DE102008054532A1

DE102008054532A1 - Batteriemodul

Info

Publication number: DE102008054532A1
Application number: DE102008054532A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Seiler; Volker Doege; Philipp Kohlrausch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009124826A1; EP2266180A1

Abstract

Bei einem Batteriemodul (1), umfassend wenigstens zwei Batteriezellen (2a bis 2i) und Mittel (10) zur Begrenzung einer unteren Entladung des Batteriemoduls, wobei das Mittel (10) zur Begrenzung der unteren Entladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (2a bis 2i) eine untere Grenzspannung (Umin) messbar ist und bei einem Unterschreiten der unteren Grenzspannung (Umin) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) wenigstens ein Vorgang einleitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Batteriemodul gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 12.
Stand der Technik
Batterien, z. B. Li-Ionen-Batterien, versorgen verschiedene Einrichtungen, z. B. Hybridkraftfahrzeuge, elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Rollstühle, Fahrräder mit elektrischem Hilfsantrieb, Hubstapler oder Elektrowerkzeuge mit elektrischem Strom. Im Allgemeinen werden mehrere Batterien in einem Gehäuse eingebaut und bilden dadurch ein Batteriemodul.
Die in einem Gehäuse angeordneten, normalerweise zylinderförmigen Batteriezellen, wie z. B. NIMH-Batteriezellen, Li-Ionen-Batteriezellen oder DLC-Batteriezellen (DLC: Doppelschichtkondensator), bestehen im Allgemeinen aus mehreren in Reihe geschalteten einzelnen Batteriezellen, die jeweils eine Spannung von wenigen Volt, z. B. 3,6 V (bei Li-Ionen-Batterien) erzeugen. Die Anzahl der Zellen bestimmt damit die Nennspannung der Batterie, die z. B. 12 V oder 36 V betragen kann.
Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen und anderer Einflüsse (insbesondere Temperatur) ist die Kapazität bzw. der Innenwiderstand der einzelnen Batteriezellen unterschiedlich groß. Diese Unterschiede können durch Alterungsprozesse im Lebenszyklus des Batteriesystems zunehmen. Daher driftet der Ladezustand der Batteriezellen im Laufe der Zeit immer weiter auseinander. Beim Aufladen der Batteriezelle erreichen schwächere Batteriezellen ihre obere Ladespannung früher als stärkere Batteriezellen. Wird das Batteriemodul in diesem Zustand weiter geladen, kann es zum Überladen und somit zur Schädigung einzelner Batteriezellen kommen. Umgekehrt besteht beim Entladen des Batteriemoduls die Gefahr, dass einzelne Batteriezellen bei Erreichen der unteren Grenzspannung unter ihre minimal zulässige Batteriezellenspannung entladen und dadurch ebenfalls geschädigt werden. Dies ist besonders kritisch, da der Ausfall einer einzigen Batteriezelle zum Ausfall des gesamten Batteriemoduls führen kann. Darüber hinaus können die Batteriezellen umgepolt oder weitergehend geschädigt werden, so dass es zu einem Containmentdurchbruch oder zu einer zerstörerischen Kettenreaktion innerhalb des Batteriemoduls kommen kann.
Um einzelne Batteriezellen oder Batteriezellengruppen im Ladebetrieb vor Überspannung zu schützen, ist es bekannt, die Batteriezellen bzw. -gruppen mit Hilfe von Z-Dioden vor Überspannung zu schützen. Eine Batterie mit einer Schutzschaltung aus Z-Dioden ist beispielsweise aus der US 2005/0225291 A1 bekannt. Darin werden einzelne Batteriezellen mittels einer Z-Diode überbrückt. Sofern die Spannung der Zelle(n) über die Z-Spannung der Diode steigt, beginnt die Diode in Sperrrichtung zu leiten und begrenzt somit die. Spannung der Batteriezelle bzw. -gruppe.
Z-Dioden mit einer Z-Spannung von weniger als etwa 5 V haben den Nachteil, dass sie (konstruktionsbedingt) einen negativen Temperaturgang haben. Das heißt, wenn sie in Sperrrichtung leiten und durch den Strom erhitzt werden, nimmt ihre Z-Spannung weiter ab. Der Stromfluss nimmt daher zu. Dies kann sehr schnell zur Zerstörung der Z-Diode führen. Z-Dioden mit einer Z-Spannung von mehr als etwa 5 V haben dagegen einen positiven Temperaturgang, d. h, sie werden bei einem Stromfluss in Sperrrichtung hochohmiger und schützen sich daher selbst vor Überlastung. Es werden daher bevorzugt mehrere Batteriezellen mit einer Z-Diode parallel geschaltet, die ein N-faches einer maximalen Batteriezellenspannung, z. B. N mal 4,1 V, als Z-Spannung aufweisen. Die Parallelschaltung einer Z-Diode mit mehreren Batteriezellen behebt zwar das Problem des negativen Temperaturgangs, hat jedoch den Nachteil, dass die einzelnen Zellenspannungen der Batteriezellen einer Gruppe voneinander abweichen können. Dadurch kann es wiederum zum Überladen bzw. Tiefentladen einzelner Zellen der Gruppe kommen. Die Schutzschaltung ermöglicht es nicht, auf einfache Weise das Tiefentladen von Batteriezellen zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Batteriemodul, umfassend wenigstens zwei Batteriezellen und wenigstens ein Mittel zur Begrenzung einer unteren Entladung des Batteriemoduls, wobei das wenigstens eine Mittel zur Begrenzung der unteren Entladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle, vorzugsweise bei wenigstens zwei einzelnene Batteriezellen, die Spannung der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, messbar ist bzw. sind und wenn die wenigstens eine gemessene Spannung, vorzugsweise die wenigstens zwei gemessenen Spannungen, der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, eine untere Grenzspannung erreicht oder unterschreitet, wenigstens ein Vorgang einleitbar ist oder mit einem Batteriemodul, umfassend wenigstens zwei Batteriezellen und wenigstens ein Mittel zur Begrenzung einer unteren Entladung des Batteriemoduls, wobei das wenigstens eine Mittel zur Begrenzung der unteren Entladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle, vorzugsweise bei wenigstens zwei Batteriezellen, eine untere bestimmbare und/oder festlegbare und/oder vorgegebene Grenzspannung messbar ist und bei einem Unterschreiten der unteren Grenzspannung durch wenigstens eine Batteriezelle wenigstens ein Vorgang bzw. ein erster Vorgang einleitbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist bei sämtlichen Batteriezellen separat die untere Grenzspannung messbar.
In einer zusätzlichen Variante ist der wenigstens eine Vorgang ein optisches und/oder akustisches Signal für den Benutzer, das dem Benutzer eine Vollentladung oder eine Entladung mit einer geringen Restladung des Batteriemoduls anzeigt. Der Benutzer, z. B. der Fahrer eines Kraftfahrzeuges, kann somit erkennen, dass das Batteriemodul vollständig oder fast vollständig entladen ist.
Insbesondere ist der wenigstens eine Vorgang eine Begrenzung der Entladung sämtlicher Batteriezellen. Damit wird die Entladung des Batteriemoduls abgebrochen, d. h. das Batteriemodul wird abgeschaltet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Differenzglied zur Messung der Spannung der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, zugeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist dem wenigstens einen Differenzglied, vorzugsweise wenigstens zwei Differenzgliedern, ein Multiplexer zum sequenziellen Abfragen der Spannung bzw. Spannungen der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise der wenigstens zwei Batteriezellen, zugeordnet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung sind von einem Komparator die sequenziell von dem Multiplexer gelieferten Spannung bzw. Spannungen mit der unteren Grenzspannung vergleichbar und bei einem Erreichen oder Unterschreiten der unteren Grenzspannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist der wenigstens eine Vorgang einleitbar.
Zweckmäßig ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Komparator und je eine Referenzspannung zugeordnet.
In einer Variante ist von dem wenigstens einen Komparator, vorzugsweise wenigstens zwei Komparatoren, die Spannung bzw. Spannungen der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, mit einer unteren Grenzspannung vergleichbar und bei einem Erreichen oder Unterschreiten der unteren Grenzspannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist der wenigstens eine Vorgang einleitbar.
Vorzugsweise ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Differenzglied und je ein Komparator zugeordnet und bei einem Erreichen oder Unterschreiten der unteren Grenzspannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist der wenigstens eine Vorgang einleitbar.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Batteriemodul keine Vorrichtungen zum Abschalten einzelner Batteriezellen und/oder zum Überbrücken einzelner Batteriezellen auf, um dadurch Batteriezellen vor einem weiteren Entladen zu schützen.
In einer zusätzlichen Variante weist das Batteriemodul wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung einer oberen Ladespannung der wenigstens zwei Batteriezellen auf und die wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung der oberen Ladespannung ist dahingehend ausgebildet, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle, vorzugsweise bei wenigstens zwei Batteriezellen, die obere Ladespannung messbar ist bzw. sind und bei einem Überschreiten der oberen Ladespannung durch wenigsten eine Batteriezelle wenigstens eine Maßnahme bzw. ein zweiter Vorgang einleitbar ist.
Erfindungsgemäßes Batteriemodul, umfassend wenigstens zwei Batteriezellen und wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung einer oberen Ladung der wenigstens zwei Batteriezellen, wobei die wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung der oberen Ladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle, vorzugsweise bei wenigstens zwei einzelnen Batteriezellen, die Spannung der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, messbar ist und wenn die wenigstens eine gemessene Spannung, vorzugsweise wenigstens zwei Spannungen, der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, eine obere bestimmbare und/oder festlegbare und/oder vorgegebene Ladespannung erreicht oder überschreitet, wenigstens eine Maßnahme bzw. ein zweiter Vorgang einleitbar ist.
Insbesondere ist bei sämtlichen Batteriezellen separat die obere Ladespannung messbar.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die wenigstens eine Maßnahme ein optisches und/oder akustisches Signal für den Benutzer, das dem Benutzer eine Vollaufladung des Batteriemoduls anzeigt. Der Benutzer kann somit die Vollaufladung erkennen.
In einer weiteren Variante ist die wenigstens eine Maßnahme eine Begrenzung der Ladung sämtlicher Batteriezellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Differenzglied zur Messung der Spannung der wenigstens einen Batteriezelle zugeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist dem wenigstens einen Differenzglied, vorzugsweise wenigstens zwei Differenzgliedern, ein Multiplexer zum sequenziellen Abfragen der Spannung bzw. Spannungen der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, zugeordnet.
Zweckmäßig sind von einem Komparator die sequenziell von dem Multiplexer gelieferten Spannung bzw. Spannungen mit einer oberen Ladespannung vergleichbar und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist die wenigstens eine Maßnahme bzw. der zweite Vorgang einleitbar.
In einer ergänzenden Variante ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Komparator und je eine Referenzspannung zugeordnet.
Vorzugsweise ist von dem wenigstens einen Komparator, vorzugsweise wenigstens zwei Komparatoren, die Spannung bzw. Spannungen der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, mit einer oberen Ladespannung vergleichbar und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist die wenigstens eine Maßnahme einleitbar.
In einer weiteren Ausgestaltung ist jeder der wenigstens einen Batteriezelle, vorzugsweise wenigstens zwei Batteriezellen, je ein Differenzglied und je ein Komparator zugeordnet und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung durch wenigstens eine Batteriezelle ist die wenigstens eine Maßnahme einleitbar.
In einer ergänzenden Ausgestaltung weist das Batteriemodul keine Vorrichtungen zum Abschalten einzelner Batteriezellen und/oder zum Überbrücken einzelner Batteriezellen auf, um einzelne Batteriezellen vor einem weiteren Aufladen zu schützen.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Batteriezellen in Serie geschaltet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind wenigstens zwei Batteriezellen in Serie geschaltet und das Batteriemodul umfasst mehrere Spannungsbegrenzungseinrichtungen, die jeweils einer Gruppe aus einer oder mehreren Batteriezellen zugeordnet sind und deren Spannungen begrenzen, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtungen derart mit dem Batteriezellen verschaltet sind, dass die obere Ladespannung jeder einzelnen Batteriezelle eindeutig bestimmt ist.
Insbesondere sind die Spannungsbegrenzungseinrichtungen so angeordnet, dass zwei benachbarte Batteriezellengruppen wenigstens eine Batteriezelle gemeinsam haben.
In einer weiteren Ausgestaltung sind bei einer Anzahl von N Batteriezellen insgesamt N + 1 Spannungsbegrenzungseinrichtungen vorgesehen.
Zweckmäßig umfasst wenigstens ein Teil der Spannungsbegrenzungseinrichtungen eine Diode, insbesondere eine Z-Diode.
In einer weiteren Ausgestaltung sind bei einer Anzahl von N Batteriezellen wenigstens N – 1 Z-Dioden vorgesehen.
In einer weiteren Variante sind die Z-Dioden jeweils einer Gruppe aus mehreren Batteriezellen zugeordnet.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist wenigstens eine der Spannungsbegrenzungseinrichtungen als Spannungsregler realisiert.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst der Spannungsregler wenigstens einen Komparator und eine Referenzspannung.
Vorzugsweise sind die Spannungsbegrenzungseinrichtungen jeweils parallel zur zugehörigen Batteriezellengruppe angeschlossen.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist im Strompfad einer Spannungsbegrenzungseinrichtung ein Widerstand in Serie geschaltet.
Insbesondere ist der Widerstand ein PTC-Widerstand.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzen die verwendeten Z-Dioden einen positiven Temperaturgang ihrer Durchbruchspannung.
In einer zusätzlichen Variante ist der positive Temperaturgang der Durchbruchspannung der Z-Dioden so groß ist, dass die Z-Dioden beim Laden der Batteriezellen nicht zerstört werden können.
Ein Kraftfahrzeug umfasst ein in dieser Patentanmeldung, insbesondere oben, beschriebenes Batteriemodul.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Batteriemoduls mit Mitteln zur Begrenzung der unteren Grenzspannung in einer ersten Ausführungsform,
2 eine stark schematisierte Darstellung eines Batteriemoduls mit Mitteln zur Begrenzung der unteren Grenzspannung in einer zweiten Ausführungsform,
3 eine stark schematisierte Darstellung eines Batteriemoduls mit Mitteln zur Begrenzung der unteren Grenzspannung in einer dritten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit einer Schaltung zur Begrenzung der oberen Ladespannung in einer ersten Ausführungsform zur Verwendung in Kombination mit einem Batteriemodul gemäß 1, 2 oder 3,
5 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit einer Schaltung zur Begrenzung der oberen Ladespannung in einer zweiten Ausführungsform zur Verwendung in Kombination mit einem Batteriemodul gemäß 1, 2 oder 3 und
6 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls mit einer Schaltung zur Begrenzung der oberen Ladespannung in einer dritten Ausführungsform zur Verwendung in Kombination mit einem Batteriemodul gemäß 1, 2 oder 3.
In den 1 bis 3 ist ein erfindungsgemäßes Batteriemodul 1 mit N = 9 in Reihe geschalteten Batteriezellen 2a bis 2i dargestellt. Die Batteriezellen 2a bis 2i können auch parallel geschaltet sein (nicht dargestellt). Das Batteriemodul 1 wird beispielsweise in Hybridkraftfahrzeugen oder in Elektrowerkzeugen eingesetzt. Die Batteriezellen 2a bis 2i sind in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet. Jede einzelne Batteriezelle 2a bis 2i soll nicht tiefer als die untere Grenzspannung U_min entladen werden.
Das in 1 dargestellte Batteriemodul 1 umfasst Mittel 10 zur Begrenzung einer unteren Entladung des Batteriemoduls 1 bzw. Mittel 10 zur Begrenzung der unteren Grenzspannung U_min oder der unteren Entladespannung U_min der Batteriezellen 2a bis 2i des Batteriemoduls 1. Die Spannung U_batt jeder einzelnen Batteriezelle 2a bis 2i wird mit den Differenzgliedern 11a bis 11i gemessen, die jeweils einer Batteriezelle 2a bis 2i zugeordnet sind. Somit wird von den Differenzgliedern 11a bis 11i die Differenz des Potentials am negativen Anschluss und am positiven Anschluss jeder Batteriezelle 2a bis 2i gebildet. Ein Multiplexer 12 fragt sequenziell die Spannungen U_batt der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2i ab, so dass ein Komparator 13 die abgefragten Spannungen der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2i mit einer Referenzspannung 6 vergleichen kann. Die Referenzspannung 6 oder Referenzspannungsquelle 6 stellt eine Referenzspannung U_ref = U_min zur Verfügung, d. h. die Referenzspannung U_ref entspricht der unteren Grenzspannung U_min. Sofern wenigstens eine abgefragte Spannung U_batt kleiner ist als die Referenzspannung U_ref wird der Komparator 13 auf wahr gesetzt. Eine nicht dargestellte, übergeordnete Elektronik ist mit dem Komparator 13, z. B. mittels einer analogen oder seriellen Schnittstelle, verbunden und erkennt das Unterschreiten der abgefragten Spannung U_batt wenigstens einer Batteriezelle 2a bis 2i gegenüber der Referenzspannung U_ref und beendet das Entladen des gesamten Batteriemoduls 1. Beispielsweises ist die übergeordnete Elektronik die Bordelektronik eines Kraftfahrzeuges, welche veranlasst, dass dem Batteriemodul 1 kein weiterer Strom mehr entnommen wird und dem Fahrer das vollständige Entladen des Batteriemoduls 1 angezeigt wird.
In der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform eines Batteriemoduls 1 ist jeder Batteriezelle 2a bis 2i je eine Referenzspannung 6a bis 6i und je ein Komparator 13a bis 13i zugeordnet. Dadurch kann die Spannung U_batt jeder Batteriezelle 2a bis 2i direkt mit der zugeordneten Referenzspannung 6a bis 6i und dem zugeordneten Komparator 13a bis 13i verglichen werden. Ein logisches Oderglied 14 wird auf wahr gesetzt, sofern bei wenigstens einer Batteriezelle 2a bis 2i die Spannung U_batt unter die Referenzspannung U_ref abfällt. Das Oderglied 14 ist analog zu der ersten Ausführungsform mit einer übergeordneten Elektronik verbunden (nicht dargestellt).
Bei der dritten Ausführungsform des Batteriemoduls 1 (3) ist jeder Batteriezelle 2a bis 2i je ein Differenzglied 11a bis 11i und je ein Komparator 138 bis 13i zugeordnet. Die Komparatoren 13a bis 13i vergleichen die von den Differenzgliedern 11a bis 11i ermittelten Spannungen U_batt der Batteriezellen 2a bis 2i mit einer Referenzspannung 6. Ein logisches Oderglied 14 wird auf wahr gesetzt, sofern bei wenigstens einer Batteriezelle 2a bis 2i die Spannung U_batt unter die Referenzspannung U_ref abfällt. Das Oderglied 14 ist analog zu der ersten Ausführungsform mit einer übergeordneten Elektronik verbunden (nicht dargestellt).
Die in den oben beschriebenen drei Ausführungsformen des Batteriemoduls 1 vorhandenen Mittel zur Begrenzung der unteren Grenzspannung U_min des Batteriemoduls 1 können auch analog dazu genutzt werden, als Vorrichtung zur Begrenzung einer oberen Ladung des Batteriemoduls 1 bzw. als Vorrichtung zur Begrenzung der oberen Ladespannung U_mar der Batteriezellen 2a bis 2i zu dienen. Hierzu braucht lediglich von der Referenzspannung 6, 6a bis 6i die obere Ladespannung U_max zur Verfügung gestellt werden und der Komparator 13, 13a bis 13i wird auf wahr gesetzt, sofern die abgefragte Spannung U_batt größer ist als die Referenzspannung U_ref = U_max. Bei Batteriezellen 2a bis 2i, die als Li-Ionen- Batteriezellen 2a bis 2i ausgeführt sind, beträgt ungefähr U_max = 4,0 bis 4,5 V und U_min = 2,0 bis 2,8 V.
Zur Begrenzung der oberen Ladespannung U_max kann anstelle der oben beschriebenen Ausgestaltung auch die in den 4 bis 6 dargestellte Spannungsbegrenzungseinrichtung 3, 4 für ein Batteriemodul 1 verwendet werden. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung 3, 4 wird als Zusatz zu den in den 1 bis 3 dargestellten ersten bis dritten Ausführungsformen des Batteriemoduls 1 eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass beim Aufladen des Batteriemoduls 1 sämtliche Batteriezellen 2a bis 2i bis zur oberen Ladespannung U_max aufgeladen werden und der Ladevorgang nicht bereits abgebrochen wird, sofern eine Batteriezelle 2a bis 2i die obere Ladespannung U_max erreicht hat gemäß der Vorrichtung zur Begrenzung der oberen Ladespannung U_max.
4 zeigt ein Batteriemodul 1 mit insgesamt N = 9 Batteriezellen 2a bis 2i, die jeweils eine Teilspannung von mehreren Volt erzeugen. Zum Laden des Batteriemoduls 1 wird an den Batterieklemmen (Anschlüsse +/–) eine Ladespannung angelegt, die dem N-fachen der oberen Ladespannung U_max (z. B. 4,1 V) entspricht. Wenn der Stromfluss durch das Batteriemodul 1 einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, ist der Ladevorgang beendet. Um zu verhindern, dass die Spannung U_batt einer Batteriezelle 2a bis 2i eine obere Ladespannung U_max im Ladebetrieb überschreitet, ist hier eine Überlade-Schutzschaltung aus mehreren Z-Dioden 3a bis 3h und zwei Spannungsbegrenzungs-Schaltungen 4a, 4b vorgesehen, die die Spannung U_batt der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2i begrenzt.
Im Falle von Li-Ionen-Batteriezellen 2a bis 2i dürfen die einzelnen Batteriezellen 2a bis 2i maximal auf eine Spannung von 4,0 V bis 4,5 V geladen werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich beispielhaft auf eine obere Ladespannung U_max von 4,1 V.
Im dargestellten Schaltbild ist jeweils zwei Batteriezellen 2a bis 2i eine Z-Diode 3a bis 3h zugeordnet, wobei die Z-Dioden 3a bis 3h parallel mit der zugehörigen Batteriezellengruppe verschaltet sind. Um die Batteriezellen 2a bis 2i vor dem Überladen zu schützen, wird für jede Gruppe aus zwei Batteriezellen, z. B. [2a, 2b] oder [2b, 2c], eine Z-Diode 3a bis 3h mit einer Z-Spannung von 8,2 V = 2·4,1 V eingesetzt (im Folgenden als 2er-Dioden bezeichnet), Wenn die 2er-Dioden 3a bis 3h in Sperrrichtung zu leiten beginnen, werden sie durch den Strom erhitzt. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten steigt die Z-Spannung an und kann z. B. einen Wert von 8,7 V bei einer Temperatur von 150°C erreichen. Diese Spannung ist größer als 2·4,3 V = 8,6 V, so dass die Z-Dioden 3a bis 3h thermisch nicht überlastet werden können.
Die Spannungsregier 4a und 4b sind zwischen denn positiven Batterieanschluss (+) und dem Anschlussknoten zwischen den ersten beiden Batteriezellen 2a, 2b, bzw. dem negativen Batterieanschluss (–) und den letzten Batteriezellen 2h und 2i angeschlossen.
Die Z-Dioden 3a bis 3h sind außerdem so angeordnet, dass zwei zugehörige, benachbarte Zellengruppen, z. B. [2a, 2b] und [2b, 2c], jeweils wenigstens eine Batteriezelle 2 (z. B. 2b) gemeinsam haben. D. h. zwei benachbarte Zellengruppen [2a, 2b], [2b, 2c], [2c, 2d],... überlappen sich jeweils um wenigstens ein Element. Dadurch ergibt sich für jede der Batteriezellen 2a bis 2h eine eindeutige Maximalspannung, wie im Folgenden näher erläutert werden wird. Zusätzlich werden die Batteriezellen 2a und 2i jeweils mittels einer aktiven Spannungsbegrenzungsschaltung auf die maximale Spannung geregelt.
Wenn eine der Z-Dioden 3 in Sperrrichtung leitet, wird sie durch den Stromfluss erhitzt. Um zu verhindern, dass sich diese Z-Diode 3 zu stark erhitzt und dadurch zerstört wird, ist hier jeder Z-Diode 3 ein Widerstand 5 (5a bis 5h) zugeordnet. Die Widerstände 5 sind dabei im Strompfad der Z-Dioden 3 auf Seite der Anode angeschlossen. Selbstverständlich ist auch eine kathodenseitige Anordnung möglich.
Als Widerstände sind insbesondere PTC-Widerstände (PTC: positiver Temperaturkoeffizient) geeignet, da sie einen mit zunehmender Temperatur zunehmenden Widerstandswert aufweisen. Die Z-Dioden 3 können somit sicher vor Überlastung geschützt werden.
Die Batteriezellenspannung U_batt der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2h am Ende der Aufladephase, wenn die Summenspannung aller n Batteriezellen gleich n·U_max (U_max = zulässige obere Ladespannung) ist, ergibt sich aus folgender mathematischen Betrachtung:
Die Batteriezellenspannungen U_batt der einzelnen Batteriezellen 2a bis 2h sind mit U_Z1, U_Z2, U_Z3, etc. bezeichnet. Für die ersten drei Zellen 2a bis 2c kann somit folgendes Gleichungssystem angesetzt werden: UZ1 ≤ Umax.; UZn ≤ Umax UZ1 + UZ2 ≤ 2·Umax UZ2 + UZ3 ≤ 2·Umax UZ1 ≤ UZ2 · 2 ≤ Umax UZ1 + UZ2 + ...+ UZn-1 + UZn = n·Umax
Daraus ergibt sich die eindeutige Lösung U_Z1 = U_Z2 = U_Z3 = U_max. Die obere Ladespannung Um wird dabei abhängig durch die (temperaturabhängige) Z-Spannung der Z-Dioden 3a bis 3h bestimmt. Wenn eine der Batteriezellenspannungen U_batt den Wert U_max (z. B. 4,1 V) übersteigt, wird die zugehörige Z-Diode 3 leitend. Dadurch werden die Batteriezellen 2a bis 2i untereinander abgeglichen, so dass alle Batteriezellen 2a bis 2i etwa die gleiche Spannung aufweisen.
5 zeigt ein Batteriemodul 1 mit insgesamt neun Batteriezellen 2a bis 2i und einer alternativen Spannungsbegrenzungsschaltung. Die Schaltung umfasst N = 9 Z-Dioden 3a bis 3i, von denen fünf (3c bis 3g) jeweils zwei Batteriezellen 2, zwei (3a bis 3b) jeweils drei Batteriezellen, und einer (3h) vier Batteriezellen zugeordnet sind. Dadurch ist die obere Ladespannung U_max jeder einzelnen Batteriezelle 2a bis 2i wiederum eindeutig festgelegt.
Die dargestellte Anordnung ist nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen. Aus Gründen der Einfachheit und Kosten wird bevorzugt, möglichst viele gleiche Z-Dioden vorzusehen, z. B. N – 1 identische Z-Dioden, die jeweils 2 Batteriezellen überbrücken.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Batteriemoduls 1 mit insgesamt neun Batteriezellen 2a bis 2i, zwei Spannungsbegrenzungsschaltungen und neun Z-Dioden, die jeweils zwei Batteriezellen 2 zugeordnet sind. Die Batteriezellengruppen [2a, 2b], [2b, 2c], [2c, 2d],.. werden jeweils von einer Z-Diode 3 überbrückt. Im Unterschied zu 4 ist die Schaltung ohne PTC Widerstände ausgeführt. Die Spannungsregler 4a und 4b sind wiederum zwischen dem positiven Batterieanschluss (+) und dem Anschlussknoten zwischen den ersten beiden Batteriezellen 2a, 2b bzw. dem negativen Batterieanschluss (–) und den letzten Batteriezellen 2h und 2i angeschlossen.
Die Spannungsregler 4 können z. B. als Zweipunktregler ausgeführt sein, die einen Komparator 13a, 13b, eine Referenzspannung 6, einen Schalttransistor 8 (8a, 8b), insbesondere einen MOSFET, und einen Leistungswiderstand 9 (9a, 9b) umfassen, wie im Schaltbild dargestellt ist. Eine Stromversorgung ist mit dem Bezugszeichen 7 (7a, 7b) bezeichnet.
Die Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wird.
Insgesamt betrachtet wird mit dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 das Entladen und des Laden von Batteriemodulen 1 wesentlich verbessert. Beim Entladen sowie auch beim Laden werden, aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften und der Alterung, die Batteriezellen 2a bis 2i nicht vollständig gleich entladen und aufgeladen, so dass sich zwischen den Batteriezellen 2a bis 2i Differenzen der Spannungen U_batt der Batteriezellen 2a bis 2i ergeben. Bei den häufigen Ent- und Ladevorgängen vergrößern sich diese Differenzen, weil z. B. mit jeden Entladevorgang eine schwächere Batteriezelle 2a bis 2i um einen weiteren Betrag zusätzlich entladen wird. In dem erfindungsgemäßen Batteriemodul 1 wird das Entladen abgebrochen, sofern eine Batteriezelle 2a bis 2i eine untere Grenzspannung U_min unterschreitet, so dass ein Unterschreiten der Grenzspannung U_min von einzelnen Batteriezellen 2a bis 2i nicht möglich ist. Dies gilt analog für das Aufladen. Damit steht eine kostengünstige Lösung zur Verfügung, welche die Lebensdauer von Batteriemodulen 1 ohne ein aufwendiges und teures Abschalten oder Überbrücken einzelner Batteriezellen 2a bis 2i ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0225291 A1 [0005]

Claims

Batteriemodul (1), umfassend wenigstens zwei Batterezellen (2a bis 2i) und wenigstens ein Mittel (10) zur Begrenzung einer unteren Entladung des Batteriemoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mittel (10) zur Begrenzung der unteren Entladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (2a bis 2i) die Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) messbar ist und wenn die wenigstens eine gemessene Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) eine untere Grenzspannung (U_min) erreicht oder unterschreitet, wenigstens ein Vorgang einleitbar ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei sämtlichen Batteriezellen (2a bis 2i) separat die untere Grenzspannung (U_min) messbar ist.
Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vorgang ein optisches und/oder akustisches Signal für den Benutzer ist, das dem Benutzer eine Vollentladung oder eine Entladung mit einer geringen Restladung des Batteriemoduls (1) anzeigt.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vorgang eine Begrenzung der Entladung sämtlicher Batteriezellen (2a bis 2i) ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Differenzglied (11a bis 11i) zur Messung der Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Differenzglied (11a bis 11i) ein Multiplexer (12) zum sequenziellen Abfragen der Spannung bzw. Spannungen (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Komparator (13) die sequenziell von dem Multiplexer (12) gelieferten Spannung bzw. Spannungen (U) mit der unteren Grenzspannung (U_min) vergleichbar sind und bei einem Unterschreiten der unteren Grenzspannung (U_min) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) der wenigstens eine Vorgang einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Komparator (13a bis 13i) und je eine Referenzspannung (6a bis 6i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Komparator (13a bis 13i) die Spannung bzw. Spannungen (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) mit einer unteren Grenzspannung (U_min) vergleichbar ist und bei einem Erreichen oder Unterschreiten der unteren Grenzspannung (U_min) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) der wenigstens eine Vorgang einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Differenzglied (11a bis 11i) und je ein Komparator (13a bis 13i) zugeordnet ist und bei einem Erreichen oder Unterschreiten der unteren Grenzspannung (U_min) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) der wenigstens eine Vorgang einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) keine Vorrichtungen zum Abschalten einzelner Batteriezellen (2a bis 2i) und/oder zum Überbrücken einzelner Batteriezellen (2a bis 2i) aufweist, um dadurch Batteriezellen (2a bis 21) vor einem weiteren Entladen zu schützen.
Batteriemodul (1), umfassend wenigstens zwei Batteriezellen (2a bis 2i) und wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung einer oberen Ladung der wenigstens zwei Batteriezellen (2a bis 2i), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Vorrichtung zur Begrenzung der oberen Ladung dahingehend ausgebildet ist, dass separat bei wenigstens einer einzelnen Batteriezelle (2a bis 2i) die Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) messbar ist und wenn die wenigstens eine gemessene Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) eine obere Ladespannung (U_max) erreicht oder überschreitet, wenigstens eine Maßnahme einleitbar ist.
Batteriemodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei sämtlichen Batteriezellen (2a bis 2i) separat die obere Ladespannung (U_max) messbar ist.
Batteriemodul nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme ein optisches und/oder akustisches Signal für den Benutzer ist, das dem Benutzer eine Vollaufladung des Batteriemoduls (1) anzeigt.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Maßnahme eine Begrenzung der Ladung sämtlicher Batteriezellen (2a bis 2i) ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Differenzglied (11a bis 11i) zur Messung der Spannung (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen Differenzglied (11a bis 11i) ein Multiplexer (12) zum sequenziellen Abfragen der Spannung bzw. Spannungen (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Komparator (13) die sequenziell von dem Multiplexer (12) gelieferten Spannung bzw. Spannungen (U_batt) mit einer oberen Ladespannung (U_max) vergleichbar sind und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung (U_max) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) die wenigstens eine Maßnahme einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Komparator (13a bis 13i) und je eine Referenzspannung (6a bis 6i) zugeordnet ist.
Batteriemodul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Komparator (13a bis 13i) die Spannung bzw. Spannungen (U_batt) der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) mit einer oberen Ladespannung (U_max) vergleichbar sind und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung (U_max) durch wenigstens einer Batteriezelle (2a bis 2i) die wenigstens eine Maßnahme einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der wenigstens einen Batteriezelle (2a bis 2i) je ein Differenzglied (11a bis 11i) und je ein Komparator (13a bis 13i) zugeordnet ist und bei einem Erreichen oder Überschreiten der oberen Ladespannung (U_max) durch wenigstens eine Batteriezelle (2a bis 2i) die wenigstens eine Maßnahme einleitbar ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) keine Vorrichtungen zum Abschalten einzelner Batteriezellen (2a bis 2i) und/oder zum Überbrücken einzelner Batteriezellen (2a bis 2i) aufweist, um einzelne Batteriezellen (2a bis 2i) vor einem weiteren Aufladen zu schützen.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemodul (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Batteriezellen (2a bis 2i) in Serie geschaltet sind.
Batteriemodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Batteriezellen (2a bis 2i) in Serie geschaltet sind und das Batteriemodul (1) mehrere Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) umfasst, die jeweils einer Gruppe ([2a, 2b], [2b, 2c],...) aus einer oder mehreren Batteriezellen (2a bis 2i) zugeordnet sind und deren Spannungen (U_batt) begrenzen, wobei die Spannungsbegrenzungseinrichtungen (3, 4) derart mit dem Batteriezellen (2a bis 21) verschaltet sind, dass die obere Ladespannung (U_matt) jeder einzelnen Batteriezelle (2a bis 2i) eindeutig bestimmt ist.