal-MOSFET ausgebildet ist, eine Spannung von +5V zwischen Gate und Source anliegen und ist somit nichtleitend. Der Bipolartransistor 24 verbindet die Verstärkerschaltung 12 mit dem Minuspol 18 der Versorgungsspannung, die Verstärkerschaltung 12 ist somit aktiv.
Falls die Spannungsmesseinrichtung 6, 6‘, 6“, 6‘“ im Schlafzustand ist, ist das Aktivierungssignal 21 auf dem Level des Ausgangssignals, d.h. auf Masse für die Spannungsmesseinrichtung 6, 6‘, 6“, 6‘“. In diesem Fall ist der Transistor 22 nichtleitend. Der Transistor 23 ist jedoch leitend und verbindet den Ausgang 11 über den Widerstand 25 mit dem Eingang 10, so dass sich ein Bypass der Verstärkerschaltung 12 ergibt.
Bezugszeichenliste
1 Batterie
2 Zellstapel
3 Batteriezelle
4, 4‘, 4“, 4‘“ Pack
5 Einrichtung
6, 6‘, 6“, 6‘“ Spannungsmesseinrichtung
7 Messleitung
8, 8‘, 8“ Spannungsfolger
9 Referenzspannung
10 Eingang 11 Ausgang 12 Verstärkerschaltung
13 Bypassschaltung
14 Bipolartransistor
15 Bipolartransistor
16 Widerstand
17 Widerstand
18 Minuspol
19 Diode
20 Diode 21 Aktivierungssignal 22 Transistor
23 Transistor
24 Bipolartransistor
25 Widerstand

Claims

Patentansprüche
1 . Einrichtung (5) zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) eines Zellstapels (2), wobei die Batteriezellen (3) zu Packs (4, 4‘, 4“, 4‘“) aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) zusammengefasst sind, wobei die Einrichtung folgendes aufweist:
- jedem Pack (4, 4‘, 4“, 4‘“) ist eine Spannungsmesseinrichtung (6, 6‘, 6“, 6‘“) zur Ermittlung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen (3) des jeweiligen korrespondierenden Packs (4, 4‘, 4“, 4‘“) zugeordnet;
- für zumindest zwei benachbarte Packs (4 und 4‘; 4‘ und 4“; 4“ und 4‘“) weist die Einrichtung (5) einen mit dem Strompfad zwischen den zwei benachbarten Packs (4 und 4‘; 4‘ und 4“; 4“ und 4‘“) verbundenen Spannungsfolger (8; 8‘; 8“) auf, der als Eingangssignal ein Potential des einen Packs (4; 4‘; 4“) sowie eine Referenzspannung (9) erhält und als Ausgangssignal (11 ) niederimpedant eine Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung (6‘; 6“; 6‘“) des anderen Packs (4‘; 4“; 4‘“) zur Verfügung stellt.
2. Einrichtung (5) nach Anspruch 1 , wobei die Einrichtung (5) für den Spannungsfolger (6‘; 6“; 6‘“) jedes einzelnen Packs (4‘; 4“; 4‘“) von dem zweiten Pack (4‘) bis zum letzten Pack (4“) einen vorgeschalteten Spannungsfolger (8; 8‘; 8“) aufweist.
3. Einrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine Spannungsfolger (8, 8‘, 8“) eine Bypassschaltung (13) sowie eine Verstärkerschaltung (12) aufweist, die im Betrieb alternativ durchflossen werden.
4. Einrichtung (5) nach Anspruch 3, wobei die Verstärkerschaltung (12) eine Leistungsstufe mit zwei komplementären Bipolartransistoren (14, 15) aufweist sowie eine Basisstufe mit zwei Dioden (19, 20), die jeweils der Basis der Bipolartransistoren (14, 15) vorgeschaltet sind, so dass sie die Arbeitspunkte der Bipolartransistoren (14, 15) verschieben.
5. Einrichtung (5) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der zumindest eine Spannungsfolger (8; 8‘; 8“) einen Eingang für ein Aktivierungssignal (21 ) aufweist, mit dem die Bypassschaltung (13) aktivierbar und die Verstärkerschaltung (12) deaktivierbar ist, wenn die zugeordnete Spannungsmesseinrichtung (6‘; 6“; 6‘“) von einem Wach- in einen Schlafzustand übergeht.
6. Batterie (1 ) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, aufweisend zumindest eine Anzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) eines Zellstapels (2), wobei die Batteriezellen (3) zu mehreren Packs (4, 4‘, 4“, 4‘“) aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) zusammengefasst sind, sowie eine Einrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Ermittlung von Zellspannungen der in Reihe geschalteten Batteriezellen (3).
7. Verfahren zur Ermittlung von Zellspannungen an in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) eines Zellstapels (2), wobei die Batteriezellen (3) zu mehreren Packs (4, 4‘, 4“, 4‘“) aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batteriezellen (3) zusammengefasst sind und jedem Pack (4, 4‘, 4“, 4‘“) eine Spannungsmesseinrichtung (6, 6‘, 6“, 6‘“) zur Ermittlung der Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen (3) des jeweiligen Packs (4, 4‘, 4“, 4‘“) zugeordnet ist, wobei ein aus einem Potential eines Packs (4; 4‘; 4“) hochimpedant zur Verfügung gestelltes Spannungssignal impedanzgewandelt als Versorgungsspannung für die Spannungsmesseinrichtung (6‘; 6“; 6‘“) des benachbarten Packs (4‘; 4“; 4‘“) verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Impedanzwandlung mittels eines Spannungsfolgers (8; 8‘; 8“) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Impedanzwandlung nur erfolgt, wenn sich die zugeordnete Spannungsmesseinrichtung (6‘; 6“; 6‘“) in einem Wachzustand befindet.
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